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Mittwoch, 26 August 2020 07:00

Dünnschicht-Solarzellen: Laserstrukturierung industriell anwendbar

von Volker Tisken
Geschätzte Lesezeit: 3 - 6 Minuten
Abb. 1: CIGS-Dünnschichtsolarzellen schaffen 10–15 % mehr Energieausbeute, wenn sie mit dem Pikosekundenlaser-Verfahren hergestellt werden. Dieser Laser erzeugt saubere Rillen in der CIGS-Schicht ohne die Molybdänschicht darunter zu verletzen Abb. 1: CIGS-Dünnschichtsolarzellen schaffen 10–15 % mehr Energieausbeute, wenn sie mit dem Pikosekundenlaser-Verfahren hergestellt werden. Dieser Laser erzeugt saubere Rillen in der CIGS-Schicht ohne die Molybdänschicht darunter zu verletzen Bild: Forschergruppe Huber

Mithilfe von Pikosekundenlasern bearbeitete Dünnschichtsolarzellen sind im Wirkungsgrad um 10 bis 15 % effektiver als konventionell durch ritzen strukturierte. Eine Arbeitsgruppe der Hochschule München unter Leitung von Prof. Dr. Heinz P. Huber machte dieses Laserverfahren industriell anwendbar und konzentriert die Forschung nun darauf, es noch effektiver zu machen. Bereits der bisherige Produktionseinsatz des Verfahrens konnte 20 kt/a CO2 -Emission einsparen – was der Emission entspricht, die in Deutschland rund 3000 Personen jährlich verursachen.

Abb. 2: Prof. Dr. Heinz P. Huber forscht am Laserlabor der Hochschule München zu Verfahren, die bei der Herstellung von Dünnschichtsolarzellen mit dem Pikosekundenlaser zwanzig tausend Tonnen CO2 pro Jahr sparenAbb. 2: Prof. Dr. Heinz P. Huber forscht am Laserlabor der Hochschule München zu Verfahren, die bei der Herstellung von Dünnschichtsolarzellen mit dem Pikosekundenlaser zwanzig tausend Tonnen CO2 pro Jahr sparenThin-film solar cells processed by picosecond lasers are 10 to 15 % more efficient than those conventionally structured by scribing. A research group at Munich University of Applied Sciences led by Prof. Dr. Heinz P. Huber has made this laser process industrially applicable and is now concentrating its research on making it even more effective. The production use of the process to date has already been able to save 20 kt/a of CO2 emissions – equivalent to the emissions caused by around 3000 people in Germany every year.

Die weltweit theoretisch nutzbare Menge an Solarenergie ist rund 100 Mal höher als die aus Windkraft und nachwachsenden Rohstoffen verfügbare. Sonnenenergie ist deshalb auch in der deutschen Energiewende wesentlicher Teil des Mix aus erneuerbaren Energien. Bisherige Silizium-Solarzellen sind durch ihre massenhafte Produktion zwar günstig, aber im Herstellungsprozess komplexer und weniger ressourcenschonend als Dünnschichtzellen. Werden letztere zudem mit Hilfe des von der Forschungsgruppe Huber entwickelten Bearbeitungsverfahrens mit Hilfe eines Pikosekundenlasers hergestellt, verfügen sie über einen nochmals um 10 bis 15 % höheren Wirkungsgrad. Trotz ihres derzeit noch geringen Marktanteils sparen sie mit 20 000 Tonnen pro Jahr bereits heute die CO2-Menge ein, die 3000 Personen in Deutschland durchschnittlich im Jahr emittieren.

CIGS-Dünnschichtzellen mit Pikosekundenlaser herstellen

Sogenannte CIGS-Dünnschichtsolarzellen bestehen aus nur wenige Mikrometer messenden Schichten. Namensgebend ist die lichtabsorbierende Schicht aus dem Halbleiter Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (Cu(In,Ga)Se2). In der Anwendung findet man neben dem erstgenannten Material häufig auch Kupfer-Indium-Disulfid (CuInS2). Die Kurzbezeichnung CIGS wird auch hier verwendet.

