Zentrum für neuartige PV-Technologien

Im »Zentrum für neuartige PV-Technologien« beschäftigten wir uns mit Solarzellentechnologien der nächsten Generation. Besondere Themenschwerpunkte setzen wir bei Organischen Solarzellen und Perowskitsolarzellen. Beiden Technologien ist gemein, dass die verwendeten Materialien bei niedrigen Temperaturen aus Lösung mittels Beschichtungs- und Druckprozessen aufgebracht werden können. Dies ermöglicht eine Produktion auf Rolle-zu-Rolle Anlagen und bietet damit einhergehend ein enormes Potenzial für große Produktionsvolumina und geringe Herstellkosten.

Organische Solarzellen kommen ohne den Einsatz kritischer Elemente wie Schwermetalle aus und können auf Grund eines äußerst geringen Material- und Energieverbrauchs bei der Herstellung sehr gute Ökobilanzen ermöglichen. Darüber hinaus sind sie RoHS-konform realisierbar. Wegen ihrer speziellen Absorptionseigenschaften sind sie insbesondere geeignet, um transparente Solarzellen mit hoher Abbildungsqualität und anpassbarer spektraler Absorption zu ermöglichen, z.B. für solar aktive Fenster in Gebäuden und Fahrzeugen oder als Schutzfolie in Agraranwendungen.

Im Themenfeld Perowskitsolarzellen wurden in den letzten Jahren bemerkenswerte Fortschritte erreicht. Der Wirkungsgrad steigt stetig, sodass für kleine Laborzellen bereits hohe Wirkungsgrade von über 25% realisiert wurden. Sie finden darüber hinaus Anwendung als Topzelle in Tandemsolarzellen mit dem etablierten kristallinen Silicium. Hierdurch kann die derzeit dominierende Photovoltaiktechnologie einen weiteren Quantensprung beim Wirkungsgrad erfahren. Aber auch die Kombination zweier Perowskitabsorber mit unterschiedlichen Bandlücken in einer Tandemsolarzelle birgt ein hohes Potenzial zur Wirkungsgradsteigerung und Kostenreduktion.

 

Services und Expertise

Evaluation von Materialien und Komponenten

Wir verfügen über Laborlinien für die Prozessierung unter Inertgas. Derzeit sind drei Gloveboxlinien mit Spincoatern, Vakuumverdampfern und verschiedenen automatisierten Basisverfahren zur Charakterisierung in Betrieb. Auf diesen Linien werden Solarzellen unter Ausschluss von Sauerstoff und Wasser hergestellt, um neue Materialien und Schichtstapel zu erproben und zu optimieren.

Charakterisierung und Modellierung

Um die den Wirkungsgrad limitierenden Faktoren von Solarzellen und -modulen zu identifizieren, werden verschiedene elektrooptische Charakterisierungsverfahren eingesetzt. Neben Strom-Spannungskennlinien bei verschiedenen Intensitäten und Temperaturen sind dies u.a. Elektro- und Photolumineszenzmessungen (sowohl steady-state als auch transient), LBIC (Light Beam Induced Current) sowie DLIT (Dark Lock-in Thermography). Für diese Methoden können auch bildgebende Verfahren eingesetzt werden. Numerische Simulationen der verschiedenen in den Solarzellen ablaufenden Prozessen ermöglichen es, unser Verständnis weiter zu vertiefen.

Aufskalierung und Fertigungsprozesse im Rolle-zu-Rolle Verfahren

Das Fraunhofer ISE entwickelt Schichtsysteme, Modulkonzepte und Produktionsprozesse die sich für eine kostengünstige Rolle-zu-Rolle Produktion eignen. Da bei dieser Produktionsmethode schon bei mittleren Produktionsvolumina die Herstellungskosten weitgehend aus Materialkosten bestehen, liegt ein großer Fokus darauf, kostengünstige, verfügbare und mit Sicherheitsanforderungen vereinbare Lösungen zu erarbeiten. Die Aufskalierung kann auf verschiedenen Stufen von Labormodulen auf Basis von Spincoating über auf Bogenbeschichtungs- und Flachbettsiebdruckanlagen hergestellten Demonstratoren bis hin zu im Rolle-zu-Rolle Verfahren hergestellten Modulen auf Folienrollen erfolgen.     

