Kategorie: Fraunhofer-Gesellschaft

Kleine Zellen ganz groß – Fraunhofer CSP steigert Solarmodulleistung um fünf Prozent

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Autor: solarstrombauer (Helmut Thomas)

Presseinformation des Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP vom 04.06.2014

Solarzellen werden zum Schutz vor Umwelteinflüssen und zur einfachen Installation und Handhabung in Solarmodulen verschaltet und laminiert. Dabei reduzieren optische und elektrische Verluste die Leistung der Module. Durch das Halbieren der Solarzellen werden die Ströme in Zellen und Zellverbindern halbiert und die elektrischen Serienwiderstandsverluste reduziert. Am Fraunhofer CSP wurde so und durch eine geschickte Verschaltung der halben Zellen Solarmodule mit 15 W mehr Leistung hergestellt. Ein Solarmodul mit 144 halben Zellen liefert 330 W, während die Leistung des entsprechenden Referenzmoduls mit 72 ganzen Zellen 315 W beträgt. Dies entspricht einer Leistungssteigerung von knapp 5%. Die zusätzliche Leistung wird dabei durch eine Reduktion der elektrischen Verluste und eine verbesserte Optik in den Solarmodulen erzielt. Im Freifeld haben Ertragsmessungen über zehn Monate gezeigt, dass die Module 3% zusätzlicher Energie liefern. Die Neuentwicklung ist das Ergebnis eines einjährigen Projektes zwischen dem Solar Energie Research Institute of Singapore (SERIS) und dem Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP.

»Als nächste Schritte werden wir den Prozess der Zellteilung noch weiter verbessern um elektrische und mechanische Schädigungen beim Teilungsprozess besser zu verstehen, damit zu minimieren und die Umsetzung in die Fertigung vorantreiben«, sagt Dr. Jens Schneider, der Leiter der Modultechnologie am Fraunhofer CSP. Die halben Solarzellen werden hergestellt, in dem vollständig prozessierte ganze Zellen von der Rückseite mit einem Nanosekunden-Laser angeritzt und dann mechanisch gebrochen werden. »Eine weitere große Herausforderung und Chance in Halbzellenmodulen stellt das elektrische Verschaltungsdesign dar. Durch die größere Anzahl an Zellen wird es viel komplexer bietet jedoch auch Möglichkeiten die Module robuster gegen Verschattungen zu gestalten«, erklärt Schneider weiter.

Professor Jörg Bagdahn, der Leiter des Fraunhofer CSP, ist sich sicher, dass die Technologie sehr zügig in die industrielle Fertigung umgesetzt werden kann: »Gerade in der Phase eines starken Anstieges der weltweiten PV Installation ist die Industrie an Technologien interessiert, die sich in existierende Anlagen integrieren lässt«. Die weltweite Installation von Photovoltaikmodulen wird von 37 GW im Jahr 2013 auf
43-48 GW im Jahr 2014 steigen. Für 2018 wird von führenden Marktforschungs-instituten ein weltweiter Markt von 100 GW pro Jahr vorhergesagt.

Das Fraunhofer CSP wird ein neuartiges Halbzellen-Modul erstmals auf der »Intersolar«, der größten Fachmesse der Solarwirtschaft weltweit, in München der Fachwelt präsentieren. Das Fraunhofer CSP ist eine gemeinsame Einrichtung des Fraunhofer IWM in Halle und des Fraunhofer ISE in Freiburg.

Über Fraunhofer CSP

Forschungszentrum für Silizium-Photovoltaik

Steigende Energiepreise und die Verknappung fossiler Ressourcen sind treibende Faktoren bei der Entwicklung und Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Eine große Herausforderung für die Photovoltaik-Branche – die wir gerne annehmen! Das Fraunhofer CSP arbeitet daran mit, dass alternative Energie zu gleichen Preisen wie konventioneller Strom angeboten wird.

Um dies zu erreichen bündeln wir in Halle (Saale) das Know-how zweier Institute: Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM bringt sein Know-how auf dem Gebiet der Optimierung und Bewertung von Silizium-Prozesstechnologien und Modulintegration mit ein. Das größte Solarforschungsinstitut in Europa Fraunhofer ISE, bietet seine Kompetenzen in der Materialherstellung, Solarzellen- und Modulentwicklung sowie Charakterisierung.

Das Fraunhofer CSP berät und stellt wissenschaftliches Know-how sowie technische High-Tech-Ausstattungen für Dienstleistungen zur Verfügung. Kommen Sie auf uns zu!

Das Fraunhofer CSP ist eine gemeinsame Einrichtung des Fraunhofer IWM und des Fraunhofer ISE.

Quelle und weitere Informationen unter   www.csp.fraunhofer.de

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Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP

Otto-Eißfeldt-Str.12
06120 Halle (Saale)
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Allgemein, Fraunhofer-Gesellschaft

Solarmodule in Glas gebettet

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Autor: solarstrombauer (Helmut Thomas)

Presseinformation von  FORSCHUNG KOMPAKT der Fraunhofer-Gesellschaft vom 2.06.2014

Organische Solarmodule haben gegenüber Silizium-Solarzellen Vorzüge. Ein Knackpunkt sind jedoch ihre kürzere Lebendauer. Forscher arbeiten an einer viel versprechenden Lösung: Sie nutzen flexibles Glas als Trägersubstrat, wodurch die empfindlichen Bauteile besser geschützt sind.

