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Dünnschichtsolartechnologien der Zukunft

Bild der Titelseite der Publikation: Dünnschichtsolartechnologien der Zukunft

Ahlswede, E.; Würz, R.; Schultes, M.; Wahl, T.; Küffner, J.; Zillner, J.; Schnabel, T.; Hanisch, J.; Kessler, F.

2020

Projektbericht - Abschlussbericht; Projektbericht - Forschungsberichtsblatt

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Beschreibung

Kurzfassung

 

Aufgabe des SOLAMO-Projektes (L7516013) war es, die beiden auf Cu(In,Ga)Se2 und Perowskiten beruhenden Dünnschichtsolarzellentypen entsprechend ihrem aktuellen Entwicklungsstand weiter zu entwickeln mit dem Ziel, sie eines Tages als Tandem auf industrierelevanter Fläche zusammen zu bringen und dadurch höchste Modulwirkungsgrade zu erreichen. In beiden PV-Klassen konnten dabei wertvolle Erkenntnisse generiert werden, so dass sehr gute Voraussetzungen gegeben sind, um in einem Folgeprojekt Tandemmodule mit Effizienzen > 25 % zu entwickeln.

 

CIGS

Um mit den internationalen Entwicklungen im CIGS-Bereich mithalten und weiterhin in den vordersten Reihen mitarbeiten zu können, war die Beschaffung einer neuen Vakuum-CIGS-Beschichtungsanlage von essentieller Bedeutung. Die beschaffte Anlage hat alle in sie gesetzten Erwartungen erfüllt, d.h. es konnten sowohl bei sehr niedriger als auch höherer Substrattemperatur ausgezeichnete Wirkungsgrade erzielt werden.

Die Vermutung, dass Verunreinigungen aus dem Substrat die Absorberqualität entscheidend beeinflussen, konnte nicht bestätigt werden. Vielmehr waren die gewählte Substrattemperatur und eine ausreichende Dotierung die entscheidenden Parameter für die Herstellung eines effizienten Absorbers.

Zur Erzielung hoher Wirkungsgrade auch bei niedrigen Substrattemperaturen (um 400°C) hat sich insbesondere der sogenannte 3-Stufen-CIGS-Prozess bewährt, bei dem ein definiertes Gallium-Zusammensetzungsprofil bei der Schichtabscheidung aufgebaut wird, was einer Variation des Bandabstands über die CIGS-Dicke gleichkommt. Auf Polyimidfolie konnte damit ein Zellwirkungsgrad von bis zu 17,4 % erzielt werden.

Eine große Herausforderung bildete der Aufbau und die Verwendung von verschließbaren Verdampferquellen, die bei hoher Temperatur über einen drehbaren Deckel geregelt werden. Damit konnten außerordentlich hohe CIGS-Beschichtungsraten von bis zu 929 nm/min erzielt werden. Bei einer Schichtdicke von ca. 2 μm wird der Beschichtungsprozess damit extrem verkürzt. Für diese Versuche wurde eine 1-stufige (d.h. ohne Regelung des Ga-Gradienten) CIGS-Verdampfung gewählt. Außer bei extrem schneller Beschichtung konnte dennoch ein passabler Wirkungsgrad erreicht werden. Der untersuchte „Pulsbetrieb“ der Quellen, bei dem (z.B.) die Kupferquelle bei 1600°C geöffnet und geschlossen wird, ist in der Praxis zwar möglich, hat im Vergleich zu einem kontinuierlichen Betrieb (z.B. Inline-Beschichtung) aufgrund der extrem schnellen Abkühlung des Verdampfungsguts beim Entfernen des Qellendeckels erhebliche Nachteile. Es ist davon auszugehen, dass im Inline-Verfahren bei hohen Substrattemperaturen noch deutlich höhere Abscheideraten als 1000 nm/min realisiert werden können, zumal in diesem Projekt die physikalische Grenze der CIGS-Bildung noch nicht erreicht wurde.

 

Perowskite

Perowskite basieren auf sehr kostengünstigen Materialien, die leicht in einer Art Tinte gelöst und dann als dünner Film aufgebracht werden können und sehr hohe Effizienzen ermöglichen. Wichtige Themen sind die Verbesserung der Stabilität und Umweltverträglichkeit. Sie sind durch ihre geeignete Bandlücke insbesondere als semitransparente Zellen für die Verwendung von Tandemsolarzellen im Verbund mit CIGS sehr interessant.

Im Projekt wurden grundlegende Optimierungen der Material-Zusammensetzungen und Präparationswege aus lösungsbasierter Abscheidung im Standard- und invertierten Aufbau durchgeführt und untersucht. Die Perowskit-Zusammensetzung wurde umgestellt auf einen 2fach-Kation-Perowskit unter Vermeidung des potenziell wenig stabilen Methylammonium-Ions (MA). Die Effizienzen sind auf ähnlichem Niveau wie beim früheren System, die Stabilität verspricht besser zu sein.

Mit diesem neuen Materialsystem mussten alle Teilschritte der Solarzellen-Herstellung neu optimiert werden. Ein entscheidender Aspekt war hierbei, dass gleichzeitig mit PTAA auch ein neuer Lochleiter mit höherer Effizienz und Stabilität verwendet wurde, auf dem aber das neue 2fach-Kation-Perowskit-System wesentlich schlechter benetzt.

Bleifreie Perowskit-Materialien zeigen weiterhin deutlich geringere Effizienzen als die konventionellen bleihaltigen Materialien. Mit einem neuen Zinn-basierten System auf der Basis von FASnI3 konnten nun aber robuste Optimierungsversuche durchgeführt und Effizienzen von über 2 % gezeigt werden. Das Material kann durch Beimischung von Blei oder großen Molekülen, die 2-dimensionale Deckschichten ausbilden, stabilisiert werden.

Zur Untersuchung industrierelevanter Hochskalierungsverfahren wurde für die großflächige Rakelbeschichtung zunächst auf das bewährte MAPbI3-Perowskit-Material gesetzt. Hier konnten durch den Einsatz von PTAA ebenfalls erhöhte Leerlaufspannungen und Effizienzen erreicht und durch verschiedene Optimierungsschritte großflächige Beschichtungen auf Flächen bis zu 5x5 cm2 demonstriert werden. Mit gerakelten Schichten konnten dabei Minimodule mit 8 Subzellen auf einer Aperturfläche von 11,6 cm2 hergestellt und Effizienzen von ca. 10 % erzielt werden, geschleuderte Minimodule auf einer Fläche von 3,8 cm2 erreichten sogar 14 %.

Die erzielten Ergebnisse bilden eine ausgezeichnete Basis für zukünftige Entwicklungen effizienter Einzel- und Tandemmodule im Verbund mit CIGS-Dünnschicht-Modulen.