Die hauchdünnen Zellen bestehen aus einem Sandwich von vier Schichten: dem Trägermaterial 3 mm Glas, einer 1 µ-Molybdänschicht, der namensgebenden CIGS-Schicht von 3 µ und einer Fensterschicht aus Zinkoxid von nochmals 1 µ.

Die großflächige CIGS-Schicht der Zelle muss für die Stromproduktion eine Struktur aus feinen Rillen bekommen, die die CIGS-Fläche in ungefähr hundert einzelne Zellen unterteilen. Wie bei Batterien, die seriell hintereinander verschaltet werden, lässt sich so die Spannung einer Zelle von ca. 1 V auf rund 100 V für das Zellen-Modul erweitern. Die Molybdänschicht unter der CIGS-Schicht darf bei diesem Bearbeitungsprozess jedoch nicht verletzt werden.

Das bisherige mechanische Ritzen der Rillen, das Scriben, hatte Nachteile: „Mit der Ritznadel werden breitere Furchen erzeugt, und auf dem Grund der Rillen bleiben schlecht leitende Reste übrig. Trägt man die Schichten mit dem Pikosekunden-Laser ab, kann man feinere Linien erzeugen, die den Strom besser leiten. Der Wirkungsgrad der Zelle steigt, ohne dass sich Kosten nennenswert erhöhen“, sagt Huber. 

Gefragte Absolventen

Die Hochschule München ist mit rund 500 Professorinnen und Professoren, 750 Lehrbeauftragten und rund 18 000 Studierenden eine der größten Hochschulen Deutschlands. In den Bereichen Technik, Wirtschaft, Sozialwissenschaften und Design bietet sie über 85 Bachelor- und Masterstudiengänge an. Exzellent vernetzt am Wirtschaftsstandort München, pflegt sie enge Kontakte zur Berufspraxis und engagiert sich in anwendungsbezogener Lehre und Forschung. Die Hochschule München wurde bei EXIST III, IV und EXIST Potentiale als Gründerhochschule ausgezeichnet. Neben Fachkompetenzen vermittelt sie ihren Studierenden unternehmerisches und nachhaltiges Denken und Handeln. Ausgebildet im interdisziplinären Arbeiten und interkulturellen Denken sind ihre Absolventinnen und Absolventen vorbereitet auf eine digital und international vernetzte Arbeitswelt. In Rankings zählen sie zu den Gefragtesten bei Arbeitgebern in ganz Deutschland.

 

 Abb. 3: Das Team der Forschungsgruppe Huber will das Verfahren nun effektivierenAbb. 3: Das Team der Forschungsgruppe Huber will das Verfahren nun effektivieren

 Abb. 4: Mehr Energieausbeute durch Laserverfahren: Mit Pikosekundenlaser hergestellte CIGS (grün) weisen in den Rillen einen geringeren Kontaktwiderstand und geringere elektrische Verluste auf, als die mit mechanischem Ritzen hergestellten Zellen (blau) Abb. 4: Mehr Energieausbeute durch Laserverfahren: Mit Pikosekundenlaser hergestellte CIGS (grün) weisen in den Rillen einen geringeren Kontaktwiderstand und geringere elektrische Verluste auf, als die mit mechanischem Ritzen hergestellten Zellen (blau)

Industrieller Produktionsprozess für CIGS-Zellen 

Huber setzte Laserimpulse mit einer Dauer von Pikosekunden und einer hohen Wiederholrate ein und machte so erst die industrielle Herstellung der CIGS-Dünnschichtzellen mit Hilfe der Laserstrukturierung möglich: „Mit einem Nanosekundenlaser verbrennt man alle drei Schichten und schmilzt sie zusammen. Nur mit dem Ultrakurzpuls-Laser wie dem von uns verwendeten Pikosekunden-Laser kann man die obere CIGS-Schicht strukturieren, ohne die Molybdänschicht darunter zu beschädigen“, sagt der Forscher. Die Verbindung zwischen dem Molybdän und der transparenten Zinkoxid-Deckschicht ist fester. Auch dadurch sinken die inneren Energieverluste, womit der Wirkungsgrad steigt. 