In elektronischen Geräten kommen sie heute teilweise schon zum Einsatz: organische Solarmodule (OPVs), die in eine Folie eingebettet sind. Solche OPVs sind eine vielversprechende Alternative zu siliziumbasierten Solarzellen: So lassen sich die Materialien auch unter Atmosphärendruck verarbeiten. Vor allem aber können die Module mittels Drucktechniken hergestellt werden – das ist schneller und effizienter als die aufwändigen Prozesse, die zur Fertigung von anorganischen Bauteilen nötig sind. Voraussetzung für eine Fertigung im Druckverfahren ist ein flexibles substratartiges Trägermaterial. Bislang kommen Polymerfolien zum Einsatz, die jedoch folgenden entscheidenden Nachteile haben: Die Folien sind bis zu einem gewissen Grad durchlässig für Wasserdampf und Sauerstoff. Beide greifen die empfindlichen Solarmodule an und vermindern deren Lebensdauer beträchtlich. In Abhängigkeit von den Anwendungen haben bisher Substrate mit Barriereschichten die OPV-Module geschützt. Für höhere Prozesstemperaturen und eine längere Lebensdauer muss man andere Trägersubstrate verwenden.

Extrem stark und bruchfest

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam arbeiten derzeit mit einem neuen Trägermaterial: Sie betten die Solarmodule in hauchdünnes Glas ein. »Glas ist nicht nur ein ideales Verkapselungsmaterial, sondern hält auch Bearbeitungstemperaturen bis zu 400 Grad aus«, erklärt Danny Krautz, Projektleiter in der Abteilung Funktionsmaterialien und Bauelemente am IAP. Bei den Forschungsarbeiten kommt ein Spezialglas der Corning Inc. zum Einsatz. Dank seiner speziellen physikalischen Eigenschaften lassen sich Lagen von nur 100 Mikrometer Dicke realisieren. Das entspricht ungefähr einem Blatt Papier und hat nicht viel mit den Gläsern zu tun, aus denen wir täglich unser Wasser trinken. Das Spezialglas ist nicht nur extrem stark und bruchfest, sondern sogar in festem Zustand noch so flexibel, dass es leicht gewölbt werden kann. Mit diesem Material konnten die Potsdamer Forscher gemeinsam mit dem Kooperationspartner Corning in Sheet-to-Sheet-Prozessen schon erste funktionsfähige OPVs realisieren. Die Verarbeitung funktioniert dabei in Stapeln.

Fertigung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren

Ziel ist es, diese Module auch im Rolle-zu-Rolle-Verfahren zu fertigen: Ähnlich wie beim Zeitungsdruck wird dabei das Trägersubstrat auf einer Rolle aufgewickelt. Gegenüber befindet sich eine leere Rolle. Zwischen beiden Rollen werden in mehreren Prozessen die photoaktiven Schichten und Elektroden aufgedruckt. Mit dieser Fertigungstechnologie lassen sich große Flächen effektiv in Serie herstellen. Einen ersten Test, das flexible Glas auf diese Weise zu bearbeiten, hat das IAP-Team bereits unternommen: »Uns ist es gleich im ersten Anlauf gelungen, mit kleineren Substratgrößen homogene Schichten herzustellen«, so der Wissenschaftler. Damit das Verfahren industriellen Ansprüchen genügt, muss die Prozesstechnologie an vielen Stellen angepasst werden – doch daran arbeiten die Potsdamer bereits. Mit der Technologie ließen sich langfristig robuste und leistungsstarke OPVs für unterschiedlichste Anwendungen realisieren – von winzigen Solarzellen im Mobiltelefon bis hin zu großflächigen Photovoltaikmodulen.

Quelle und weitere Informationen unter:    www.iap.fraunhofer.de

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Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP
Geiselbergstraße 69
14476 Potsdam-Golm
Deutschland

Allgemein, Fraunhofer-Gesellschaft

Solarzellen nutzen Wärmestrahlung

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Autor: solarstrombauer (Helmut Thomas)

Presseinformation von  FORSCHUNG KOMPAKT der Fraunhofer-Gesellschaft vom 4.11.2013

Die Wärmestrahlung der Sonne ist für Silizium-Solarzellen größtenteils verloren. Hochkonverter jedoch wandeln die Infrarotstrahlung in nutzbares Licht um. Forscher nutzen diesen Effekt nun erstmals für die Stromerzeugung.

In der Sonnenstrahlung steckt mehr als das Auge sieht: Ein Sonnenbrand entsteht durch die unsichtbare UV-Strahlung, während die ebenfalls unsichtbare Infrarotstrahlung als Wärme auf der Haut zu spüren ist. Auch Solarzellen »sehen« nur einen Teil der Sonnenstrahlung: Bei jenen aus Silizium gehen etwa 20 Prozent der Energie des Sonnenspektrums verloren – denn sie können einen Teil der Infrarotstrahlung, kurz IR-Strahlung, nicht zur Stromerzeugung nutzen.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg haben – gemeinsam mit ihren Kollegen der Universität Bern und der Heriot-Watt University Edinburgh – nun erstmals einen Teil dieser Strahlung für Silizium-Solarzellen mit Hilfe eines Hochkonverters im praktischen Einsatz genutzt. Die Technologie, die Infrarot in nutzbares Licht umwandelt, ist seit den 1960er Jahren bekannt. Allerdings wird sie erst seit 1996 in Verbindung mit Solarzellen untersucht. »Wir konnten die Solarzellen sowie die Hochkonverter so optimieren, dass wir den bisher größten Gewinn an Effizienz erzielen konnten«, freut sich Stefan Fischer, Wissenschaftler am ISE. Das Potenzial ist groß: Silizium-Solarzellen wandeln theoretisch etwa 30 Prozent des Sonnenlichts, das auf sie fällt, in elektrischen Strom um. Hochkonverter könnten diesen Anteil auf 40 Prozent erhöhen.

