Forschungsinstitut ZSW entwickelt flexibles Dünnschicht-Solarmodul auf Baustahlfolie

Dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) ist es gelungen, ein voll funktionstüchtiges flexibles Dünnschicht-Solarmodul auf einer 0,5 Millimeter dünnen Baustahlfolie herzustellen. Baustahl ist deutlich günstiger als bisher eingesetzte Trägermaterialien für die flexible Dünnschichtphotovoltaik.

Das knapp 50 Quadratzentimeter große Minimodul aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) wurde in einem industrienahen Prozess hergestellt und erreichte bei einem externen Prüfinstitut 8,6 Prozent Wirkungsgrad. Die neue Technik eröffnet den Weg zu flexiblen Anwendungen auf Stahlfolie oder Stahlblech etwa für den mobilen Bereich oder an Gebäuden.

„Baustahl ist um den Faktor zwei bis drei kostengünstiger als Edelstahl oder Polyimidfolien. Damit ist das Kostensenkungspotenzial für Anwendungen deutlich größer als bisher, zum Beispiel für Dachbahnen von der Rolle oder für den Einsatz auf Autos oder Schiffen“, beschreibt Roland Würz, Projektleiter am ZSW, einen Vorteil der neuen Technik gegenüber bereits auf dem Markt befindlichen flexiblen Solarmodulen.

„Unser Forschungsinstitut ist meines Wissens das einzige weltweit, das Solarmodule auf einfachem Stahl fertigen kann“, so Würz.

Ein großer Vorteil der CIGS-Dünnschichttechnik ist die monolithische Verschaltung der Einzelzellen zum Modul. Dabei wird im Herstellungsprozess die Vorderseite einer Zelle direkt mit der Rückseite der nächsten Zelle in einer Serienschaltung verbunden. Das erspart zusätzliche metallische Verbindungen, wie sie bei kristallinen Siliziumsolarzellen nötig sind. Damit ist die Technologie kosteneffizienter zu automatisieren und variabler in der Produktgestaltung. Die monolithische Verschaltung hat sich bei der Produktion von CIGS-Modulen auf Glas millionenfach bewährt.

Bei einem direkten Aufbringen der CIGS-Schicht auf eine elektrisch leitende Unterlage wie Baustahl würde die monolithische Verschaltung jedoch sofort zum Kurzschluss führen. Eine große Herausforderung für die ZSW-Forscher war es deshalb, eine elektrisch isolierende Schicht zwischen Baustahl und CIGS-Zellen zu finden, die den industriellen Fertigungsprozess übersteht. Das Eindringen (Diffusion) von Fremdelementen aus dem Baustahl in die CIGS-Schicht musste verhindert werden, da schon kleinste Mengen fremden Materials in der Halbleiter-Schicht den Wirkungsgrad deutlich senken. Weil dieser Effekt bei Baustahl noch ausgeprägter ist als bei Edelstahl, galt es, eine geeignete Diffusionsbarriere zu finden. Das Leibniz-Institut für Neue Materialen INM in Saarbrücken entwickelte in Zusammenarbeit mit dem ZSW daher eine neuartige, wenige Mikrometer dünne Isolations- und Diffusionsbarriere.

Die Arbeiten erfolgten im Rahmen des FlexNet Projektes, gefördert vom BMBF unter dem Förderkennzeichen 03SF0321A. In diesem Vorhaben wurden seit August 2006 verschiedene Technologien zur Abscheidung von Funktionsschichten für flexible CIGS-Dünnschichtsolarzellen untersucht.

Bei der Entwicklung von CIGS-Dünnschichtmodulen ist das ZSW international führend. Das Institut brachte diese Photovoltaiktechnologie zusammen mit der Firma Würth Solar zur Industriereife. Der Marktanteil der Dünnschichttechnik wächst wegen ihrer Kosteneinsparpotenziale stetig. Der Anteil an der gesamten installierten Photovoltaik-Leistung betrug 2008 rund 14 Prozent. Für 2010 werden 20 bis 30 Prozent prognostiziert.

Das ZSW gehört zu den renommiertesten Forschungsinstituten auf den Gebieten Photovoltaik, Energiesystemanalyse, regenerative Kraftstoffe, Batterietechnik und Brennstoffzellen. An den drei Standorten Stuttgart, Ulm und Widderstall sind derzeit rund 150 Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker beschäftigt. Sie erwirtschaften einen Umsatz von rund 20 Millionen Euro.

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