Technische Ausstattung

Mit unserer inerten Präparations- und teilautomatisierten Charakterisierungslinie können wir in kurzer Zeit umfangreiche Parametervariationen durchführen und auswerten.

Staubreduzierter Raum zur Substratreinigung (UV-OZON, Ultraschallbad) und Beschichtung mittels Spincoating unter laminarer Strömung

3 direkt miteinander verbundene Gloveboxen, um die Bauteile - vom Mischen der Lösungen über Spincoating organischer Funktionsschichten bis zur Vakuumbeschichtung von Metallen und Oxiden - vollständig inert herzustellen und teilautomatisiert zu charakterisieren (Kennlinien dunkel, hell AM 1.5G und Kunstlicht, spektrale Empfindlichkeit)

2 weitere Gloveboxen, eine für Beschichtungen (Spincoater, Rakelbeschichtung) und eine für computergesteuerte Vakuumbeschichtung (4 thermische Quellen, Elektronenstrahl mit automatischen Wechseltiegeln)

 

Wir stellen organische und Perowskit-Solarzellen und -module sowohl auf Einzelsubstraten als auch im Rolle-zu-Rolle Verfahren her. Dazu steht folgende Ausstattung zur Verfügung:

Filmziehgerät mit einstellbarem Rakel, temperierter Grundplatte und Luftmesser zur definierten Trocknung (Betrieb unter Inertgas und an Luft möglich.)

Coatema Easycoater für Schlitzdüsenbeschichtung auf Einzelsubstraten (Betrieb mit Stickstoff und Luft möglich)

Glovebox-integriertes, automatisiertes Schlitzdüsen-Beschichtungssystem für die Herstellung von Solarzellen und -modulen auf Einzelsubstraten (bis 30x50 cm²) unter inerter Atmosphäre

Kroenert „LabCo“ Rolle-zu-Rolle Beschichtungsanlage, Arbeitsbreite 500 mm

Schlitzdüsengießen (Inertgas oder Luft) (TSE Troller, Schweiz, AAA Güte, 250mm)

Rotationssiebdruck (SPG print Storck RSI compact, 330mm)

R2R Flexodruckwerk (500mm, Norbert Schläfli Maschinen, Schweiz)

Umluft-/Schwebetrockner (Inertgas oder Luft) (Kroenert BMB Drytec) für Druck- und Beschichtungsverfahren (bis 150°C, 2m lang)

Laminiereinheit (Inertgas oder Luft) mit Registersteuerung

proprietäres Fadenwischverfahren zur Strukturierung (Luft)

UV-Härtung zur Verklebung der Module nach der Vereinzelung

Zugang zu Präzisionsdruckverfahren aus der Siliciumtechnologie

 

Simulation und Charakterisierung von Kundenbauteilen: Von der elektrooptischen Bauteilsimulation bis zu bildgebenden Charakterisierungsverfahren kann auf eine breite Palette an Werkzeugen zurückgegriffen werden.

Elektrische Simulation von Bauteilen (Sentaurus TCAD)

Optische Simulation (Transfermatrix, RCWA, etc. )

Simulationswerkzeuge zur Optimierung von Modul und Zelllayouts

Suns-Voc zur Optimierung und Monitoring (steady state und quasi-steady state)

Spektroskopie Messungen (UV-VIS, Photo- und Elektrolumineszenz)

Bildgebendes Charakterisierungsverfahren (Thermographie, Photo- und Elektrolumineszenz)

Elektrooptische Charakterisierung (CELIV, Voc und Jsc, etc.)