Eine »Leiter« für Lichtteilchen

Doch wie schafft es der Hochkonverter, das IR-Licht für die Solarzelle zu nutzen? Treffen die Sonnenstrahlen auf die Solarzelle, absorbiert diese das sichtbare und das nahinfrarote Licht. Der infrarote Anteil wird jedoch nicht absorbiert, er geht durch sie hindurch. Auf der Rückseite trifft er auf den Hochkonverter – im Wesentlichen ein mikrokristallines Pulver aus Natrium-Yttrium-Fluorid, das in einen Polymer eingebettet ist. Ein Teil des Yttriums haben die Wissenschaftler durch das optisch aktive Element Erbium ersetzt, welches letztendlich für die Hochkonversion verantwortlich ist.

Trifft nun Licht auf diesen Hochkonverter, regt es die Erbium-Ionen an. Das heißt, diese werden in einen höheren Energiezustand versetzt. Man kann sich diese Reaktion wie den Aufstieg auf eine Leiter vorstellen: Ein Elektron im Ion nutzt die Energie des Lichtteilchens, um auf die erste Stufe der Leiter zu treten. Ein weiteres Lichtteilchen lässt das Elektron auf die zweite Stufe klettern, und so weiter. Von der obersten Stufe kann das so angeregte Ion dann herunter »springen«. Dabei entsendet es Licht mit der Energie all jener Lichtteilchen, die dem Elektron beim »Hochklettern« geholfen haben. Der Hochkonverter sammelt die Energie mehrerer dieser Teilchen und überträgt diese auf ein Einziges. Dieses hat dann so viel Energie, dass die Solarzelle es »sieht« und nutzen kann.

Um einen solchen Hochkonverter einsetzen zu können, mussten die Forscher die Solarzellen optimieren. Denn üblicherweise sind sie auf der Rückseite mit Metall bedampft, damit der Strom aus den Solarzellen herausfließen kann – es kann also kein Licht hindurch. »Wir haben die Solarzellen mit Metallgittern auf der Vorder- wie auf der Rückseite versehen, damit das IR-Licht durch die Solarzelle hindurch geht. Zudem lässt sich das Licht so von beiden Seiten nutzen, man spricht von einer bifacialen Solarzelle«, erläutert Fischer. Vorder- und Rückseite der Solarzelle haben die Wissenschaftler mit speziellen Antireflex-Beschichtungen versehen. Diese entspiegeln die Oberflächen und sorgen dafür, dass die Zelle möglichst viel Licht aufnimmt. »Wir haben die Antireflex-Schichten erstmals auch für die Rückseite der Solarzelle optimiert. Das könnte die Effizienz der Module erhöhen und deren Energieerträge steigern. Erste Firmen versuchen das bereits zu realisieren, indem sie beidseitige Solarzellen verwenden«, so Fischer.

Das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
Das Fraunhofer CSP betreibt angewandte Forschung in den Themengebieten der Siliziumkristallisation, der Solarmodultechnologie und Solarwaferfertigung. Mit höchster Kompetenz entwickelt es neue Technologien von der Ingotherstellung bis zur Modulfertigung und beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Materialien entlang der Wertschöpfungskette. Ferner wird die Bewertung von Solarzellen und Modulen sowie die elektrische, optische und mikrostrukturelle Material und Bauteilcharakterisierung durchgeführt. Hierfür stehen hochmoderne Forschungs- und Analysegeräte zur Verfügung. Das Fraunhofer CSP ist eine gemeinsame Einrichtung des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE.

Steigende Energiepreise und die Verknappung fossiler Ressourcen sind treibende Faktoren bei der Entwicklung und Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Eine große Herausforderung für die Photovoltaik-Branche – die wir gerne annehmen! Das Fraunhofer CSP arbeitet daran mit, dass alternative Energie zu gleichen Preisen wie konventioneller Strom angeboten wird.

Um dies zu erreichen bündeln wir in Halle (Saale) das Know-how zweier Institute: Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM bringt sein Know-how auf dem Gebiet der Optimierung und Bewertung von Silizium-Prozesstechnologien und Modulintegration mit ein. Das größte Solarforschungsinstitut in Europa Fraunhofer ISE, bietet seine Kompetenzen in der Materialherstellung, Solarzellen- und Modulentwicklung sowie Charakterisierung.

Das Fraunhofer CSP berät und stellt wissenschaftliches Know-how sowie technische High-Tech-Ausstattungen für Dienstleistungen zur Verfügung. Kommen Sie auf uns zu!

Das Fraunhofer CSP ist eine gemeinsame Einrichtung des Fraunhofer IWM und des Fraunhofer ISE.

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Allgemein, Fraunhofer-Gesellschaft

Lebenserwartung von Solarmodulen vorhersagen

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Autor: solarstrombauer (Helmut Thomas)

Presseinformation von  FORSCHUNG KOMPAKT der Fraunhofer-Gesellschaft vom 1.10.2013

Solarmodule sind diversen Umwelteinflüssen ausgesetzt, die über die Jahre das Material ermüden. Forscher haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die Wirkung dieser Einflüsse langfristig berechnen lässt. Dies erlaubt zuverlässige Lebensdauerprognosen.

Wer in eine eigene Solaranlage auf dem Dach investiert, möchte in der Regel langfristig davon profitieren – doch wie alt wird die Technik eigentlich? Obwohl die meisten Hersteller ihren Kunden bis zu 25 Jahre Garantie gewähren, können sie selbst keine verlässlichen Aussagen über die voraussichtliche Lebensdauer treffen. Um zum Betrieb zugelassen zu werden, müssen die Module zwar bestimmte Normen erfüllen. Dazu werden sie in verschiedenen Versuchen hohen Temperaturen oder starken mechanischen Belastungen ausgesetzt. »Die Ergebnisse sagen aber lediglich etwas über die Robustheit eines fabrikneuen Exemplars gegenüber kurzzeitigen extremen Belastungen aus. Für die tatsächliche Lebensdauer sind dagegen alterungsbedingte Effekte wie Materialermüdung relevant, die erst im Laufe der Zeit auftreten«, erklärt Alexander Fromm vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg.

