22. Januar 2020

17,6 Prozent Wirkungsgrad für CIGS-Modul

Nice Solar Energy hat in seiner Entwicklungslinie für CIGS-Module in Schwäbisch Hall einen neuen Weltrekord erzielt.

Das hocheffiziente Dünnschicht-Solar-Modul hat eine Größe von 120 mal 60 Zentimeter. Hergestellt  wurde es auf Produktionsanlagen der Nice Solar Energy, gebaut vom Maschinenbauunternehmen Manz mit Sitz in Reutlingen. Nice Solar Energy ist ein Joint Venture, das Manz 2017 gemeinsam mit einem chinesischen Konsortium um die China Energy Investment Group in Peking gegründet hat. Dass die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Schwäbisch Hall nun den aktuellen Weltrekord erreichen konnten, ist ihrer kontinuierlichen Entwicklungsarbeit zu verdanken. Das BMWi hat durch seine Forschungsförderung einige der dafür benötigten Forschungsprojekte möglich gemacht. Für die Endkunden bedeuten die Entwicklungserfolge sinkende Preise.

Veredelte Oberflächen und neues Moduldesign

Zentrale, übergeordnete Entwicklungsziele sind die hohe Qualität der CIGS-Module und möglichst niedrige Herstellkosten in der Massenfertigung. Wesentlich zu dem neuen Wirkungsgradrekord beigetragen hat nun zum Beispiel die nachträgliche Veredelung der CIGS-Oberfläche mit Alkalielementen. Durch die zusätzlichen Alkalielemente wird die Grenzfläche zur daran anschließenden Pufferschicht verbessert.

Auch ein neues, verbessertes Moduldesign hat zu dem Erfolg beigetragen: Einzelne streifenförmige Solarzellen werden hierbei innerhalb des Moduls mittels Lasertechnik verschaltet. Zusätzlich wird auf der Vorderseite der Zellen eine Kontaktfingerstruktur aufgebracht. Damit kann der Wirkungsgrad um circa 0,5 Prozent verbessert werden. Diese sogenannte integrierte Serienverschaltung spart Handhabungs- und Transportprozesse.  Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von Nice Solar Energy haben hierfür eng mit dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) Stuttgart und anderen Instituten zusammengearbeitet. Das ZSW ist ein langjähriger Entwicklungspartner des Forschungsstandorts in Schwäbisch Hall.

Das Modul steht aufrecht vor einem Hintergrund, auf dem man die Produktionsanlagen sehen kann.

Das CIGS-Rekordmodul von Nice Solar Energy erreicht einen Wirkungsgrad von 17,6 Prozent.

Grenzflächen verstehen und optimieren

Das vertiefte Wissen über die zu Grunde liegenden physikalischen Eigenschaften der CIGS-Technologie stammt unter anderem aus dem Projekt EFFCIS, kurz für „Effizienzoptimierung von CIS-basierten Dünnschichtsolarzellen und -modulen“, koordiniert durch das ZSW. Den Fokus legen die Projektpartner hierbei insbesondere auf den oberflächennahen Bereich des CIGS-Absorbers. Das ist der Teil der Solarzelle, der das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandelt. Um die Eigenschaften der einzelnen Schichten und insbesondere der Grenzflächen besser zu verstehen und verbessern zu können, optimieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Materialien und Prozesse für diese CIGS-Solarzellen weiter.

Nice Solar Energy unterstützt das Projekt mit produktionsrelevantem Material aus seiner sogenannten Innovationslinie. Hierbei handelt es sich um eine produktionsnahe Linie, die Module zu Forschungszwecken produziert – und zwar mit industriellem Durchsatz, also einer Stückzahl von ca. 1000 Module pro Tag. Neue Zellkonzepte aus dem Labor müssen in dieser Linie beweisen, dass sie für die industrielle Produktion geeignet sind. Die hier produzierten Solarzellen werden mit den Erkenntnissen für verbesserte Eigenschaften der CIGS-Zellen aus dem Labor der Institute überprüft und verglichen. Erst danach lässt sich sagen, ob sie kommerziell gefertigt werden können.

Potenziale der CIGS-Dünnschicht-Technologie

Die Dünnschichttechnologie CIGS – kurz für die enthaltenen Elemente Kupfer, Indium, Gallium und Selen – wird zusammen mit weiteren Funktionsschichten als Solarzelle ausgeführt. Alle Schichten dieser CIGS-Solarzelle haben insgesamt eine Dicke von circa 4 Mikrometer. Im Gegensatz zu herkömmlichen Photovoltaik-Modulen eignet sich die Dünnschichttechnologie wegen ihrer vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten (Farbe, Form, Semitransparenz etc.) sehr gut für den Einbau in Gebäudefassaden. Nice Solar Energy hat diese Vorteile bereits in vielen Projekten zur Fassadenintegration von CIGS-Modulen genutzt. Beispiele sind Fassaden eines Hotel- und Büroturms in Basel, des neuen ZSW-Gebäudes in Stuttgart oder der Universität Zürich. Weitere CIGS-Fassaden sind an Industriegebäuden sowie verschiedenen Supermärkten in mehreren Ländern angebracht. Nice Solar Energy arbeitet gemeinsam mit Manz daran, seine CIGS-Technologie weiter konkurrenzfähig zu halten. Das Joint Venture kündigt für die nahe Zukunft weitere Verbesserungen von Qualität und Herstellkosten seiner CIGS-Module an. Das ZSW ist hierbei weiterhin zentraler Forschungspartner.

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