Nanopartikel für umweltschonende Solarzellen

Projekt „Druckbare Silizium-Nanopartikel-Schichten für Photovoltaik und Elektronik“

Projektlaufzeit

Januar 2013 bis November 2015

Zielsetzung

Das Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern) verbindet Nanotechnologie und Drucktechnik zu einem neuartigen, umweltschonenden Verfahren zur Herstellung von Solarzellen.

Photovoltaik gewinnt in Zeiten der Energiewende zunehmend an Bedeutung. Voraussetzung für die künftige Nutzung der ökologischen und ressourcenschonenden Solarenergie sind leistungsfähige und qualitativ hochwertige Solarzellen, die mit modernen Massenfertigungstechnologien wie der Drucktechnik hergestellt werden können. Ziel des auf knapp drei Jahre angelegten Projekt ist es, neue Verfahren unter Verwendung schadstofffreier Ausgangsstoffe und Lösungsmittel zu entwickeln. Dabei gilt es, Nanotechnologie und Drucktechnik auf neuartige Weise miteinander zu kombinieren, unter umweltverträglichen Gesichtspunkten zu optimieren und das Kosteneinsparungspotential aufzuzeigen. Es wird auf die geringstmögliche Belastung bei der Herstellung, Verarbeitung, beim Einsatz und auch bei der Entsorgung und Rückgewinnung der verwendeten Materialien geachtet.

Das Hauptziel des vom Bayerischen Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz bewilligten Projekts ist die Entwicklung von druckbaren Silizium-Schichten aus Nanopartikeln. Hierzu werden Tinten entwickelt, die Silizium-Nanopartikel enthalten und sich zur Herstellung von Halbleiterschichten eignen. Die Umwelt wird durch die Vermeidung flüchtiger toxischer Lösungsmittel und die Senkung der Prozesstemperaturen geschont. Die erzeugten nanokristallinen Silizium-Schichten werden zu Aggregaten aus kleinen Kristallen verbunden. Die Verwendung der Drucktechnik in Kombination mit Nanotechnologie eröffnet zudem neue Anwendungsfelder.

Das ZAE Bayern in Erlangen unter der Leitung von Prof. Dr. Brabec besitzt umfangreiche Kenntnisse in der Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung von dünnen kristallinen Solarzellen und organischen Solarzellen. Dieses Forschungsgebiet wurde in den vergangenen Jahren um das der gedruckten Photovoltaik erweitert.

Ergebnisse

Voraussetzung für die künftige Nutzung der ökologischen und ressourcenschonenden Solarenergie sind leistungsfähige und qualitativ hochwertige Solarzellen, die mit modernen Massenfertigungstechnologien wie der Drucktechnik hergestellt werden können. So war das Hauptziel dieses Projekts die Entwicklung von druckbaren Silizium-Schichten aus Nanopartikeln, die das Potenzial besitzen, in der Photovoltaik und Elektronik Anwendung zu finden.

Kennzeichnend für das Projekt war, dass bei der Herstellung von Si-Schichten zur Materialauswahl neben den ausschließlich physikalisch-chemischen Eigenschaften auch umweltorientierte Kriterien berücksichtigt wurden. Die Verwendung der Drucktechnik ermöglicht eine großflächige Aufbringung von Silizium und ist schneller als die bisher eingesetzten Zieh- oder Beschichtungsverfahren. Der Einsatz von Nanopartikeln zur Herstellung von Halbleiterschichten soll es ermöglichen, die Prozesstemperaturen zu senken.

Abbildung: REM-Aufnahme einer gesinterten Silizium-Nanopartikel-Schicht

Mit der Entwicklung einer druckbaren Si-Nanopartikel-Dispersion auf Basis eines umweltverträglichen Lösungsmittels wurde der Grundstein für die weiteren Projektziele gelegt. Eine umfassende Evaluierung in Kombination mit experimentellen Untersuchungen zeigte, dass eine Dispersion auf Basis von Ethanol neben sehr guter Umweltverträglichkeit hervorragende Beschichtungsergebnisse liefert. Mit Hilfe dieser Dispersionen war es möglich, mit verschiedenen Beschichtungsverfahren homogene und rissfreie Nanopartikel-Schichten herzustellen. Das Filmziehverfahren, dessen Anforderungen an die Dispersionen dem großtechnischen Schlitzdüsenverfahren ähnlich sind, lieferte dabei die besten Ergebnisse hinsichtlich Schichtdicke, Homogenität und Defekte. Die getrockneten Nanopartikel-Schichten konnten erfolgreich zu dichten Schichten versintert werden. Mit der Entwicklung einer zeitgleichen Dotierung des Siliziums während des Sinterns wurde eine Voraussetzung für die Verwendung der Schichten in Elektronik und Photovoltaik bei gleichzeitiger Einsparung eines zusätzlichen Prozessschrittes erfüllt. Teilergebnisse wurden mit dem Patent "Verfahren zum Entfernen einer Oxidschicht bei Silizium-Nanopartikeln" unter dem amtlichen Aktenzeichen DE 10 2016 216 125.3 angemeldet.

Der Schlussbericht (PDF) ist auf der Homepage der ZAE Bayern veröffentlicht.

Dieses Projekt wurde von der Europäischen Union aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung und vom Bayerischen Staatsministerium für Umwelt und Gesundheit kofinanziert.

Weitere Informationen

Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V., ZAE Bayern
Abt. 3 „Thermosensorik und Photovoltaik“
Prof. Dr. C. J. Brabec
Haberstraße 2a, 91058 Erlangen
Tel.: 09131-9398-100, Fax: 09131-9398-199
www.zae-bayern.de