Der Wissenschaftler arbeitet im Rahmen des vom BMU geförderten Projekts »Zuverlässigkeit von PV-Modulen II« an einem neuen Verfahren, das die Lebensdauer von Solarmodulen prognostiziert. »Bei unserem zweigleisigen Prinzip kombinieren wir reale Messdaten mit einer numerischen Simulation«, so Fromm. Dazu untersuchen die Freiburger zunächst im Feldtest, wie sich mechanische Belastungen auf die Anlage auswirken. Denn Schneelasten, Temperaturschwankungen und Windböen erzeugen in den Modulen mechanische Spannungen beziehungsweise Dehnungen. Das führt langfristig zu einer Materialermüdung. Anfällig sind das Einbettmaterial aus Kunststoff und insbesondere die Zellverbinder – das sind dünne Bändchen aus Kupfer, über die die Solarzellen miteinander verknüpft sind. »Das ist, als würden sie eine Büroklammer immer auf und ab biegen. Irgendwann bricht sie«, erklärt Fromm.

Schon leichter Wind bewirkt Schwingung im Modul

Um die Einflüsse auf das Material erfassen zu können, haben die Forscher ein komplettes Solarmodul mit Sensoren ausgestattet, die über Widerstandsänderungen Dehnungen an der Oberfläche von Bauteilen messen. Daraus wiederum lassen sich mechanische Spannungen im Material berechnen. Bei der Auswertung stellten Fromm und sein Team fest, dass schon leichter Wind ausreicht, um im Modul eine Schwingung zu erzeugen. Diese Schwingung ist ausgeprägter, je höher die Umgebungstemperatur ist. Darüber hinaus erhöht sich im Laufe der Zeit die Schwingungsfrequenz, da das Kunststoffmaterial durch UV-Strahlung steifer und spröder wird. »Die spannende Frage ist nun, wie sich diese Einflüsse langfristig auf die Lebensdauer der Komponenten auswirken. An dieser Stelle kommt unser Simulationstool ins Spiel«, so Fromm.

Dazu wird für das Solarmodul ein detailliertes 3D-Simulationsmodell erstellt. Auf Basis der Messergebnisse aus dem Feldtest lässt sich dann anhand von numerischen Berechnungen ableiten, wie umweltbedingte Einflüsse langfristig auf die Modulkomponenten wirken und welche mechanischen Spannungen im Material auftreten. »Wir haben anhand der Simulation beispielsweise herausgefunden, dass die UV-bedingte Versprödung eine weitaus größere Rolle bei der Materialermüdung spielt als bislang angenommen«, sagt Fromm. Um die Lebensdauer eines Moduls vorhersagen zu können, kombinieren die Forscher die Messwerte aus dem Feldversuch mit bekannten Festigkeits-Kennwerten der entsprechenden Materialien. Diese Zahlen sagen aus, ab welcher Belastung das Material voraussichtlich bricht oder sich ablöst.

Kein Massentest von der Stange

Das Verfahren ist ab sofort einsatzbereit. Um optimale und zuverlässige Prognosen zu erstellen, benötigen die Entwickler jedoch möglichst detaillierte Materialkenndaten und Informationen zur Geometrie des Moduls, das getestet werden soll. »Unser Verfahren bietet keinen Massentest von der Stange, sondern wird individuell auf den jeweiligen Kunden abgestimmt«, erklärt Fromm. Anhand ihrer Berechnungen können die Forscher dann nicht nur Aussagen zur voraussichtlichen Lebensdauer treffen. Es lassen sich auch Verbesserungspotenziale hinsichtlich Geometrie und Material aufzeigen oder die Auswirkungen von unterschiedlichen Materialien auf die mechanischen Spannungen im Modul vorhersagen.

Über Fraunhofer

Fraunhofer ist die größte Forschungsorganisation für anwendungsorientierte Forschung in Europa. Unsere Forschungsfelder richten sich nach den Bedürfnissen der Menschen: Gesundheit, Sicherheit, Kommunikation, Mobilität, Energie und Umwelt. Und deswegen hat die Arbeit unserer Forscher und Entwickler großen Einfluss auf das zukünftige Leben der Menschen. Wir sind kreativ, wir gestalten Technik, wir entwerfen Produkte, wir verbessern Verfahren, wir eröffnen neue Wege. Wir erfinden Zukunft.

Über Fraunhofer IWM

Das Fraunhofer IWM ist Ansprechpartner für die Industrie und für öffentliche Auftraggeber im Bereich der Zuverlässigkeit, Sicherheit, Lebensdauer und Funktionalität von Bauteilen und Systemen. Wir helfen Ihnen, die Eigenschaften von Werkstoffen und Bauteilen für die im Einsatz auftretenden Belastungen und die geforderten Funktionen optimal einzustellen, und entwickeln innovative Fertigungsschritte.

Mission und Ziele des  Fraunhofer IWM

Die Fraunhofer-Gesellschaft fördert und betreibt international vernetzt anwendungsorientierte Forschung zum unmittelbaren Nutzen für die Wirtschaft und zum Vorteil für die Gesellschaft.

