2017-3-1, Hengst, Claudia, Menzel, Siegfried B., Rane, Gayatri K., Smirnov, Vladimir, Wilken, Karen, Leszczynska, Barbara, Fischer, Dustin, Prager, Nicole

The behavior of bi- and trilayer coating systems for flexible a-Si:H based solar cells consisting of a barrier, an electrode, and an absorption layer is studied under mechanical load. First, the film morphology, stress, Young’s modulus, and crack onset strain (COS) were analyzed for single film coatings of various thickness on polyethylene terephthalate (PET) substrates. In order to demonstrate the role of the microstructure of a single film on the mechanical behavior of the whole multilayer coating, two sets of InSnOx (indium tin oxide, ITO) conductive coatings were prepared. Whereas a characteristic grain–subgrain structure was observed in ITO-1 films, grain growth was suppressed in ITO-2 films. ITO-1 bilayer coatings showed two-step failure under tensile load with cracks propagating along the ITO-1/a-Si:H-interface, whereas channeling cracks in comparable bi- and trilayers based on amorphous ITO-2 run through all constituent layers. A two-step failure is preferable from an application point of view, as it may lead to only a degradation of the performance instead of the ultimate failure of the device. Hence, the results demonstrate the importance of a fine-tuning of film microstructure not only for excellent electrical properties, but also for a high mechanical performance of flexible devices (e.g., a-Si:H based solar cells) during fabrication in a roll-to-roll process or under service.

2016, Menzel, Siegfried, Hengst, Claudia

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.