Solarzellen wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um. Das Licht trifft in der Zelle auf einen Absorber und setzt im Inneren des Materials negative und positive Ladungsträger frei. Diese werden in einem elektrischen Feld getrennt und fließen zur Vorder- bzw. Rückseite der Zelle. Dort werden sie auf metallischen Sammelkontakten, je einem für die positiven und die negativen Ladungen, zusammengefasst. Die Elemente „Absorber“ (im Absorber entstehendes „elektrisches Feld“) sowie „Front- und Rückseitenkontakte“ finden sich in jeder Solarzelle. Nach dem Prozess der Zellfertigung werden die einzelnen Solarzellen elektrisch miteinander verschaltet und zwischen zwei Glasscheiben bzw. zwischen eine Glasscheibe und eine Rückseitenfolie einlaminiert. So entsteht das „Solarmodul“, in dem die Solarzellen für einen stabilen Betrieb über mindestens 20 Jahre gegen Regen, Hagel und UV-Strahlung geschützt sind. Solarmodule (im Gegensatz zu den Zellen) haben typischerweise eine Fläche von 0,7 bis 1,6 m², bei Bedarf werden auch kleinere oder größere Formate gefertigt. Die Materialforscher am ZSW sind auf die CIGS-Dünnschicht-Technologie sowie die Entwicklung neuer Materialsysteme spezialisiert.
Drei alternative Absorbermaterialien werden neben kristallinem Silizium für die Herstellung von Solarzellen eingesetzt: der Verbindungshalbleiter Cadmiumtellurid (CdTe), eine Kombination aus amorphem und mikrokristallinem Silizium (a-Si/μc-Si) sowie ein Verbindungshalbleiter aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen (Cu(In,Ga)Se2, abgekürzt CIS oder CIGS). Solarzellen aus den genannten drei Materialien heißen Dünnschichtsolarzellen, weil die Absorber jeweils nur wenige Mikrometer stark sind. Nur 0,2 kg der Halbleitermaterialien werden für Module mit einer Leistung von 1 Kilowatt (kW) als Absorber benötigt. Diese Absorber sind nicht wie Siliziumwafer selbsttragend, sondern sie werden auf Trägern, meist auf Glasscheiben, abgeschieden. Damit unterscheidet sich die Herstellung von Dünnschichtmodulen grundsätzlich von der Wafersilizium-Technologie. Nicht mehr eine einzelne Zelle, sondern ein Solarmodul mit schon verschalteten Zellen wird prozessiert: Kontaktflächen, Absorber und weitere Zwischenschichten werden in integrierten Prozessen auf großen Glasscheiben abgeschieden. Abschließend werden die Schichten durch Lamination einer zweiten Glasplatte zum fertigen Solarmodul verbunden. Alle drei oben genannten Dünnschicht-Techniken sind zu industrieller Reife gelangt. Im Jahr 2014 wurden weltweit Dünnschichtmodule mit den Absorbern a-Si, CdTe oder CIGS mit einer Gesamtleistung von 3.144 Megawatt (MW) produziert, die einen Anteil von 8 % an der gesamten Jahresproduktion von Solarmodulen hatten. Heute ist die CIS- oder CIGS-Technologie die Dünnschichttechnik mit den höchsten bei Laborzellen gezeigten Wirkungsgraden. Das ZSW hielt in den vergangenen Jahren immer wieder den Weltrekord, zuletzt im Juni 2016 mit 22,6 %. Aktuell liegt der Weltrekord bei 23,35 % (Solar Frontier). Damit hat die Technologie die besten Voraussetzungen für ein weiteres starkes Marktwachstum.
Im Themengebiet fabrikationsnahes CIGS unterstützen wir die Industrie beim Betrieb einer Innovationslinie, die zur Qualifizierung und Erprobung aller Prozesse bei der Modulherstellung dient. Die dortigen Methoden zur Herstellung von 60 x 120 cm² großen CIGS-Modulen auf Glas basieren auf der Technologie des ZSW. Aufgrund der gestiegenen Anforderungen des Marktes sind neben Wirkungsgradverbesserungen auch die höchstmöglichen Prozessgeschwindigkeiten und die maximalen Produktionslaufzeiten der Maschinen wichtige Themen.
Am ZSW werden die Prozesse, Methoden und Materialien kontinuierlich weiterentwickelt. Wenn bestimmte Prozesse auf Solarzellen im Labormaßstab erfolgreich sind, werden diese zunächst adaptiert für die Umsetzung in den eigenen, produktionsnahen Inline-Beschichtungsanlagen (s. Abb.). Basierend auf diesen Erkenntnissen werden sie schließlich in eine Produktionsumgebung übertragen, die nochmals andere Randbedingungen und Herausforderungen mit sich bringt.
Parallel dazu begleiten wir kontinuierlich die industrielle Produktion und beleuchten auftretende Fragestellungen. Unsere gut ausgestattete Analytik ermöglicht eine detaillierte Untersuchung materialwissenschaftlicher Fragen, wie z.B. der tiefenabhängigen Zusammensetzung der Schichten, prozessabhängigen Änderungen der elektro-optischen Eigenschaften oder der Langzeitstabilität. Ergänzt durch Simulationen der komplexen Zell- Heterostruktur lassen sich daraus Empfehlungen für die Prozessführung ableiten.
Während die Kontaktschichten Molybdän (Mo) und Zinkoxid (ZnO) meist mit Kathodenzerstäubung (Sputtern) oder dem CVD-Verfahren hergestellt werden, gibt es für die CIGS-Halbleiterdeposition unterschiedliche Ansätze: CIGS kann direkt mittels sogenannter Koverdampfung bei erhöhten Beschichtungstemperaturen hergestellt werden. Eine spezielle Herausforderung stellt dabei die Rolle-zu-Rolle CIGS-Beschichtung auf Polymerfolie dar, da die sonst übliche Prozesstemperatur deutlich abgesenkt werden muss. Die höchsten Wirkungsgrade wurden bisher mittels Koverdampfung erzielt. Alternativ lassen sich die Materialien Cu, In, Se oder S auch kostengünstig als Vorläuferschichten aufbringen. Hier werden Druck- und galvanische Verfahren sowie Kathodenzerstäubung eingesetzt. Anschließend werden die Schichten unter Se- bzw. S-Atmosphäre bei erhöhten Substrattemperaturen kristallisiert.
Die Abbildung zeigt den prinzipiellen Schichtaufbau einer Solarzelle aus Cu(In,Ga)Se2 in einer elektronenmikroskopischen Aufnahme.
Ein zentraler Schritt auf dem Weg von der Zelle zum Modul ist die Serienverschaltung der Einzelzellen, die am ZSW durch die sogenannte monolithisch integrierte Serienverschaltung erfolgt. Hierbei werden schon während des Herstellungsprozesses einzelne Schichten derart aufgetrennt und überlappt, dass am Ende Zellstreifen entstehen, die miteinander in Reihe geschaltet sind.
Das Prinzip ist in der Abbildung gezeigt. Dabei findet die jeweilige Auftrennung der Einzelschichten entweder mechanisch oder mit dem Laser statt. Die monolithische Serienverschaltung stellt einen wesentlichen Vorteil der Dünnschichttechnik gegenüber kristallinen Solarmodulen dar, da nicht mehr einzelne zu Zellen prozessierte Silizium-Wafer erst im Nachhinein durch Kontaktbänder miteinander zum Modul verschaltet werden müssen. Alle Prozesse finden somit direkt auf der endgültigen Substratgröße statt und lassen sich von Anfang an voll automatisieren.
Nach Fertigstellung des Rohmoduls findet üblicherweise eine Randentschichtung (Entfernen der aktiven Schichten im Randbereich des Moduls) statt, um vor der Weiterverarbeitung mögliche Kurzschlüsse zwischen einzelnen Zellen etwa über beschichtete Glasränder zu vermeiden. Darauf folgt die Kontaktierung mittels metallischer Kontaktbänder und anschließend die sogenannte Verkapselung. Erst dieser letzte Schritt sorgt dafür, dass Solarmodule über Jahrzehnte hinweg auch extreme klimatische Bedingungen überstehen können.
Ein weit verbreitetes Standard-Verkapselungsmaterial ist etwa EVA (Ethylen-Vinyl-Acetat). Am ZSW werden daneben weitere Verkapselungsfolien eingesetzt und getestet. Insbesondere im Bereich der flexiblen Verkapselung besteht noch großer Forschungsbedarf, da hier die Anforderungen noch höher sind als bei Glas-Modulen. Eine besondere Herausforderung stellt dabei der Schutz vor eindringender Feuchtigkeit dar. Die Verkapselungsmaterialien und die damit hergestellten Testmodule werden dabei hinsichtlich Verarbeitbarkeit, UV-Stabilität, Hitze-Feuchte-Stabilität etc. charakterisiert.
Heute ist die CIS- oder CIGS-Technologie die Dünnschichttechnik mit den höchsten bei Laborzellen gezeigten Wirkungsgraden. Das ZSW hielt in den vergangenen Jahren immer wieder den Weltrekord, zuletzt im Juni 2016 mit 22,6 %. Aktuell liegt der Weltrekord bei 23,35 % (Solar Frontier).
Hier ein Überblick über die aktuellen maximalen Wirkungsgrade unserer Solarzellen und Module auf Glassubstraten:
Zellwirkungsgrade
22,6 % Rekord
19,6 % Inline-Prozess
Modulwirkungsgrade
> 15 % auf 30 x 30 cm²-Modulen
> 17 % auf 10 x 10 cm²-Modulen
Um die Lichtausbeute der Zelle insgesamt zu verbessern, aber auch um auf das in der Pufferschicht einer Dünnschichtsolarzelle enthaltene Material Cadmium verzichten zu können, wird intensiv an verbesserten Materialsystemen für diese Schicht geforscht. Am ZSW wurde das Zwischenschichtsystem aus Cadmiumsulfid und Zinkoxid durch eine Kombination aus Zinkoxidsulfid und Zinkmagnesiumoxid ersetzt. Diese Kombination verspricht eine noch höhere Lichtausbeute als das Material bisheriger CIGS-Zellen.
Mit der neuen Pufferschicht (CBD Zn(S,O)) wurden 21,0 % Zellwirkungsgrad erzielt.
In der Abbildung ist der Stromgewinn der Zelle mit Zn(S,O)-Puffer im kurzwelligen Bereich deutlich zu erkennen, allerdings wird dies zur Zeit noch überkompensiert durch den Spannungsverlust.