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM charakterisiert, simuliert und bewertet das Verhalten von Werkstoffen, Bauteilen und Systemen unter dem Einfluss äußerer Kräfte in unterschiedlichen Umgebungen. Für Unternehmen und öffentliche Auftraggeber erarbeitet das Fraunhofer IWM Lösungen, die die Sicherheit, Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Funktionalität von technischen Bauteilen und Systemen verbessern. Damit leistet das Fraunhofer IWM wichtige Beiträge zur Wirtschaftlichkeit, Ressourcenschonung und Energieeffizienz und trägt somit zur Wettbewerbsfähigkeit der Region, Deutschlands und Europas bei.

Das Fraunhofer IWM stellt an sich selbst höchste wissenschaftliche Anforderungen und ist in seinen Kernkompetenzen Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung, Werkstoffmodellierung und Simulation sowie Grenzflächen- und Oberflächentechnologie führend. Seinen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern bietet das Fraunhofer IWM ein hohes Maß an Gestaltungsspielraum, fördert sie in ihrer wissenschaftlichen und unternehmerischen Qualifizierung und in ihrer persönlichen Entwicklung.

Quelle und weitere Informationen unter www.iwm.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

| Wöhlerstr. 11 | 79108 Freiburg | www.iwm.fraunhofer.de

Kontakt: Alexander Fromm | Telefon +49 761 5142-134 | alexander.fromm@iwm.fraunhofer.de

Presse: Katharina Hien | Telefon +49 761 5142-154 | katharina.hien@iwm.fraunhofer.de

Allgemein, Fraunhofer-Gesellschaft

Weltrekord-Solarzelle mit 44,7 Prozent Wirkungsgrad

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Autor: solarstrombauer (Helmut Thomas)

Presseinformation 22/13 vom 23. September 2013 des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE erzielte gemeinsam mit Soitec, CEA-Leti und dem Helmholtz Zentrum Berlin einen neuen Weltrekord für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom. Die Rekordsolarzelle basiert auf einer neuen Solarzellenstruktur mit vier Teilsolarzellen. Nach kaum mehr als drei Jahren Forschung konnte ein neuer Rekordwirkungsgrad von 44,7 Prozent bei einer 297-fachen Konzentration des Sonnenlichts gemessen werden. Dies bedeutet, dass 44,7 Prozent der gesamten Energie im Sonnenspektrum, vom ultravioletten Licht bis hin zu langwelliger Wärmestrahlung, in elektrische Energie umgewandelt wird. Ein bedeutender Schritt hin zu einer weiteren Kostensenkung für Solarstrom und auf dem Weg zur 50 Prozent Solarzelle.

Bereits im Mai 2013 hatte das deutsch-französische Team aus Fraunhofer ISE, Soitec, CEA-Leti und Helmholtz Zentrum Berlin eine Solarzelle mit 43,6 Prozent Wirkungsgrad veröffentlicht. Daran anknüpfend führten weitere intensive Forschungsarbeit und Optimierungsschritte zum vorliegenden Weltrekord von 44,7 Prozent.

Derartige Solarzellen werden in der Konzentrator-Photovoltaik (CPV) eingesetzt, einer Technologie, die an den sonnenreichen Standorten der Welt doppelt so hohe Wirkungsgrade wie konventionelle Solarkraftwerke ermöglicht. Aus der Weltraumtechnologie kommend, hat sich der Einsatz von sogenannten III-V Mehrfachsolarzellen durchgesetzt, um höchste Wirkungsgrade bei der Umwandlung des Sonnenlichts in Strom zu realisieren. Bei Mehrfachsolarzellen werden mehrere Zellen aus unterschiedlichen III-V-Halbleitermaterialien übereinander gestapelt. Die einzelnen Teilsolarzellen absorbieren unterschiedliche Spektralbereiche des Sonnenlichts.

»Wir sind überglücklich und stolz auf unser Team, das seit drei Jahren an dieser Vierfachsolarzelle arbeitet«, sagt Dr. Frank Dimroth – Abteilungs- und Projektleiter für das Entwicklungsvorhaben am Fraunhofer ISE. »Diese Vierfachsolarzelle enthält unser über viele Jahre angesammeltes Wissen. Neben verbessertem Material und optimierter Struktur spielt vor allem ein neues Verfahren, das Wafer-Bonden, eine zentrale Rolle. Mit diesem Verfahren verbinden wir zwei Halbleiterkristalle miteinander, die aufgrund unterschiedlicher Kristallgitter nicht aufeinander passen. So können wir die optimale Halbleiterkombination für höchsteffiziente Solarzellen herstellen.«

»Dieser Weltrekord, mit dem wir in weniger als vier Monaten unseren Wert um einen Prozentpunkt erhöhen konnten zeigt das ungeheure Potenzial unseres Vierfachsolarzellen-Designs, das auf der Bonding-Technik und der Erfahrung von Soitec basiert«, sagt André Auberton-Hervé, Vorstandsvorsitzender und Geschäftsführer von Soitec. »Er bestätigt die Beschleunigung unserer Roadmap hin zu höheren Wirkungsgraden, ein Schlüsselfaktor für die Wettbewerbsfähigkeit unserer eigenen CPV-Systeme. Wir sind sehr stolz auf dieses Ergebnis, ein Beweis für eine erfolgreiche Kooperation«

»Dieser neue Rekordwert bestärkt uns in unserem Ansatz der Bonding-Technik, die wir im Rahmen unserer Kooperation mit Soitec und dem Fraunhofer ISE entwickelt haben. Wir sind sehr stolz auf dieses neue Ergebnis, das den eingeschlagenen Weg der Entwicklung zukunftsweisender Prozesstechnologie für Solarzellen aus III-V Verbindungshalbleitern bestätigt«, so Leti-Geschäftsführer Laurent Malier.