Durch eine Straffung des Herstellungsprozesses sieht Huber in Zukunft weitere Verbesserungsmöglichkeiten in punkto Wirkungsgrad und Reduzierung der Produktionskosten. Der jeweils abwechselnde Schichtenauftrag der einzelnen CIGS-Schichten und Strukturierung soll in einen gemeinsamen Auftrag aller Schichten und ihrer gemeinsamen Laserstrukturierung zusammengezogen werden.

 

 Abb. 5: Dünnschichtsolarzellen in der Architektur: Das für seinen Energiestandard preisgekrönte gesellschaftliche Wohnprojekt von FUNKWA 10 Architekten in der Fritz-Winter-Strasse 3+7 in Nordschwabing setzt Dünnschichtzellen straßenseitig als Elemente der Fassadengestaltung einAbb. 5: Dünnschichtsolarzellen in der Architektur: Das für seinen Energiestandard preisgekrönte gesellschaftliche Wohnprojekt von FUNKWA 10 Architekten in der Fritz-Winter-Strasse 3+7 in Nordschwabing setzt Dünnschichtzellen straßenseitig als Elemente der Fassadengestaltung ein

 Abb. 6: Prof. Dr. Heinz P. HuberAbb. 6: Prof. Dr. Heinz P. Huber

Prof. Dr. Heinz P. Huber lehrt und forscht seit 2004 an der Hochschule München als Professor für Lasertechnologie und Photonik. Nach einem Studium der Technischen Physik an der TU München promovierte er an der LMU München zum Thema ‚Ultrakurzzeit-Spektroskopie der Photosynthese'. Seine Forschungsschwerpunkte liegen in der Anwendung von Ultrakurzpuls-Lasern, insbesondere der Einsatz von Lasern in der Photovoltaik zur Verbesserung der Produktionsmethoden, Ultrakurzpuls-Laser als Werkzeuge in der Produktion sowie grundlegende Untersuchungen zur Wechselwirkung von Laserpulsen mit Werkstoffen durch ultrakurzzeitaufgelöste Experimente und Simulationen.

http://fk06.hm.edu/pol/en/forschungsfeld.html

Publikationen 

J. Winter, S. Rapp, M. Spellauge, C. Eulenkamp, M. Schmidt, H. P. Huber, 'Ultrafast pump-probe ellipsometry and microscopy reveal the surface dynamics of femtosecond laser ablation of aluminium and stainless steel’, Applied Surface Science 511 (2020) 145514, DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.145514
F. Kessler, D. Hariskos, S. Spiering, H. P. Huber, E. Lotter, R. Wuerz, 'CIGS Thin Film Photovoltaic—Approaches and Challenges’, in: High-Efficient Low-Cost Photovoltaics, January 2020, DOI: 10.1007/978-3-030-22864-4_9, Springer Series in Optical Sciences Vol. 140
P. Kubis, J. Winter, A. Gavrilova, M. Hennel, S. Schlosser, I. Richter, A. Distler, M. Heyder, S. Kery, P. Lenk, S. Geiger, C. J. Brabec, H. P. Huber and Hans-Joachim Egelhaaf 'All-sub-nanosecond laser monolithic interconnection of OPV modules’ Progress in Photovoltaics: Research Application (2019) DOI:10.1002/pip.3115
Gerhard Heise, Andreas Börner, Marcel Dickmann, Marina Englmaier, Andreas Heiss, Matthias Kemnitzer, Jan Konrad, Regina Moser, Jörg Palm, Helmut Vogt and Heinz P. Huber, 'Demonstration of the monolithic interconnection on CIS solar cells by picosecond laser structuring on 30 by 30cm² modules’, Progress in Photovoltaics: Research Application (2014) DOI: 10.1002/pip.2552

 

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