Kumelle – Kupfermetallisierung für die Herstellung von Perowskit-Silizium Solarzellen

Kerngeschäft des Fraunhofer ISE ist die Entwicklung der nächsten Solarzellengenerationen. Dabei haben Tandemsolarzellen, integrierte Photovoltaik und nachhaltige Produktion höchste Priorität. Das Projekt »Kumelle« adressiert die Entwicklung von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen, hohe Solarzellenwirkungsgrade von über 30 % und Kupfermetallisierungen anstelle von teurem und immer knapper werdendem Silber. Damit ist das Projekt vollständig mit den Kernzielen des Fraunhofer ISE abgestimmt. Neben der evolutionären Weiterentwicklung des Flachbett-Siebdruckes als Stand der Technik in der Produktion steht in enger Kooperation mit dem Konsortialführer acp systems AG die revolutionäre Entwicklung eines neuen Druckverfahrens im Vordergrund (FlexTrail), welches Vorteile hinsichtlich Ressourceneffizienz, minimale Strukturbreite, Materialflexibilität und Produktivität impliziert. Daneben wird ein materialgetriebener Lösungsansatz verfolgt mit dem Ziel zellcharakteristische Leistungsparameter mit materialspezifischen Kenngrößen zu korrelieren und so ein tiefes Verständnis zu den verwendeten Prozesse aufzubauen.

Motivation:

Die Metallkontakte auf Solarzellen tragen erheblich zu deren Leistung, Kosten und Klimabilanz in der Produktion bei. Daher werden in Kumelle innovative Prozesse und Materialien untersucht, die für die Herstellung von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen mit Kupferkontakten eingesetzt werden können. 

Im Zuge des globalen Markthochlaufs von Photovoltaik (PV) für die Energiewende werden die Produktionskapazitäten in den kommenden Jahren sukzessive ausgebaut. So wurde in 2023 eine Produktionskapazität von 400 GWp (pro Jahr) erreicht, welche bis 2035 auf 3000 GWp ansteigen soll. Für die Herstellung von klassischen Solarzellen werden 12 t/GWp (90 mg/Wafer) Silber abgebaut, was bei der anvisierten Produktionskapazitäteine drastische Verknappung beim Silberabbau ab 2030 zur Folge hätte. Neben der geringen und preistreibenden Verfügbarkeit geht die Förderung von Silber mit einem CO2-Fußabdruck von 144 Tsd. CO2eq/t einher und beeinträchtigt daher die Klimabilanz von Solarzellen signifikant. Für einen nachhaltigen, globalen Markthochlauf von Photovoltaik ist es daher von besonderer Bedeutung, den Wirkungsgrad bzw. die Leistung von Solarmodulen bei gleichzeitiger Reduzierung des Silberverbrauchs weiter zu erhöhen. Daneben erscheint die vollständige Substitution von Silber durch Kupfer derzeit als äußerst zielführend, da Kupfer bei vergleichbaren elektrischen Eigenschaften eine höhere Verfügbarkeit mit einem um zwei Größenordnungen geringeren CO2-Fußabdruck aufweist. Hierbei ist der verstärkende Effekt des Kupfer-Recyclings noch nicht berücksichtigt.

Das Projekt »Kumelle« begegnet der Herausforderung der Silberreduktion/-substitution mit der Entwicklung von gedruckten Kupferkontakten für Perowskit-Silizium Tandemsolarzellen, welche aufgrund ihres hohen Wirkungsgradpotenzials in Kombination mit industriell skalierbaren Fertigungsverfahren ein erhebliches Differenzierungspotenzial gegenüber dem Stand der Technik implizieren und sich daher ideal für eine Re-Etablierung von PV-Produktion am Standort Europa eignen. Daneben integrieren die Solarzellen Kupferdiffusionsbarrieren und sind aufgrund der geringeren Ströme robuster gegenüber elektrischen Verlusten am Metallkontakt, welche bei geringeren Metallauftragsmengen und Kontaktveränderungen durch bspw. Oxidation entstehen können.

Vorrangiges Projektziel ist die Etablierung einer industriellen Prozessreihe für die Kupfermetallisierung von Perowskit-Silizium Tandemsolarzellen in den Pilot-Linien des Fraunhofer ISE (Technology Readiness Level = 6 ), welche im Nachgang an das Projekt vorrangig am hiesigen Standort verwertet werden kann. Dabei wird auch das am Fraunhofer ISE entwickelte und unter Patentschutz stehende FlexTrail-Verfahren zur Marktreife überführt.

Die Arbeitsziele des Gesamtvorhabens können in die folgenden wissenschaftlichen und technischen Arbeitsziele gegliedert werden.

Wissenschaftliche Arbeitsziele:

• Perowskit-Silizium Tandemsolarzellen mit Kupfermetallisierung mit einem Wirkungsgrad von über 30%

• Nachweis von langzeitstabilen Kupfermetallisierungen nach IEC-Normen

• Innovative Metallisierungsprozesse auf Basis von Flachbett-Siebdruck, Rotationsdruck (Flexodruck & Tiefdruck), sowie FlexTrail als innovatives, disruptives Druckverfahren in Kombination mit thermischen und photonischen Sintertechniken (Laser, Blitzlampen)

• Spezifischen Druckmedien mit angepassten Partikeln und Lösungsmitteln

• Verfolgung eines materialgetriebenen Ansatzes zur Korrelation von Leistungsparametern mit Prozessparametern und materialspezifischen Kenngrößen

Technische Arbeitsziele:

• Perowskit-Silizium Solarzellen und -module auf Basis von nachhaltigen Prozesstechnologien

• Demonstration einer FlexTrail-PV-Druckanlage

• Spezifische Kupferdruckmedien und -pigmente für verschiedene Druck- und Sinterkombinationen

• Konzeptionierung einer virtuellen, vertikalen Fertigung auf Basis von Kumelle Technologien mit konkurrenzfähigen Key Performance Indicators (KPIs) für den erneuten Markhochlauf von Fertigung am Standort D/EU

Fraunhofer ISE und Hanwha Q Cells verantworten die Zellentwicklung, wobei neben der reinen Zellentwicklung am Fraunhofer ISE auch Module hergestellt und geprüft werden. Das ISE bildet alles wesentlichen Zelltechnologien ab.

Das FlexTrail Verfahren wird von acp, Fraunhofer ISE und P.V. Nano Cell getrieben, wobei acp die Anlagen, Fraunhofer ISE die Prozess- und P.V. Nano Cell die Tintenentwicklung verantwortet.

Das Siebdruck Verfahren wird von Fraunhofer ISE und ELANTAS forciert, wobei Fraunhofer ISE die Prozess- und ELANTAS die Pastenentwicklung verantwortet.

Der Rotationsdruck bzw. der Flexo- und Tiefdruck wird von Continental und Saralon verantwortet, wobei Continental die Prozess- und Saralon die Tintenentwicklung begleitet. 

ECKART fokussiert die Entwicklung von Partikeln und wird diese allen verfahrensspezifischen Tintenentwicklungen zur Verfügung stellen, wobei das Siebdruck Verfahren vorerst im Fokus steht.