Dünnschicht-Solarzellen Flexibel wie Kunststoff, robust wie Glas

Wissenschaftler am Stuttgarter ZSW haben ein neues Trägersubstrat für flexible CIGS-Dünnschicht-Solarzellen entwickelt. Die emaillierte Stahlfolie hat einige Vorteile gegenüber den bisher verwendeten Trägersubstraten aus Kunststoff. Außerdem ist der Wirkungsgrad etwas höher.

CIGS-Dünnschicht-Solarzellen (Kupfer, Indium, Gallium, Schwefel oder Selen) werden heutzutage hauptsächlich auf Glas als Trägersubstrat gefertigt. Glas ist recht korrosionsbeständig und sorgt so für eine annehmbare Lebensdauer dieser günstig herzustellenden Solarzellen.

Für eine weitere Eigenschaft der CIGS-Dünnschicht-Zellen ist das starre Glas aber schlecht, nämlich für die ihre Elastizität. Zwar gibt es auch flexible Kunststoff-Folie wie z.B. aus Polyimid als Trägermaterial allerdings ist deren Fertigung etwas aufwendiger, da noch eine zusätzliche Diffusionsbarriere oder Verkapselungsfolie eingefügt werden muss. Ohne diesen zusätzlichen Schutz könnte zum Beispiel Wasser durch den Kunststoff diffundieren und die Solarzellen zerstören. Die Lebensdauer solcher Solarzellen ist mehr oder weniger unbekannt, da die Technik noch zu neu ist und es keine Langzeit-Erfahrungswerte gibt.

Wissenschaftler am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg haben nun einen neuen Ansatz entwickelt, mit dem sich einige Nachteile der Kunststoff-basierten Solarzellen abstellen lassen. Dazu haben sie eine flexible Stahlfolie als Trägersubstrat für eine CIGS-Dünnschicht-Solarzelle verwendet.

Das Problem beim Stahl aber ist jedem Autofahrer bekannt: er rostet und ist damit auch nicht korrosionsbeständig. Das zweite Problem ist, dass er nicht elektrisch isoliert.

Die Lösung der Stuttgarter Wissenschaftler um Friedrich Kessler ist eine 100 µm dünne Schicht aus Emaille. Das Material isoliert elektrisch und schützt die Stahlfolie vor jeglichen Umwelteinflüssen. Außerdem haftet die Schicht sehr gut an dem Metall. Zusammen mit dem belgischen Industriepartner Pemco entwickelten die Forscher diesen emaillierten Stahl so, dass auch bei der anschließenden CIGS-Beschichtung bei 650 °C keine Schäden wie etwa Blasen auftreten, was zu einer Zerstörung der gleichmäßigen Schicht oder sogar zu deren Ablösung führen würde. Das ist auch der Vorteil gegenüber einer Schicht aus Siliziumoxid, die leichter abplatzt. Im Vergleich zu Trägersubstraten aus Kunststoff hält der emaillierte Stahl nicht nur hohe Prozess-Temperaturen aus sondern die Solarzelle kann auch problemlos mechanisch strukturiert werden. Dazu kommt natürlich, dass die Diffusionsbarriere nicht wie beim Kunststoff zusätzlich aufgebracht werden muss, da die Emaille-Schicht diese Funktion bereits übernimmt.

Bleibt noch die Frage nach dem Wirkungsgrad dieser Technik. Das ZSW gibt dabei 18,6 Prozent für eine 0,5 cm² große Solarzelle an. Ein 23 cm x 30 cm großes Modul kam auf 12,9 Prozent. Im Vergleich mit industriellen Herstellern sieht Friedrich Kesser das ZSW dabei recht gut aufgestellt. Kommerziell verfügbare flexible CIGS-Module kämen mit 10 bis maximal 12 Prozent auf einen etwas niedrigeren Wirkungsgrad. Bei den Modulen auf Glas seien es rund 2 Prozent mehr.

Zwar gibt es keine Langzeitstudien über die Lebensdauer von CIGS-Solarzellen auf Glas oder Plastik, allerdings ist er recht optimistisch, dass die neuen Module einen ähnliche Lebensdauer aufweisen wie Solarzellen auf Glas.

Die CIGS-Module wurden auf einer Standard-Anlage am ZSW in Stuttgart gefertigt. Es wurde also nicht mit speziellen Prozess-Schritte unter Laborbedingungen gearbeitet. Die flexiblen Module hatten sogar einen etwas höheren Wirkungsgrad als die auf der gleichen Linie gefertigten Referenz-Module auf einem Glassubstrat. Die Kosten für die Fertigung sollen etwas über denen von CIGS-Solarzellen auf Kunststoff liegen allerdings kann das durch den höheren Wirkungsgrad ausgeglichen werden.

Der einzige Nachteil ist jetzt noch, dass die 200 - 300 µm dünnen Stahlfolien noch zu dick sind. Das macht sie schwerer und weniger flexibel als Trägersubstrate aus Kunststoff. Allerdings sollen solche Optimierungen durch Stahlfirmen ohne weiteres möglich sein.

Als Anwendung für solche elastischen Solarzellen kommen Oberflächen von Fahrzeugen, Fassaden, Dächer oder elektronische Geräte in Frage, also überall dort, wo das Gewicht gering sein muss und wo starres Glas nicht zum Einsatz kommen kann.