Flexible Dünnschicht-Solarzelle auf Emaillierstahl mit 18,6% Wirkungsgrad

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(26.9.2013) Wissenschaftler am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) ha­ben einen neuen Typ flexibler CIGS-Dünnschicht-Solarzellen entwickelt. Die Stuttgarter Forscher nutzen dünnen emaillier­ten Stahl als Trägermaterial für die stromerzeugende Absor­berschicht. Emaillierstahl sei langlebiger und nicht so leicht zu beschädigen wie Kunststofffolien. Und im Gegensatz zu Edelstahl sei er elektrisch isolierend, zudem entfielen ein zu­sätzlicher Dotierschritt und eine Diffusionsbarriere. Außerdem soll Emaillierstahl bei den Wirkungsgraden mindestens so gut abschneiden wie Edelstahl: So betrage der Wirkungsgrad der neuen biegsamen, 0,5 cm² großen Zelle 18,6 Prozent. Ein Mo­dul auf einer Fläche von 23 mal 30 cm konnte immerhin 12,9% des Sonnenlichts in Strom umwandeln - weltweit einer der besten Werte für monolithisch verschaltete Module auf Metallsubstraten. Produziert wurden Zelle und Modul auf einer industrienahen Inline-CIGS-Anlage des ZSW.

Flexible Dünnschicht-Solarzellen erweitern die Anwendungsmöglichkeiten der Photovol­taik enorm. Durch ihre Elastizität lassen sie sich an die Oberflächen von Autos, Wohn­mobilen, Schiffen, Fassaden, Hausdächern oder auch elektronischen Geräten anpas­sen. „Dünner Stahl als flexibles, aber gleichzeitig stabiles Material eignet sich da be­sonders“, berichtet Friedrich Kessler vom ZSW-Fachgebiet Materialforschung. Eine Emailleschicht schützt die Stahlfolie vor Durchrostung. Die glasartige Substanz eignet sich zudem besser für die Aufbringung der elektrisch aktiven Schichten. „Emaillestahl verbindet die Vorteile von starrem Glas mit denen einer flexiblen Metallfolie“, so Kess­ler.

Im Vergleich zu rostfreiem Edelstahl seien die Kosten ungefähr gleich. Emaillestahl ist aber vollständig elektrisch isoliert. Die Solarzellen können dadurch monolithisch ver­schaltet werden, also bereits serienmäßig während der Herstellung. Das spart metalli­sche Verbindungen und Geld. Der Emaille-Schmelz stellt außerdem eine Diffusionsbar­riere zwischen dem vom Stahl freigesetzten, ertragsmindernden Eisen und der CIGS-Schicht dar. Auch eine zusätzliche Dotierung - das Einbringen von Fremdatomen in die CIGS-Schicht, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen - sei nicht nötig. Die Forscher fügten der Emaille Natrium und Kalium zu, die bei der Beschichtung in den Absorber diffundieren.

Durch die hohen CIGS-Beschichtungstemperaturen im Vakuum kann die Emailleschicht Blasen bilden und sich vom Stahl ablösen. Um das zu verhindern, entwickelte das ZSW mit dem Industriepartner Pemco International aus Belgien eine neue Emailschicht auf niedrig legiertem Stahl, die den Hochtemperatur-CIGS-Beschichtungsschritt bis maxi­mal 650°C unbeschadet übersteht.

Für Solarzellen mit der gewünschten Flexibilität müssten jetzt nur noch die Stahlfolien dünner werden, so der ZSW-Forscher Kessler. Momentan ist der günstige kohlenstoff­arme Stahl nur bis zu einer minimalen kommerziellen Dicke von 200 bis 300 µm (0,3 mm) erhältlich. Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurde eine dünnere Sonderanferti­gung hergestellt; weitere Optimierungen durch Stahlfirmen seien technisch ohne wei­teres möglich.

Die Forschung zu emaillierten Stahlsubstraten für CIGS-Dünnschicht-Solarzellen fand im Rahmen des EU-Projektes HIPOCIGS statt und ist seit 2013 abgeschlossen. Das ZSW koordinierte die Arbeiten, an denen insgesamt acht Forschungs- und Industrie­partner beteiligt waren. 

Weitere Informationen zu Dünnschicht-Solarzellen auf Emaillierstahl können per E-Mail an ZSW angefordert werden.