Belastungs- und Zuverlässigkeitsuntersuchungen im Verbundprojekt: Entwicklung und Untersuchung der Beschichtung von Folienbändern mit Kontakten, Barrieren und Solarzellen - (Akronym: Flexsol) : Abschlussbericht ; Laufzeit: 01.10.2012-30.09.2015

Abstract

Silizium basierte Dünnschichtsolarzellen auf flexiblen Substraten sind eine vielversprechende Alternative für zukünftige Photovoltaikanwendungen. Sie können in großen Stückzahlen im Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf großen Flächen und unter Verwendung von sehr kostengünstigen Polymersubstraten und bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden. Das Ziel des Teilvorhabens „Belastungs- und Zuverlässigkeitsuntersuchungen“ waren experimentelle und theoretische Untersuchungen zum statischen bzw. dynamischen Belastungsverhalten von relevanten, flexiblen Schicht-Substratfolie-Verbunden bzw. Solarzellen-Substratfolie-Verbunden bei Raumtemperatur sowie bei erhöhten, prozessrelevanten Temperaturen bis 140°C. Ein Arbeitsschwerpunkt waren dabei zyklische Biegebelastungsexperimente unter Verwendung einer unikalen, im Projektverlauf entwickelten Biegeapparatur, um die kritischen Biegeparameter (kritische Zyklenzahl bis zum Ausfall durch Rissbildung, kritische Biegeradien und Temperatur- bzw. Dehnungsobergrenzen) und damit Lebensdauern solcher Schicht-Substratfolie-Verbunde abschätzen zu können. Wichtige, das thermo-mechanische Verhalten des Verbundes bestimmende Dünnschichteigenschaften, wie die Schichtmorpho-logie, der Elastizitätsmodul, die intrinsischen Schichtspannungen sowie die Schichtlastspannungen wurden für Einzelschichten der Materialien a-Si:H, InSnOx (ITO) und ZnSnOx (ZTO) sowie für Mehrlagensysteme der Dünnschichtsolarzelle auf flexiblen Polyethylenterephathalat (PET)-Substratfolien umfassend untersucht und in Abhängigkeit der bei der Herstellung verwendeten Prozessparameter und Schichtparameter (Schichtdicke, Material etc.) diskutiert. Des weiteren wurden das statische und zyklische Belastungsverhalten (einachsige Zugbelastung, Biegebelastung) relevanter Schicht-Substratfolie-Verbunde sowie von kompletten Solarzellen untersucht. Damit konnte ein signifikanter Beitrag zum Verständnis des Verhaltens und der Performance von flexiblen Einzelschicht- bzw. Schichtstapel-Substratfolie-Verbunde und der kompletter Solarzellverbunde unter thermisch-mechanischer Belastung für Anwendungen beispielsweise auf gekrümmten Oberflächen geleistet werden. Diese Erkenntnisse sind von herausragender Bedeutung für flexible Dünnschichtsolarzellen auf Polymersubstraten und waren aus der Literatur bislang nicht bekannt. Darüber hinaus flossen die Ergebnisse des Teilprojekts ein in die Arbeiten der Projektpartner des Verbundprojekts beispielsweise in Form der Formulierung kritischen Prozessparameter (z.B. kritische Vorspannkraft, kritische Biegeradien, Art der Folieneinspannung und Folienführung) und die Anlagendimensionierung für den Rolle-zu-Rolle-Herstellungsprozesses. Silicon based thin film solar cells on flexible substrates are a promising alternatives for future photovoltaic applications. They can be produced at low temperatures and in large quantities on low-cost large area polymer substrates using a roll-to-roll technology. The main goal of the subproject “Investigations of the behavior and reliability under mechanical load” were experimental and theoretical investigations of the behavior of flexible composites under static and dynamic mechanical load. The performance of relevant flexible thin film-polymer substrate-composites as well as solar cell- polymer substrate-composites was studied at room temperature and at elevated temperatures up to 140°C that are relevant for the deposition of solar cells. A major part of the work focused on cyclic bending load experiments using a novel and unique test device for the determination of critical bending parameter (critical number of cycles until failure by crack initiation, critical bending radii, maximum temperature load and pre-strain) and for the estimation of the lifetime of such film-polymer substrate-composites. Important thin film properties that determine the thermo-mechanical behavior, e.g. the film morphology, the Young’s modulus, the intrinsic film stress and film stress under load were studied for single films and multilayers of a-Si:H, InSnOx (ITO) und ZnSnOx (ZTO) on flexible Polyethylenterephathalate (PET) substrates. The results were discussed with respect to the process parameters during deposition and thin film parameters (film thickness, material etc.). Furthermore, the behavior under static and dynamic load (uniaxial tensile load and bending load) was investigated for relevant film-substrate-composites and for the whole solar cell stack. The results of these investigations significantly contribute to the understanding of the behavior and the performance of flexible thin film solar cell composites under thermo-mechanical load for the application, e.g. on curved surfaces. As similar works are not known from literature, the findings are of particular relevance for flexible thin film solar cells on polymer substrates. Apart from this, the results of the sub project, e.g. the formulation of critical process parameters (critical pre-strain, critical bending radius, manner of tape guidance) significantly contributed to the research and development of the other project partners, for example the design of a roll-to-roll-deposition tool.