Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE| Laufzeit: | 04/2020 - 03/2023 |
| Auftraggeber / Zuwendungsgeber: |
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) Fkz: 03EE1046A |
| Kooperationspartner: | Fraunhofer ISE; AZUR SPACE Solar Power GmbH; DISCO Hi-Tec Europe GmbH; SiLi Technologies GmbH; Fuchs Design GmbH; Fela GmbH; Wagenbrett GmbH & Co. KG; Technische Universität Berlin |
| Projektfokus: |       |
micro-CPV – Entwicklung eines hochkonzentrierenden CPV-Moduls auf Basis modernster Micro-Fertigungstechnologie
µ-CPV Testmodul montiert auf der Nachführeinheit des CPV Teststands am Fraunhofer ISE. Zur Charakterisierung der Komponenten im Modul werden Primärlinsenplatten in 3×3 Anordnung und bestückte Bodenplatten (mit Mikro-Solarzellen und Kugellinsen) zueinander und zur Sonne ausgerichtet.
Strom-Spannungs-Kennlinien eines Mikro-CPV Testmoduls, bestehend aus einer Mikro-Solarzelle, Kugelsekundärlinse und Primärlinse. Messung durchgeführt auf einer Nachführeinheit am CPV Außenmessstand des Fraunhofer ISE.
Mikro-Konzentratorsolarzellen (und nicht gezeigt Bypassdioden) werden auf eine glasbasierte Leiterplatte bestückt, und parallelisiert und selbstausrichtend positioniert.
Innovative Fertigungstechnologien z.B. für großflächige Displays ermöglichen die kostengünstige Herstellung von Einheiten aus tausenden verschalteten Halbleiterbauelementen durch Miniaturisierung, additive Fertigung, Parallelisierung, und Selbstausrichtung. Die Zielsetzung des Verbundprojekts »micro-CPV« ist die Entwicklung eines Konzentratorphotovoltaik-(CPV-) Moduls auf Basis dieser Technologien, um hohe PV-Leistung bei gleichzeitiger Ausnutzung von Kostensenkungspotenzialen in der Fertigung zu erreichen.
Mit der konzentrierenden Photovoltaik (CPV) werden die höchsten Wirkungsgrade[1] und niedrigsten Energierücklaufzeiten[2] aller Photovoltaik-Technologien erreicht. Die bis zu 1000-fache optische Konzentration erhöht den Wirkungsgrad und verringert die eingesetzte Solarzellenfläche. Hierdurch können teurere, aber besonders hocheffiziente III-V Mehrfachsolarzellen genutzt werden. Die industrielle Umsetzung der CPV-Technologie wurde bereits in zahlreichen Multi-MW Kraftwerksinstallationen demonstriert.[3] Allerdings müssen die Modulkosten für die Wettbewerbsfähigkeit weiter gesenkt werden. Hier setzt das Verbundprojekt »micro-CPV« an, in welchem Synergien zu Produkten aus der Mikro-, Optoelektronik und Display-Fertigung für eine signifikante Kostensenkung von hocheffizienten CPV-Modulen evaluiert werden. Schnelle Fortschritte in den Bereichen Miniaturisierung, additive Fertigung, Parallelisierung, und Selbstausrichtung, getrieben u.a. durch die Entwicklung von Displays auf Basis von µ-LEDs, versprechen eine steile Lernkurve und Kostendegression.
Im Projekt wird ein µ-CPV-Modul mit einem kostengünstigen Vollglas-Linsenarray entwickelt, welches das Licht auf eine Kugellinsen-Sekundäroptik und dann auf die III-V Konzentratorsolarzelle bündelt. Diese Konfiguration erlaubt bei flacher Bauweise von wenigen Zentimetern sowohl 1000-fache Sonnenlichtkonzentration, als auch einen hohen Akzeptanzwinkel für die Modulausrichtung.
Für die Bodenplatte wird fortgeschrittene additive Leiterplattentechnologie in Kombination mit Panel-Level Packaging-Verfahren evaluiert. Mikro-Konzentratorsolarzellen mit einer Fläche von nur einem Bruchteil eines Quadratmillimeters werden verlustfrei getrennt und im Anschluss selbstausrichtend direkt auf das Panel montiert und verschaltet. Durch die Miniaturisierung der Solarzellen werden trotz der sehr hohen Sonnenlichtkonzentration und des Verzichts auf eine dezidierte Wärmesenke akzeptable Zelltemperaturen im Betrieb möglich.
Das hohe Innovationspotenzial dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekts ergibt sich vor allem durch die herausragende Technologiekompetenz der unterschiedlichen Verbundpartner, die die CPV-Wertschöpfungskette von einzelnen Komponenten und Prozessen bis hin zu fertigen Modulen abdecken.
Erste Testmodule zur Evaluierung der verschiedenen von den Partnern entwickelten Technologiebausteine wurden im Laufe des Jahres 2021 hergestellt und befinden sich in der Charakterisierungs- und Auswertungsphase (Foto oben). Experimentell werden u.a. unterschiedliche Solarzellstrukturen, Leiterplattendesigns, Kugellinsen, sowie Primärlinsenplatten untersucht und bewertet. Für die Bewertung werden sowohl technologische Aspekte und die Auswirkung auf die Modulperformance, also auch ökonomische Aspekte berücksichtigt. Mit einem Monomodul, also einem Aufbau bestehend aus einer einzelnen Primärlinse und einer im Fokus befindlichen 5-fach Mikrosolarzelle mit Kugelsekundärlinse, konnte in Außenmessungen bereits ein Modulwirkungsgrad von 35.6% nachgewiesen werden (Abb. 2).
Nahaufnahme eines prozessierten Wafers mit Konzentratorsolarzellen.
Parallelisierte Platzierung von Lotkugeln auf einer Printing & Balling-Anlage.
Kugellinsen als Sekundäroptik.
Quellen:
[1] Martin A. Green, Ewan D. Dunlop, Dean H. Levi, Jochen Hohl‐Ebinger, Masahiro Yoshita, Anita W.Y. Ho‐Baillie, Solar cell efficiency tables (version 54). Prog. Photovolt: Res. Appl. 27(7), 2019. DOI: 10.1002/pip.3171.
[2] Halasah, Pearlmutter, Feuermann, Field installation versus local integration of photovoltaic systems and their effect on energy evaluation metrics. Energy Policy 52, 2013. DOI: 10.1016/j.enpol.2012.09.063.
[3] Maike Wiesenfarth, Simon P. Philipps, Andreas W. Bett (Fraunhofer ISE) / Kelsey Horowitz, Sarah Kurtz (National Renewable Energy Laboratory NREL, USA), Studie: Current Status of Concentrator Photovoltaic (CPV) Technology, Version 1.3, April 2017, https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/cpv-report-ise-nrel.pdf
- Current Status of Concentrator Photovoltaic (CPV) Technology (ise.fraunhofer.de)
- Hochkonzentrierende Konzentratorsysteme (HCPV) (ise.fraunhofer.de)