Konzentratormodule werden von der Firma Soitec (gestartet in 2005 unter dem Namen Concentrix Solar als Ausgründung des Fraunhofer ISE) produziert. Diese besonders effiziente Technologie wird in solaren Kraftwerken in sonnenreichen Gebieten der Erde mit hoher Direktstrahlung eingesetzt. Soitec hat Konzentratorphotovoltaik-Kraftwerke in 18 Ländern gebaut, u.a. in Italien, Frankreich, Südafrika, und Kalifornien.

Über Fraunhofer ISE
Mit rund 1300 Mitarbeitern ist das in Freiburg angesiedelte Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE das größte europäische Solarforschungsinstitut. Das Fraunhofer ISE setzt sich für ein nachhaltiges, wirtschaftliches, sicheres und sozial gerechtes Energieversorgungssystem ein. Es schafft technische Voraussetzungen für eine effiziente und umweltfreundliche Energieversorgung, sowohl in Industrie- als auch in Schwellen- und Entwicklungsländern. Hierzu entwickelt das Institut Materialien, Komponenten, Systeme und Verfahren in insgesamt acht Geschäftsfeldern: Energieeffiziente Gebäude und Gebäudetechnik, Angewandte Optik und funktionale Oberflächen; Solarthermie; Silicium-Photovoltaik; Photovoltaische Module und Systeme; Alternative Photovoltaik-Technologien; Regenerative Stromversorgung; Wasserstofftechnologie. Das Institut verfügt über mehrere akkreditierte Testzentren.        Weitere Informationen: www.ise.fraunhofer.de

Kontakt:
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
Heidenhofstraße 2
79110 Freiburg
Press and Public Relations
Karin Schneider
Phone +49 761 4588-5150

Über SOITEC
Soitec ist ein internationaler Marktführer in der Entwicklung und Herstellung neuartiger Materialien für die Halbleiterindustrie und ein Vorreiter im Bereich Energie und Elektronik. Soitec stellt unter anderem Substrate für die Mikroelektronik, wie etwa SOI (Silicon-on-Insulator), und Konzentrator-Photovoltaik-Systeme her. Soitecs Schlüsseltechnologien sind Smart Cut™, Smart Stacking™ und Concentrix™. Außerdem verfügt das Unternehmen über besondere Expertise im Bereich Epitaxie. Diese Produkte finden Anwendung in der Verbraucherelektronik, mobilen Geräten, Mikroelektronik, Telekommunikation sowie in der Automobilelektronik, in der Beleuchtung und in Solarkraftwerken. Soitec verfügt über Produktionsanlagen und Forschungszentren in Frankreich, Singapur, Deutschland und den Vereinigten Staaten. Weitere Informationen: www.soitec.com.

Kontakt:

Soitec

International Media Contacts (trade press)

Camille Darnaud-Dufour
Phone +33 (0)6 79495143

Über CEA-Leti
Leti ist ein Institut des CEA, einer französischen Forschungs- und Technologieorganisation mit Aktivitäten im Bereich Energie, IT, Gesundheitswesen, Verteidigung und Sicherheit. Der Schwerpunkt des Instituts liegt auf Innovationen und Technologietransfer an die Industrie. Leti ist spezialisiert auf Nanotechnologien und deren Anwendung, von drahtloser Kommunikation über Biologie und Gesundheitswesen bis zur Photonik. NEMS und MEMS stehen im Mittelpunkt der Arbeit. Als zentrale Einrichtung auf dem MINATEC Campus verfügt CEA-Leti über 8000 m² modernster Reinraumfläche für 200mm und 300mm Wafer. Das Institut beschäftigt 1700 Wissenschaftler und Ingenieure, einschließlich 320 Doktoranden und 200 Mitarbeitern aus Partnerfirmen. CEA-Leti verfügt über mehr als 2200 Patentfamilien. Weitere Informationen: www.leti.fr

Kontakt:
CEA Leti
Pierre-Damien Berger
Phone +33 4 38 78 02 26
Agency:
Phone +33 6 64 52 81 10

Über das Helmholtz Zentrum Berlin (HZB)
Ein Teil der Zellen-Technologie wurde am Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) in der Arbeitsgruppe um Prof. Thomas Hannappel, heute TU Ilmenau, entwickelt. Das HZB besitzt große Expertise im Bereich der Dünnschicht-Photovoltaik, Solaren Brennstoffe sowie in der materialwissenschaftlichen Grundlagenforschung mit Energiebezug. Das HZB betreibt dafür die Neutronenquelle BER II und die Synchrotronquelle BESSY II, die auch von jährlich rund 3000 Gästen genutzt werden. Aktuell entsteht an BESSY II das „Energy Materials In-Situ Laboratory” (EMIL), das ab 2015 einzigartige Möglichkeiten bietet, um Solarzellen der nächsten und übernächsten Generation zu entwickeln. Um den Technologietransfer im Bereich der Photovoltaik zu beschleunigen, gründete das HZB gemeinsam mit Partnern das PVcomB. Weitere Informationen: www.helmholtz-berlin.de

Allgemein, Fraunhofer-Gesellschaft

Sonnenkraft für Sensorknoten

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Autor: solarstrombauer (Helmut Thomas)

Presseinformation von  FORSCHUNG KOMPAKT der Fraunhofer-Gesellschaft vom 1.09.2013

Winzige Solarzellen, die direkt auf einen Siliziumchip aufgebracht werden, könnten zukünftig drahtlose Sensornetze effizient und zuverlässig mit Strom versorgen. Das erleichtert vor allem großflächige Anwendungen, etwa in der Landwirtschaft.

