Individualisierte, flexible Dünnschicht-Solarzellen schon ab Losgröße eins wirtschaftlich herstellen: Eine verkettete Rolle-zu-Rolle-Fertigungsanlage soll das einer österreichischen Firma ermöglichen. Dafür hat ein Forschungsteam vom Fraunhofer IPA eine spezielle Inkjet-Druckstation entwickelt und integriert.
Wer sein Gepäck bei einer Wanderung oder einer Radtour auf das Allernötigste beschränken möchte, kann ab sofort auch die Powerbank zuhause lassen. Möglich machen das Solar-Rucksäcke oder -Umhängetaschen mit eingenähter Dünnschicht-Photovoltaikfolie. Diese tragbaren Solarzellen sind federleicht, hauchdünn und genauso biegsam wie der Stoff. Sie bestehen aus mehreren miteinander verschalteten Schichten, die jeweils nur wenige Nanometer dick sind, und werden von der Sunplugged – Solare Energiesysteme GmbH hergestellt.
Das Unternehmen aus dem Tiroler Ort Wildermieming produziert seine flexiblen Dünnschicht-Photovoltaikfolien (CIGS) speziell nach Kundenanforderung wirtschaftlich – auch in Losgröße eins. Form, Größe und generierte Spannung sind frei konfigurierbar. So sind geometrisch komplexe Formen der Solarzelle genauso möglich wie Modulspannungen zwischen zwei und 20 Volt.
Die von Sunplugged entwickelte Rolle-zu-Rolle-Fertigungsanlage besteht aus mehreren hintereinander geschalteten Bearbeitungsstationen: Nach dem Abwickeln der speziell beschichteten Folie wird diese durch einen Kurzpulslaser an einer ersten Station strukturiert. Es werden etwa 30 Mikrometer feine Linien abgetragen. Sie sind nötig, um die einzelnen Schichten der Folie anschließend miteinander verschalten zu können.
Für die Realisierung der Verschaltung hat Sunplugged mit einem Forschungsteam vom Zentrum für additive Produktion am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA kooperiert. Eine entsprechend auszulegende Prozessstation der Rolle-zu-Rolle-Anlage soll mittels Inkjet-Druck ein isolierendes Materialsystem mikrometergenau in die abgetragenen Gräben der Folie aufbringen. Danach durchläuft die Folie weitere für die Verschaltung notwendige Fertigungsschritte und wird am Ende passgenau zugeschnitten.
Das Team um Jan Christoph Janhsen, Leiter der Gruppe Additive Fertigungsverfahren für Photopolymere am Fraunhofer IPA, hat die Inkjet-Druckstation für den Projektpartner aus Österreich geplant und ausgelegt. Die Station wurde in der Folge am Fraunhofer IPA in Stuttgart aufgebaut und im Anschluss als Bestandteil der bestehenden Rolle-zu-Rolle-Produktionsumgebung in Österreich erfolgreich in Betrieb genommen. Die Unterstützung vor Ort war für die Forscherinnen und Forscher aus Stuttgart pandemiebedingt nur eingeschränkt möglich. Via VPN-Verbindung und Remotesitzungen war die Inbetriebnahme jedoch problemlos möglich.
Noch sind die einzelnen Bearbeitungsstationen nicht perfekt aufeinander abgestimmt. Im nächsten Schritt möchte das Forschungsteam die Prozessstabilität der Inkjet-Druckstation erhöhen. »Dazu wollen wir Algorithmen und Druck-Prozessstrategien entwickeln, die es ermöglichen Form- und Lageabweichungen der strukturierten Linien auf der Folie zu erkennen und für den Druckprozess zu kompensieren«, erklärt Janhsen. So sollen Fehlfunktionen der Solarzelle vermieden werden, die auf eine defekte Verschaltung der Zellbereiche zurückzuführen sind.
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA