T4nPV

Tailored for next PV (T4nPV)

Innovationsallianz Photovoltaik – Forschung für nachhaltige Energieerzeugung

Beim weltweiten Ausbau der erneuerbaren Energien kommt der Photovoltaik eine zentrale Rolle zu. Im Energiemix mit z.B. Wind- und Wasserkraft ist die Nutzung der Solarenergie gerade für Länder mit hoher Sonneneinstrahlung das zentrale Element. Zur optimalen Nutzung des Sonnenlichts reicht der Bedarf von dezentralen „roof-top“ Anlagen bis zu solaren Großkraftwerken. Zur Zeit konkurrieren verschiedene photovoltaische Technologien um die wirtschaftlichsten Lösungen für die jeweiligen Anwendungen. Dabei besitzen sowohl kristalline als auch Dünnschicht-Technologien weiterhin ein großes Innovationspotenzial entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Hierbei sind deutsche Firmen im weltweiten Vergleich sowohl auf Seiten der Anlagentechnik als auch in der Zell- und Modultechnologie exzellent positioniert. In keinem anderen Land weltweit sind vergleichbare Potenziale vorhanden, um durch ein konsequentes Zusammenwirken der Akteure entlang der kompletten Wertschöpfungskette neue Technologien zu entwickeln, Effizienz und Lebensdauer zu steigern und die Produktverantwortung im Recycling umzusetzen. Der Anteil deutscher Unternehmen am Weltmarkt liegt im Durchschnitt aller Wertschöpfungsstufen bei ca. 20%, der deutsche Solar- Maschinenbau hat Marktanteile bis über 50%. Mit der Innovationsallianz Photovoltaik will die Bundesregierung die erforderlichen Anpassungsprozesse begleiten und dazu beitragen, die internationale Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Photovoltaik-Industrie mittel- und langfristig zu sichern und auszubauen.

Laserstrukturierung macht Solarmodule billiger und effizienter

Für die Solarmodule der Zukunft, die insbesondere auch ohne Vergütung nach dem EEG (erneuerbare Energiengesetz) eine wirtschaftliche Erzeugung von Solarstrom ermöglichen, stellen insbesondere die effiziente Stromerzeugung und die kostengünstige Herstellbarkeit zentrale Herausforderungen dar. Die Photovoltaikbranche erlebt derzeit weltweit ein sehr dynamisches Wachstum. Im Vergleich zur marktführenden kristallinen Silizium-Technik wächst insbesondere der Bereich der Dünnschichtphotovoltaik überproportional stark, da insbesondere Dünnschichttechnologien besonders kostengünstig herstellbare Solarmodule versprechen. Auf Glasscheiben, sogenannten Substraten, werden dabei dünne Schichten aufgebracht, in denen Licht in Strom umgewandelt wird. Um aus einer großen Fläche effizient elektrische Leistung zu gewinnen, wird eine möglichst hohe Spannung bei kleinem Stromfluss benötigt. Hierzu dient die integrierte Verschaltung der einzelnen Solarzellen in dieser Fläche, die durch Einbringen von mehreren Trenngräben zwischen den einzelnen Abscheidungsschritten der dünnen Schichten erfolgt. Diese Strukturen verringern jedoch die aktive Fläche des Moduls. Aus diesem Grund ist eine möglichst präzise und schmale Verschaltungszone notwendig, um so möglichst geringe Verluste in diesem Bereich der Solarmodule zu erreichen.

Maßgeschneiderte Laserstrahlung für Solarmodule der nächsten Generation

Das Verbundprojekt T4nPV hat das Ziel, für die integrierte Verschaltung der einzelnen Solarzellen in Dünnschichtmodulen, insbesondere für die sogenannte CIS1-Technologie, neue Lasertechniken zu erarbeiten, die eine präzise, kostengünstige Massenfertigung erlauben. Gleichzeitig soll der Wirkungsgrad der Module durch schmalere Verschaltungszonen - und damit geringeren optischen Verlusten - gesteigert werden. Heute werden mechanisch abtragende und damit auch verschleißende Werkzeuge zur Verschaltung verwendet, die durch einen schnellen, berührungsfreien und damit verschleißfreien Laser ersetzt werden sollen. Die hierfür geplanten Forschungsarbeiten erfordern einen ganzheitlichen Ansatz, der die Grundlagen des Laserprozesses, die notwendigen Systemkomponenten und speziell angepasste Strahlquellen umfasst. Für Silizium-basierte Dünnschichttechnologien sind Laserprozesse zur Verschaltung der einzelnen Solarzellen eines Moduls bereits entwickelt. Das Dünnschichtmaterial CIS kann jedoch heute noch nicht zufriedenstellend mit dem Laser strukturiert werden. Eine der Herausforderungen liegt im Schichtaufbau begründet: Da die erste Schicht nicht lichtdurchlässig ist, muss bei CIS der zweite und dritte Strukturierungsschritt von der Schichtseite her erfolgen. Silizium-basierte Dünnschichtmodule erlauben hingegen die Bearbeitung sowohl von der Glasseite als auch von der Schichtseite, da die erste Schicht transparent ist. Erst durch neue Lasersysteme mit kürzeren Pulsen wird ein selektives Abtragen einer nur wenige Mikrometer dünnen Schicht ohne Schädigung der darunterliegenden Schicht möglich.

Im Erfolgsfall plant der Verbundpartner Robert Bosch GmbH durch seine Tochtergesellschaft Bosch Solar CISTech GmbH auf der Basis der Ergebnisse im Anschluss an das Vorhaben eine Umsetzung der Laserstrukturierung in der Serienfertigung von CIS-Solarmodulen. Für den Laserhersteller TRUMPF Laser GmbH + Co. KG und die Hersteller der Optiken und der Messtechnik – die Befort Wetzlar OD GmbH, die LayTec AG und die TEM Messtechnik GmbH – eröffnen sich neben der hier konkret adressierten Umsetzung im Bereich der Photovoltaikfertigung weitere Absatzmöglichkeiten im Bereich der hochpräzisen Strukturierung und Bearbeitung von Halbleitermaterialien.

1 CIS steht für Kupfer-Indium-Diselenid, das als dünne, aktive Schicht in den CIS-Solarzellen für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom sorgt.

Projektdetails

Koordinator

Dr.Andreas Letsch
Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung - Produktionstechnik 1 - Verbindungstechnik und Lasermaterialbearbeitung
Robert-Bosch-Str. 2, 71701Schwieberdingen
+49 711 811-8204

Projektvolumen

11,5 Mio. € (ca. 52% Förderanteil durch das BMBF)

Projektdauer

01.08.2011 - 31.12.2014

Projektpartner

Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung - Produktionstechnik 1 - Verbindungstechnik und LasermaterialbearbeitungSchwieberdingen
Bosch Solar CISTech GmbH - BbhP/ECP-Entwicklung Produkt CIS und ProzesseBrandenburg
Befort Wetzlar OD GmbHWetzlar
Universität Stuttgart - Fakultät 7 Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik (Maschinenbau) - Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW)Stuttgart
LayTec in-line GmbHBerlin
Friedrich-Schiller-Universität Jena - Physikalisch-Astronomische Fakultät - Institut für Angewandte PhysikJena
TEM Messtechnik GmbHHannover
TRUMPF Laser GmbHSchramberg