Teamplayer sind fast überall mehr gefragt als Einzelkämpfer – denn wer mit anderen an einem Strang zieht, erzielt bessere Leistungen. Das gilt nicht nur für uns Menschen: Auch Sensoren sind im Team stärker. Sensor- netzwerke, deren einzelne Module drahtlos miteinander kommunizieren, sind in der Lage, großflächig Parameter in ihrer Umwelt zu messen und diese Daten untereinander bis an eine zentrale Station weiterzugeben. Damit eignen sie sich für unterschiedlichste Einsatzgebiete – vom Brand- schutz bis zum Monitoring von großen Anbauflächen in der Landwirtschaft. Ein Knackpunkt ist bei solchen Anwendungen nach wie vor die Energieversorgung der einzelnen Sensormodule. Eine Verkabelung gilt angesichts der aufwändigen Installation heute kaum noch als Option. Zudem ist es bei vielen Anwendungen entscheidend, dass sich das Sensornetzwerk unauffällig in die Umgebung integrieren lässt und nicht die Ästhetik beeinträchtigt – etwa bei Systemen zur Regelung der Fenster- stellung als Teil eines intelligenten Gebäudemanagements. Beim Betrieb mit Batterien stören zwar keine lästigen Kabel mehr – nicht zu unterschätzen ist hier allerdings der Wartungsaufwand durch die regelmäßig nötigen Batteriewechsel, gerade bei großen Netzwerken. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS haben jetzt gemeinsam mit der SOLCHIP Ltd. eine pfiffige Alternative entwickelt und nutzen für die Energieversorgung eine Ressource, die fast überall umsonst zur Verfügung steht: Das Sonnenlicht. »Wir bringen mittels spezieller Prozessschritte eine Mini-Solarzelle direkt auf den Silizium-Chip eines Sensormoduls auf«, erklärt Dr. Andreas Goehlich, der das Projekt auf IMS-Seite leitet. Das klingt einfacher, als es ist. Denn die ASICS (Application Specific Integrated Circuits) auf dem Silizium-Chip dürfen durch nachfolgende Prozess- schritte nicht beschädigt werden. ASICS sind anwendungsspezifische mikroelektronische Schaltkreise – quasi das »Gehirn« des Sensormoduls und ermöglichen erst dessen spezifische Funktionen. Sie werden in mehreren Bearbeitungsschritten, etwa Ionenimplantationen, Oxidation oder Metallabscheidungen, auf einem Stück Silizium gefertigt. »Die Strukturen von ASCIS sind sehr empfindlich, das macht die nachfolgende Bearbeitung so heikel«, erläutert Goehlich. »Wir nutzen daher eine speziell entwickelte ›sanfte‹ Prozesstechnologie, die sich bereits bei unterschiedlichsten ASICS bewährt hat«.

Licht als Energiequelle

Mit den Mini-Solarzellen setzen die Duisburger Forscher auf eine Methode, die sich vor allem im low-power-Bereich zunehmend etabliert: »Energy Harvesting« nutzt Ressourcen aus der unmittelbaren Umgebung, um daraus kleine Mengen an Strom zu erzeugen. Die Sensormodule sind damit ihre eigenen kleinen Kraftwerke und werden unabhängig von externen Stromquellen. Als Energieressourcen können beispielsweise auch Wärmegradienten oder Vibrationen dienen. Im Vergleich zu diesen Lösungen sieht Goehlich bei den Solarzellen einige Vorteile: »Licht steht über eine lange Zeitspanne nahezu konstant zur Verfügung und unterliegt auch nicht so starken Schwankungen wie dies bei anderen Ressourcen oft der Fall ist«. Ein weiterer Pluspunkt: Sonnenenergie lässt sich relativ leicht in Strom umwandeln. Derzeit steht bei den Entwicklungsarbeiten vor allem die Anwendung in der Landwirtschaft im Fokus. Als »smart dust« könnten drahtlose, energieautarke Sensornetzwerke beispielsweise großflächig auf Anbauflächen verteilt werden. Goehlich: »Bildlich gesprochen werden die Sensorknoten einfach auf dem Feld ausgestreut.« Die kleinen intelligenten Helfer messen etwa die Bodenfeuchtigkeit oder die Sonneneinstrahlung und senden die Daten an eine zentrale Schnittstelle. Der Landwirt kann dann anhand der Messergebnisse beispielsweise die Bewässerung anpassen oder sogar den zu erwartenden Ernteertrag ableiten. Die Technologie ist einsatzbereit – SOLCHIP Ltd. kümmert sich nun um die Vermarktung.

Über Fraunhofer IMS

Das Institut

Das Fraunhofer IMS besteht als eigenständiges Institut der Fraunhofer-Gesellschaft seit Mitte 1984, bezog das hierfür errichtete Institutsgebäude 1987, das entsprechend der steigenden Anforderungen 1992, 2001 und 2005 baulich erweitert wurde. Gründung und Aufbau erfolgten unter dem langjährigen Institutsleiter Prof. Dr. Günter Zimmer; seit dem 01.01.2006 hat Herr Prof. Dr. Anton Grabmaier die Leitung unseres Instituts übernommen.

Gemäß dem Leitbild der Fraunhofer-Gesellschaft führen wir im Fraunhofer IMS Forschung, Entwicklung und Pilotfertigung mikroelektronischer Lösungen für Anwender aus Wirtschaft und Gesellschaft durch. Zweites Standbein sind Auftraggeber aus der Halbleiterindustrie.

