Schlussbericht: MoQa - PV-Module aus Perowskit-Silizium Tandemsolarzellen

Abstract

Das Teilvorhaben des Fraunhofer ISE im Verbundprojekt MoQa adressierte die industrielle Modulintegration von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen auf Basis der Q.ANTUM-Technologie von Qcells. Ziel war die Entwicklung von Verschaltungs-, Laminations- und Charakterisierungsprozessen, die mit der hohen Temperatur- und Feuchteempfindlichkeit der Tandemzellen kompatibel sind und auf industrienahe Modulformate übertragbar bleiben. Aufgrund der frühen Phase der industriellen Tandemzell-Fertigung wurde das Projekt im Verlauf methodisch neu ausgerichtet. Die Entwicklung und Absicherung von Prozessen erfolgte zunächst an Silizium-Bottom-Zellen, Dummys und Ersatzsystemen. Im Rahmen einer kostenneutralen Laufzeitverlängerung konnten die entwickelten Prozesse schließlich erfolgreich auf echte Perowskit-Silizium-Tandemzellen übertragen werden. Im Bereich der Verschaltung wurden zwei Niedertemperatur-Routen verfolgt: elektrisch leitfähige Klebstoffe (ECA) und Niedertemperaturlöten auf SnBi-Basis. Für die ECA-Verschaltung konnten geeignete Materialsysteme identifiziert, Aushärtefenster unterhalb von 140 °C bestimmt und funktionsfähige Strings hergestellt werden. Für das Niedertemperaturlöten wurden Prozessfenster, thermische Randbedingungen und kritische Grenzflächen systematisch untersucht; insbesondere die Kombination aus FEM-Modellierung, Temperaturmessung und mikrostruktureller Analyse lieferte eine belastbare Grundlage für die Prozessübertragung. Eine techno-ökonomische Bewertung zeigt, dass die ECA-Route etwa 4 % oberhalb der Lötvariante liegt. Als dominanter Kostenhebel wurde die Stringer-Taktzeit identifiziert: Eine Verlängerung von 2 s auf 20 s steigert die Modulkosten um rund 43 %, während eine Variation der Laminationszeit nahezu kostenneutral bleibt. Ergänzend wurden in AP 6 Moduldesign- und Einkapselungskonzepte entwickelt. Das CrossFox-Layout zeigte in Simulationen Vorteile bei partieller Verschattung. Für die Lamination wurden die Grenzen konventioneller POE-Materialien unter Niedertemperaturbedingungen aufgezeigt und Butyl-Randversiegelungen zur Reduktion lateraler Feuchtediffusion untersucht. In AP 7 wurden zudem Methoden zur Zuverlässigkeitsbewertung weiterentwickelt, darunter Prüfabläufe für UV-Stabilität, gravimetrische Untersuchungen zur Feuchtediffusion und FEM-gestützte Analysen thermomechanischer Belastungen. Insgesamt hat das Vorhaben wesentliche Voraussetzungen für die industrielle Prozessentwicklung geschaffen und deren Übertragbarkeit auf reale Tandemzellen demonstriert. In einem gemeinsamen Validierungsversuch mit Qcells wurden am Fraunhofer ISE 60-Zellen-Vollformatmodule aus Perowskit-Silizium-Tandemzellen aufgebaut, die eine Leistung von 524 W erreichten und damit das Projektziel von > 500 W übertrafen. Das Projekt lieferte qualifizierte Niedertemperatur-Prozessfenster, industrienahe Test- und Charakterisierungsmethoden sowie den experimentellen Nachweis der Modulintegration im industriellen Vollformat.