Sondermaschinenbau aus Berlin

25. Januar 2022 | Jonas & Redmann Group GmbH

Nächste Generation: Fertigungs- und Prozesstechnologien für Heterojunction-Solarzellen und Module für Industrie 4.0

Einblicke in das Forschungsprojekt der Jonas & Redmann Automationstechnik GmbH unter der Leitung von Bernhard Melzer und Sebastian Bartsch.

Immer weiter steigender Energiebedarf zwingt uns dazu, sich gezielt mit nachhaltigen Lösungen für eine umweltschonende Energiegewinnung auseinanderzusetzen. Neben Primärquellen wie Wind- und Wasserenergie bildet die Solarenergie eine der Hauptsäulen im Bereich der CO2-neutralen Energiegewinnung. Als Marktführer im Bereich Anlagenbau für die PV Industrie ist eine zuverlässige Lösung unter höchstem Qualitätsanspruch für Jonas & Redmann eine Selbstverständlichkeit. Derzeit wird der weltweite PV Markt von Modulen auf Basis kristalliner Siliziumtechnologie mit einem Marktanteil von nahezu 90% dominiert. Es ist bekannt, dass auch in Deutschland die Erzeugung mittels PV möglich ist. Die derzeit erzielbaren Stromgestehungskosten von 0.10 €/kWh – 0.16 €/kWh sind bereits heute realisiert, so dass die PV Industrie grundsätzlich attraktiv für einen weiteren Ausbau erscheint. Eine weitere Senkung der Stromgestehungskosten stellt die deutsche und europäische PV Industrie jedoch seit Jahren vor enorme Herausforderungen.

Um eine zukünftige Wettbewerbsfähigkeit zu gewährleisten, müssen nicht nur die Produktionskosten, sondern zusätzlich auch die Investitionskosten nachweislich reduziert werden. Nur so ist es der europäischen PV Industrie möglich, gegenüber der starken Konkurrenz aus Asien (Japan, Korea, China und Taiwan) zu bestehen.

Vor nunmehr rund drei Jahren hat Jonas & Redmann beschlossen, sich im Rahmen eines Forschungsprojektes mit innovativen Fertigungstechnologien und neuen Modulkonzepten auseinanderzusetzen, um eine zukunftsweisende Technologie innerhalb der PV Industrie zu etablieren, welche eine Reduzierung der Stromentstehungskosten gewährleistet.

Die Notwendigkeit der Projektrealisierung ergab sich für Jonas & Redmann bereits aus dem gesellschaftlichen Ziel heraus, unsere Energieversorgung bis zur Mitte dieses Jahrhunderts überwiegend durch erneuerbare Energien abzubilden. Um die dabei obligatorische Wirtschaftlichkeit sicherzustellen, ist es notwendig, die photovoltaisch erzeugten Stromgestehungskosten (LCOE) soweit zu senken, dass erneuerbare Energien mit Hilfe der Photovoltaik auf 5ct/kWh reduziert werden. Gleichzeitig strebt Jonas & Redmann mit dem Forschungsprojekt an, die Leistung der einzelnen Module wesentlich zu erhöhen und die Verlängerung der Lebensdauer zu erzielen. Ferner wird die Erzielung geringer Modulproduktionskosten (< 40ct/Wp) durch flexible, hochautomatisierte Verbund-Produktion in den Mittelpunkt des Forschungsprojektes gestellt.

Um diese Ziele zu erreichen, entwickelte Jonas & Redmann die PECVD- und PVD Maschinengeneration mit Waferdurchsatzraten > 4000 W/h unter gleichzeitiger Einbindung in Industrie 4.0 Konzepte.

Grundlage bildet die Anlagen- und Prozesstechnologie einer auf Siliziumwafern basierenden Heterojunction-Fertigungstechnologie, welche seine Attraktivität für eine langfristig zuverlässige Energieversorgung bereits unter Beweis stellen konnte. Im Vergleich zu etablierten Zellkonzepten ist die Wettbewerbsfähigkeit ohne eine Optimierung im Herstellungsprozess allerdings nicht gegeben. Damit wird deutlich, dass die größte Herausforderung dieser neuen Technologie ist, kostenseitig wettbewerbsfähig zu den etablierten Zellkonzepten zu bleiben. Dies muss sowohl über neuartige Herstellungsprozesse als auch neue Anlagenkonzepte gewährleistet werden.

Zur Umsetzung des Forschungsprojektes wurde durchgehend eng mit renommierten Projektpartnern kooperiert. Ohne diesen engen Austausch und gute Zusammenarbeit wären die Ergebnisse wohl nicht erzielt worden.

In dem nunmehr abgeschlossenen Projekt wurden die Zell- und Modulherstellung anwendungsnah in entlang der gesamten Wertschöpfungskette erforscht. Im Fokus des Forschungsprojektes stand die Entwicklung neuer Prozess- und Handhabungsplattformen mit erhöhter Produktivität zur Herstellung von bifazialen, auf klassischer Multi-Busbartechnologie basierenden Heterojunctionsolarzellen und –modulen. Unter Berücksichtigung des Industrie 4.0 Konzeptes gelang es Jonas & Redmann, das vorhandene MES System bzgl. der prädiktiven Prozesskontrolle konsequent zu erweitern. Darüber hinaus konnten mit einem neuen Werkstoff und einer alternativen Geometrie erfolgreich die Saugträger der Ausrichtstationen optimiert werden, so dass so gut wie keine Defekte mehr verursacht werden. Ein unerwartetes neues Phänomen, mit dem Jonas & Redmann mit dieser neuen industriellen Anlage zum ersten Mal konfrontiert wurde, waren auf den Wafern erkennbare Riemenabdrücke. Es stellt sich heraus, dass erhitzte Wafer hierfür die Ursache sind. Durch Designänderungen konnten diese Effekte minimiert werden.

Die Referenzzellen haben einen sehr hohen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 22,99 %. Im Vergleich dazu verursachte der zusätzliche Transport durch die J&R Anlage eine Degradation, die kleiner als 0,1 % abs. war. Dieses herausragende Ergebnis übertraf die ursprünglichen Erwartungen der Projektgruppe.

Nach Abschluss des Projektes sind sich Jonas & Redmann sowie alle Projektpartner einig: Die Forschungsergebnisse können maßgeblich zu der weiteren Entwicklung in der PV Industrie beitragen. Die Produktion von Heterojunction-Solarzellen profitiert enorm vom Effizienzgewinn durch von Jonas & Redmann entwickelten und untersuchten, innovativen Maßnahmen. Die Zusammenfassung des Abschlussberichts wurde durch das TIB Leibnitz-Informationszentrum veröffentlicht und kann hier eingesehen werden.