 

Quelle und weitere Informationen unter       www.ims.fraunhofer.de

Kontakt Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS:
Martin van Ackeren
Telefon: +49 203 3783-130
Fax: +49 203 3783-266
Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme, IMS
Finkenstraße 61
47057 Duisburg
Allgemein, Fraunhofer-Gesellschaft ,

Optimiertes Lichtmanagement: Fraunhofer CSP entwickelt neuartigen Test zur Verringerung optischer Verluste bei Solarmodulen

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Autor: solarstrombauer (Helmut Thomas)

Presseinformation des Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP vom 12.06.2013

Das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP und die Firmen f solar GmbH, KURARAY Europe GmbH und SCHLENK AG tragen gemeinsam zur Effizienzsteigerung von Solarmodulen bei: Die drei Unternehmen kombinieren ihre jeweiligen Produkte in Test-Modulen und lassen die bestmögliche Kombination erforschen. Das Fraunhofer CSP entwickelt hierfür eine neuartige Charakterisierungsmethode, die alle Einzelkomponenten untersucht und bewertet. Dabei führt die exakte Abstimmung jeder einzelnen Komponente zu über 5 Prozent Effizienzsteigerung des neu kreierten Gesamtsystems.

Das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP und die Firmen f solar GmbH, KURARAY Europe GmbH und SCHLENK AG tragen gemeinsam zur Effizienzsteigerung von Solarmodulen bei: Die drei Unternehmen kombinieren ihre jeweiligen Produkte in Test-Modulen und lassen die bestmögliche Kombination erforschen. Das Fraunhofer CSP entwickelt hierfür eine neuartige Charakterisierungsmethode, die alle Einzelkomponenten untersucht und bewertet. Dabei führt die exakte Abstimmung jeder einzelnen Komponente zu über 5  Prozent Effizienzsteigerung des neu kreierten Gesamtsystems.

Ziel der drei Firmen war es, die optischen Verluste bei Solarmodulen zu verringern und damit den Gesamtertrag zu maximieren. So wurde u.a. 2 mm dünnes Solarglas mit Antireflexbeschichtung (ARC) von f solar mit speziell UV-durchlässiger Polyvinylbutyral-Kunststoff-Folie (PVB)  von Kuraray und Light Harvesting Strings (LHS) von Schlenk, einem mit Längsrillen versehenen, oberflächenveredeltem Zellverbinder, in einem Solarmodul kombiniert. Die unabhängige Forschungseinrichtung Fraunhofer CSP untersuchte, aus welchen Kombinationen sich welche Verbesserungen ergeben. Hierfür wurden elektrisch und optische Charakterisierungsmethode genutzt, die jede einzelne Komponente in ihrer Wirkung und ihrer Wechselwirkung im »Gesamtsystem Modul« analysierte, bestimmte und verifizieren.

Die Solarmodule wurden am Fraunhofer CSP hergestellt und elektrisch sowie optisch vermessen. Dabei wurden zunächst eine Vielzahl von 1-Zell-Minimodulen unterschiedlicher Materialkombinationen und anschließend optimierte 54-Zell-Module gefertigt und mit Standard-Modulen verglichen: »Wir konnten zeigen, dass die optischen Verluste bei den kombinierten (Glas-Glas-)Modulen mit 2 mm antireflexbeschichteten Gläsern, besonderen UV-durchlässigen PVB sowie LHS-Verbindern fast 40 Prozent gegenüber einem Standardmodul reduziert werden konnten,« erklärt Dr. Jens Schneider, Leiter des Modultechnologiezentrums des Fraunhofer CSP. Der resultierende Leistungsgewinn aus allen Ansätzen zur Verringerung der optischen Verluste wurde an 54-Zell-Modulen gemessen. Im Vergleich mit einem herkömmlichen Modul, steigen Strom und Effizienz um über fünf Prozent relativ.

Das Fraunhofer CSP

Das Fraunhofer CSP betreibt angewandte Forschung in den Themengebieten der Siliziumkristallisation, Solarwaferfertigung und der Solarmodultechnologie. Mit höchster Kompetenz entwickelt es neue Technologien von der Ingotherstellung bis zur

Modulfertigung beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Materialien entlang der Wertschöpfungskette. Ferner wird die Bewertung von Solarzellen und Modulen sowie die elektrische, optische und mikrostrukturelle Material und Bauteilcharakterisierung durchgeführt. Hierfür stehen hochmoderne Forschungs- und Analysegeräte zur Verfügung. Das Fraunhofer CSP ist eine gemeinsame Einrichtung des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE.

Steigende Energiepreise und die Verknappung fossiler Ressourcen sind treibende Faktoren bei der Entwicklung und Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Eine große Herausforderung für die Photovoltaik-Branche – die wir gerne annehmen! Das Fraunhofer CSP arbeitet daran mit, dass alternative Energie zu gleichen Preisen wie konventioneller Strom angeboten wird.

Um dies zu erreichen bündeln wir in Halle (Saale) das Know-how zweier Institute: Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM bringt sein Know-how auf dem Gebiet der Optimierung und Bewertung von Silizium-Prozesstechnologien und Modulintegration mit ein. Das größte Solarforschungsinstitut in Europa Fraunhofer ISE, bietet seine Kompetenzen in der Materialherstellung, Solarzellen- und Modulentwicklung sowie Charakterisierung.

Das Fraunhofer CSP berät und stellt wissenschaftliches Know-how sowie technische High-Tech-Ausstattungen für Dienstleistungen zur Verfügung. Kommen Sie auf uns zu!

Das Fraunhofer CSP ist eine gemeinsame Einrichtung des Fraunhofer IWM und des Fraunhofer ISE.

Quelle und weitere Informationen unter   www.csp.fraunhofer.de

Kontakt:

Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP

Otto-Eißfeldt-Str.12
06120 Halle (Saale)
Telefon +49 (0) 345 5589-0
Fax +49 (0) 345 5589-101

Allgemein, Fraunhofer-Gesellschaft
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