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.
Das Ziel des beantragten Verbundprojektes ist es, eine industrietraugliche Hochbarriere-Folie für OPV-Module zu entwickeln. Dabei sollen sowohl die Produkteigenschaften optimiert (Wasserdampfpermeationsrate (WVTR) kleiner 10 hoch -4 g/m hoch 2/d und Lebensdauer größer 10 Jahre), als auch der Herstellungsprozess so verbessert werden, dass im industriellen Maßstab ein Preis unter 10 Euro pro Quadratmeter Folie erzielt werden kann. Nur wenn diese Eckdaten erreicht werden, können OPV-Module auch ökonomisch mit etablierten PV-Systemen konkurrieren.
Das Teilvorhaben der OPVIUS GmbH beinhaltet die Qualifizierung der im Projekt entwickelten Barrierefolien und fokussiert deren Anwendung und Evaluierung im Bereich organischer Photovoltaik. im Detail sollen folgende wissenschaftliche Arbeitsziele erreicht werden: 1) Vorqualifizierung der im Projekt entwickelten Hochbarrierefolien hinsichtlich OPV-Tauglichkeit (z.B. Transmission, Haftung, Mechanik) 2,) Herstellung und Verkapselung von OPV-Modulen mit diesen Barrierefolien, 3) Evaluierung des Verkapselungserfolges (Vorher-Nachher-Charakterisierung), 4) Prüfung von chemischer und mechanischer Stabilität der verkapselten Module und 5) Definition von Anforderungen an langzeitstabile und wettbewerbsfähige Barrierefolien.
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.
Due to their inherent properties such as flexibility, low weight, freedom of design, low energy and material consumption, and seamless integration thin-film solar modules are very well suited for Building and Device Integrated Photovoltaics (BIPV).
This unique combination prompted the Austrian company Sunplugged to develop a propriatory copper-indium-gallium-selenide (CIGS) thin-film solar cell. These CIGS solar cells can be interconnected by an adjustable printing process so that flexible PV modules with varying geometries, and electrical properties can be produced 'on-the-fly'.
Besides this unique selling preposition, high efficiencies of the underlying flexible solar cell and robust production processes represent key issues for future commercial exploitation.
Starting from the state-of-the-art developed devices of the Austrian pilot production line for CIGS solar cells, this project aims at efficiency improvement of the CIGS cells, which is also associated with lower costs per Wattpeak. The main objective of the project is the improvement of the solar cell efficiency of flexible CIGS solar cells up to 16% which can be manufactured by roll-to-roll processes at industrial scale.
The project focuses on the CIGS absorber layer itself and the improvement of the interfaces between the absorption layer and the following transparent front layers (buffer and transparent front contact). For the production of CIGS a new hybrid technique is used, which is realized on industrial scale for the first time. Furthermore, the production costs of the complete interconnected photovoltaic foil (without encapsulation) could be reduced to below 60 Euro Cent per Wattpeak.
In order to do so, the following R+D tasks will be conducted:
Process optimization and tuning of each of the three sub-steps of CIGS hybrid deposition (sputtering and evaporation) and mutual adjustment
Development of an in-situ source for the supply of highly reactive selenium and sulphur
Development of special sputtering targets for the novel hybrid process in order to achieve better gallium grading and improved handling (no additional cooling during the processing)
Optimisation of the interfaces between absorption layer, buffer layer and transparent front contact by chemical activation as well as enhanced material combinations
Development of anti-reflective layers matching the properties of CIGS materials
All innovations will be experimentally reproduced in the existing pilot production and accompanied by the characterization and evaluation of aspects such as, industrial implementation and costs.