micro-CPV – Entwicklung eines hochkonzentrierenden CPV-Moduls auf Basis modernster Micro-Fertigungstechnologie

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. Erst kürzlich wurde am Fraunhofer ISE ein neuer Rekord für die Wandlung solarer Strahlung in elektrische Leistung mit einem Wirkungsgrad von 47.6% mit einer Konzentratorsolarzelle aufgestellt. 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 entwickeln wir ein µ-CPV-Modul mit einem kostengünstigen Vollglas-Linsenarray, 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 werden fortgeschrittene additive Leiterplattentechnologien in Kombination mit Panel-Level Packaging-Verfahren evaluiert. Mikro-Konzentratorsolarzellen mit einer Fläche von nur einem Bruchteil eines Quadratmillimeters werden verlustarm bzw. gänzlich 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.

Kleine Testmodule mit 3×3 verschalteten Solarzellen wurden zur Evaluierung der verschiedenen von den Partnern entwickelten Technologiebausteine hergestellt und charakterisiert (Foto oben). Experimentell wurden u.a. unterschiedliche Solarzellstrukturen, Leiterplattendesigns, Kugellinsen, sowie Primärlinsenplatten untersucht und bewertet. Für die Bewertung werden sowohl technologische Aspekte und die Auswirkung auf die Modulperformance, als auch ökonomische Aspekte berücksichtigt. Mit Testmodulen bestehend aus einer Silikon-auf-Glas Primärlinsenplatte 5-fach Mikrosolarzellen mit Kugelsekundärlinsen konnten in Außenmessungen Modulwirkungsgrade bis zu 35.5% nachgewiesen werden (siehe Abbildung). 

Anfang 2022 wurde die Fertigungskette für ein 12×5er Demonstratormodul (>200 cm²) festgelegt und das Design eingefroren. Die Herstellung der Komponenten durch die Partner ist erfolgt, aktuell befinden sich mehrere Demonstratormodule in der Fertigung (siehe Abbildung). Erste Messergebnisse werden im Herbst 2022 erwartet.

Weitere Informationen zu diesem Thema:

• Current Status of Concentrator Photovoltaic (CPV) Technology
• Hochkonzentrierende Konzentratorsysteme (HCPV)

Quellen:

[1] Martin A. Green, Ewan D. Dunlop, Jochen Hohl-Ebinger, Masahiro Yoshita, Nikos Kopidakis, Karsten Bothe, David Hinken, Michael Rauer, Xiaojing Hao, Solar cell efficiency tables (version 60). Prog. Photovolt: Res. Appl. 30(7), 2022. DOI: 10.1002/pip.3595.

[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