Die Energieumwandlung aus photovoltaischen Zellen ist eine seit vielen Jahrzehnten bekannte und hoch entwickelte Technologie. Für eine nachhaltige Energiegewinnung ist es allerdings notwendig Solarzellen kostengünstiger zu produzieren um mit fossilen Brennstoffen konkurrieren zu können. Die bei weitem am weitesten verbreitete und höchsten entwickelte Technologie basiert auf der Verwendung von Siliziumwafern. Diese Technologie ist aber aufgrund des hohen Preises von hochreinem Silizium sehr teuer. Anstatt der Verwendung relativ dicker Siliziumwafer können die Materialkosten mit Hilfe von Dünnschichttechnologien, oder Solarzellen der 'zweiten Generation' reduziert werden. Die Effizienz von Solarzellen kann durch Technologien der so genannten 'dritten Generation' signifikant verbessert werden. Sowohl für Solarzellen der zweiten bzw. der dritten Generation können höhere Absorption aus dem Sonnenlicht zu höheren Effizienzen führen. Plasmonische und photonische Effekte sind viel versprechende Methoden um höhere Effizienzen zu erzielen. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es plasmonische Strukturen mittels des physikalisch-chemischen Prozesses 'Substrat Induzierte Koagulation' (engl. Substrate Induced Coagulation - SIC) herzustellen. Bis zum heutigen Tag behandelte kein Forschungsprojekt, diese physikalisch-chemische Methode. Substrat Induziere Koagulation hat ein herausragendes Potential Strukturen einerseits billiger und andererseits unter Wahrung der ursprünglichen Form, oder durch die Möglichkeit Partikel mit anderen, kleineren zu beschichten ('core-shell'-particles), eine Vielzahl an plasmonischen Strukturen herzustellen. Die geplante Grundlagenforschung über diesen Weg sollte es möglich machen, die Wechselwirkung zwischen Licht und plasmonischen Nanostrukturen besser zu verstehen und die Effizienz von Dünnschichtsolarzellen (a-Silizium) zu erhöhen.
Der vorliegende Antrag der MLU ist Teil des Verbundprojektes STRUKTURSOLAR II. Die Anwendung innovativer Strukturierungskonzepte in Solarzellen der nächsten Generation für verbesserte Wirkungsgrade bei reduziertem technologischen Herstellungsaufwand soll erforscht werden. Dabei sollen die vorhandenen Kompetenzen in der Grundlagenforschung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und anwendungsorientiertes Know-how der Hochschule Anhalt (HSA) in einem kooperativen Forschungskolleg zusammengeführt werden. Mehrere Promotionsthemen sollen jeweils in Teilen an beiden Hochschulen bearbeitet werden. Das Projekt adressiert Themen der Strukturierung sowohl von Dünnschichtmodulen (Mikrostrukturierte CIGSe Kontakte, Thermische Laser Strukturierung, Perowskitsolarzellen auf Silicium, Strukturierte Substrate) als auch von Siliciumwafer-basierten Solarzellen (Plasmastrukturiertes schwarzes Silicium, Makroporöses Silicium, Defektlokalisierung von PERC-Kontakten). Die Plasmatexturierung zur Präparation von hochabsorbierenden Silicium Oberflächen (schwarzes Silicium) und anschließende Passivierung sollen bis hin zu kompletten Solarzellen weiter optimiert werden. Alternativ soll makroporöses Silicium mittels metall-unterstützter chemischer Ätzung die Absorption erhöhen. Strukturierte Rückkontakte von PERC Zellen sollen mittels abbildender Methoden im Hinblick auf Defekte untersucht werden. Die Zusammenführung der neuartigen Perowskitsolarzellen und Wafer Silicium soll mittels nasschemischer und physikalischer Verfahren erforscht werden. Auch für Dünnschichtsolarzellen ist das Photonenmanagement durch Strukturierung ein vielversprechendes Thema. Hierbei geht es sowohl um die Optimierung eines strukturierten Rückkontaktes z.B. von CIGSe Solarzellen als auch um die Lichteinkopplung durch plasmastrukturierte Substrate. Das Modulthema der integrierten Serienverschaltung soll mit dem neuen Thema der thermischen Laserstrukturierung vorangetrieben werden.
Das Vorhaben der saperatec GmbH unterteilt sich in zwei Aufgabengebiete: Zum einen werden auf Basis vorhandener Erkenntnisse zu nanoskaligen Trennmedien herstellerspezifische Rezepturen mit wirtschaftlicher Trennwirkung im Labormaßstab entwickelt, mit denen Rohstoffe aus Dünnschichtmodulen zu über 95% zurückzugewonnen werden können. Zum anderen widmet sich das Projekt der Konzipierung einer automatisierten Anlagentechnik, durch die das entwickelte Trennverfahren industriell nutzbar gemacht werden soll. Die Notwendigkeit der Entwicklung ergibt sich aus der Tatsache, dass derzeitige kommerzielle Aufbereitungs- bzw. Verwertungsverfahren nicht in der Lage sind, den Modulverbund zu öffnen, um Rohstoffe wie Indium, Gallium, Germanium, Tellur, Selen, oder auch als gefährlich eingestufte Stoffe wie Cadmium wiederzugewinnen. Vielmehr finden umweltseitig als unbedenklich eingestufte PV-Module lediglich in geringwertigen Verwertungsstrukturen (Beispiel Schaumglasproduktion) Anwendung. Die strategischen Rohstoffe gehen verloren. Gefährlich eingestufter Abfall kommt in Sonderabfalldeponien zur Einbringung. Insgesamt betrachtet kann man davon ausgehen, dass die im Stand der Technik abgebildeten Recyclingaktivitäten zu einem Verlust wichtiger Rohstoffe für die Wirtschaft führen.
Ziele des Verbundprojektes sind die Entwicklung flexibler Verkapselungsfolien für OPV-Module (Organische Photovoltaik), und ihrer Herstellung in allen technologischen Teilschritten bis zum industrienahen Maßstab. Die Folien werden bei einem OPV-Hersteller zu OPV-Modulen verarbeitet und sowohl als Einzelfolien als auch als Module umfassend hinsichtlich ihrer Qualität bewertet. Ziele des Teilprojektes sind weiterentwickelte, optimierte und auf ihre Tauglichkeit zur Industrialisierung überprüfte Materialien und R2R-Herstellprozesse (Rolle zu Rolle) bis 500 mm Arbeitsbreite, die Wasserdampfpermeationsraten von kleiner als 10-2 g/m2/d, nach Kaschierung zweier Barrierefolien von kleiner als 10-4 g/m2/d bei hoher mechanischer Flexibilität ermöglichen. Die Langzeitstabilität der transparenten Folien und -verbunde beträgt mindestens 10 Jahre, die Herstellkosten liegen unter 10 Euro/m2. Arbeitsplan (AP): AP1: Technologische Entwicklung zur Herstellung von Einzelbarrierefolien - Untersuchungen zu Substratfolien 01.10.2016 - 30.04.2018 - Aufskalierung für Bahnbreite größer als 500 mm R2R, Ausrüstung, Einfahren 01.01.2017 - 31.07.2018 AP2: Technologische Entwicklung zur Herstellung von Hochbarriere-Verbundfolien - Laminierprozeß für Verbundfolien 01.09.2016 - 31.01.2019 AP3: Transferkonzept für die industrielle Fertigung - Kostenkalkulation 01.01.2019 - 30.06.2019 - Übernahmeszenario 01.03.2019 - 30.06.2019.