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EFRE fördert CdTe-Dünnschichtmodule

EFRE fördert CdTe-Dünnschichtmodule

 

Die Menge der installierten Leistung durch Photovoltaik ist innerhalb der Jahre 2010 bis 2017 exponentiell von 44 auf 417 GWp gestiegen. Setzt sich der Trend dieses schnell wachsenden Marktes fort, so kann man im 2020 von nicht weniger als 1,1 TWp und 2030 bereits von 25,9 TWp installierter Leistung durch PV ausgehen. Mit einem über die Jahre recht konstanten Anteil von ca. 36% an den in Deutschland installierten erneuerbaren Energieliferanten konnten allein durch den PV-Sektor in Deutschland so 19 Mio t CO2 eingespart werden. [1]

Im Gegensatz zu der raschen Entwicklung der installierten Gesamtleistung, stellen Dünnschichtmodule seit 2010 lediglich einen konstanten Anteil jährlich installierter Leistungskapazität von 4,5 GWp pro Jahr. [1] Dabei zeichnet sich gerade die CdTe-Dünnschichttechnologie, die unter anderem bei der TS Solar GmbH zum Einsatz kommt, durch geringe Produktionskosten und zur Siliziumtechnologie wettbewerbsfähige Wirkungsgrade aus. Durch geringen Energie- und Materialverbrauch ist die CdTe-Technologie mit dem geringsten CO2-Fußabdruck [2,3], dem geringsten Wasserverbrauch [4] und der kürzesten Energierücklaufzeit [2,3] aller industriell verfügbaren PV-Technologien belastet.

Die Wettbewerbsfähigkeit der CdTe-Dünnschichten gegenüber herkömmlichen kristallinen Si-Modulen ergibt sich neben dem besseren Schwachlichtverhalten und Temperaturkoeefizienten, sowie der höheren Beständigkeit gegenüber partieller Abschattung auch aus dem leicht höheren Wirkungsgradpotential. Die Erreichbarkeit dessen (Zell-Wirkungsgrad 18,7%) konnte die TS Solar GmbH bereits in vorangegangen Projekten verdeutlichen ohne dabei die Kosteneffizenz außer acht zu lassen (<0,35 € Wp-1). Gemeinsam mit dem Frauenhofer CSP soll an diese Erfolge vergangener Projekte angeknüpft und weitere Steigerungen des Wirkungsgrades erreicht werden. Im Rahmen des Europäischen Fonds regionaler Entwicklung (EFRE) entstand so ein vom Land Sachsen Anhalt gefördertes Folgeprojekt.

Für die zweijährige Projektlaufzeit wurde ein ambitionierter und umfangreicher Projektplan verabschiedet, der das Dünnschichtdesign der CdTe-Technologie nahezu buchstäblich in seine Einzelschichten zerlegt.

Angefangen beim, der Sonneneinstrahlung ausgesetzten, Frontglas sollen zunächst elektrooptische Eigenschaften variiert und später optimiert werden. In diesem Zusammenhang wird neben der leitfähigen, transparenten Oxidschicht auch die Pufferschicht zum Halbleiter, sowie die erste Schicht des Halbleiters, die Fensterschicht, durch Materialvariation und Variation der Methoden zur Aufbringung auf den Prüfstand gestellt.

Wie im vorangegangenen Projekt spielt vor allem die Grenzfläche zwischen Fensterschicht und Absorber (CdTe) eine wichtige Rolle bei der Verfolgung des Wirkungsgradpotentials. Daher sollen spezifische Charakterisierungsverfahren an gezielt hergestellten Proben zur Aufklärung der Wirkmechanismen in gerade diesem Bereich des Halbleitersystems führen. Einen weiteren wichtigen Aspekt bildet das Dotierniveau von CdTe, welches die CdTe-Gesellschaft als Kernfrage schon lange beschäftigt. In diesem Zusammenhang sollen die Vorteile der TS Solar GmbH patentierten atmosphärischen Abscheidungstechnologie für CdTe genutzt werden, um neue Konzepte zur Dotierung zu erarbeiten. Abgerundet von tiefergehenden Charakterisierungen, die maßgeblich vom Frauenhofer CSP durchgeführt werden, soll so ein neues und tieferes Verständnis für das Dotierverhalten von CdTe entstehen.

Zu guter Letzt, sollen in weiteren Teilarbeitspaketen Einflüsse unterschiedlicher Rückkontaktklassen untersucht und charakterisiert werden. Dabei ist nicht nur der Einfluss des Rückkontaktes auf ohmsche Effekte von Interesse, sondern sind viel mehr Bandlückeneffekte im Fokus zur Optimierung der elektrischen Eigenschaften der CdTe-Zellen.

Im Rahmen des Projektes soll neben den grundlegen Arbeiten zur Wirkungsgradoptimierung auch ein erster Transfer auf die Produktionsebene gelingen. So erwarten die Projektteilnehmer aus den Projektergebnissen Wirkungsgradentwicklungen von ca. 3,5% (abs.) auf Zellebene und >3% (abs.) auf Modulebene, um die Wirkungsgradlücke zwischen siliziumbasierenden Technologien und der atmosphärischen CdTe-Abscheidung nachhaltig zu schließen. Nur durch erreichen der Wettbewerbsfähigkeit kann dem Trend des exponentiellen Wachstums des Marktes gefolgt werden und die wirtschaftliche und umweltfreundliche CdTe-Technologie auf dem Erfolgskurs der PV-Entwicklung halten.

 

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[1]       Photovoltaics Report 2019, Frauenhofer ISE, März 2019, Freiburg, Deutschland

[2]       M. de Wild-Scholten, Energy payback time and carbon footprint of commercial photovoltaic systems, Solar Energy Materials & Solar Cells 119 (2013) 296–305.

[3]       Peng et al., Review on life cycle assessment of energy payback and greenhouse gas emission of solar photovoltaic systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews 19 (2013) 255-274.

[4]       V. Fthenakis, H. C. Kim, Life-cycle uses of water in U.S. electricity generation, Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (2010) 2039–2048.

 

 

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