3D-Tintenstrahldrucken photovoltaischer Bauteile basierend auf dünnen Schichten aus halbleitenden Oxiden (MANUNET-3D-PHOTOXIDES)

Problemlage
Solarzellen werden heutzutage mit unterschiedlichen Verfahren und Materialien hergestellt. Die entscheidende Kenngröße einer Solarzelle ist der Wirkungsgrad, d. h. die Effizienz, mit der Licht in elektrischen Strom umgewandelt wird und die somit den Flächenbedarf bestimmt. Die höchsten Wirkungsgrade werden heute mit einkristallinen Solarzellen erreicht. Diese bestehen aus aufwändig hergestellten großen Siliziumeinkristallen, die anschließend in hauchdünne Scheiben gesägt und weiter bearbeitet werden. Deutlich ressourcensparender sind dagegen Dünnschichtsolarzellen, bei denen nur eine tausendstel Millimeter dünne Schicht des gewünschten Solarzellenmaterials auf Glas-, Kunststoff- oder Metallfolien aufgebracht wird. Die Schichten bestehen allerdings aus winzigen Körnern, die ungeordnet strukturiert sind. Zwischen den Körner bilden sich an Korngrenzen Lücken, die den Stromfluss behindern und den Wirkungsgrad der Zellen deutlich verringern.

Ziel
Im Projekt 3D-PHOTOXIDES soll ein innovatives Produktionssystem entwickelt werden, das es erlaubt, Dünnschichtsolarzellen herzustellen, die weniger fehlerhafte Korngrenzen aufweisen und somit einen hohen Wirkungsgrad erreichen. Dazu werden Fertigungstechnologien angepasst, die im Bereich der Supraleiterforschung entwickelt wurden und bisher noch nicht bei Solarzellen Anwendung fanden.

Vorgehensweise
Hierzu wird eine bewährte Beschichtungstechnik, die sogenannte Elektronenstrahlverdampfung, verwendet, die beispielsweise auch zum Beschichten von Verpackungsfolien eingesetzt wird. Diese wird durch Schrägstellen des Substrates so adaptiert, dass wenige tausendstel Millimeter dünne Schichten aus Magnesiumoxid ohne Korngrenzen auf einer Metallfolie aufgebracht werden können. Auf diese Pufferschicht werden anschließend mit einer innovativen Tintenstrahldrucktechnik Tröpfchen von Lösungen aufgebracht, die die Bestandteile der eigentlichen Solarzelle, z. B. Kupfer und Zink, enthalten. Durch nachfolgendes Erhitzen verdampft das Lösungsmittel und es bildet sich die Dünnschichtsolarzelle, bestehend in diesem Fall aus Kupfer- und Zinkoxid. Die prototypische Umsetzung erfolgt in Laboranlagen mit briefmarkengroßen Musterzellen, die anschließend zu einem 10 x 10 cm großen Modul verschaltet werden. Begleitend wird ein Fertigungs- und Anlagenkonzept für die großtechnische Produktion erstellt sowie ökologisch und ökonomisch bewertet.

Ergebnis und Anwendungspotenzial
Bei erfolgreicher Umsetzung steht zukünftig der Solarindustrie eine neuartige Fertigungstechnologie für Dünnschichtsolarzellen zur Verfügung. Diese kann insbesondere in Deutschland aufgrund des bereits vorhandenen umfangreichen Know-hows im Bereich der Fertigung von Dünnschichtsolarzellen neue Impulse geben und Marktchancen im weltweiten Aufbau von Solarfabriken eröffnen. Die Ergebnisse sind auch direkt übertragbar auf Hochtemperatursupraleiter in der Energietechnik, eine Technologie, die derzeit mit ersten Pilotanwendungen für den Einsatz in Stromnetzen oder Kraftwerken auf den Markt kommt.

• Theva Dünnschichttechnik GmbH