Was vor rund 15 Jahren in einem Leipziger Forschungsinstitut als Laborversuch startete, stellt inzwischen einen Durchbruch in der nachhaltigen Nutzung sauberer Solarenergie dar: Dünnschichtsolarmodule, die auf einer Kunststofffolie hergestellt sind. Hersteller können sie so nicht nur in einem kostengünstigen Rolle-zu-Rolle-Prozess produzieren, sondern auch in der Anwendung ergeben sich neue Optionen.
Die Dünnschichttechnologie basiert auf der ionenstrahlgestützten Abscheidung von Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) auf einem Polymersubstrat. Der Rolle-zu-Rolle-Prozess ist günstiger, benötigt weniger Energie, minimiert Materialverbräuche und ist dabei sehr effizient. Das Verfahren wurde patentiert und veranlasste die Leipziger Forscher im Jahre 2000 zur Gründung der Solarion AG.
Leichtgewichte helfen beim Kostensparen
Mittlerweile ist die Serienproduktion angelaufen und das Unternehmen fertigt komplett neuartige glasfreie Photovoltaikmodule. Die flexiblen Module eignen sich insbesondere zur direkten Applikation auf Bedachungsmaterialien wie beispielsweise Bleche oder Dachfolien. Dadurch kann man auf zusätzliche Aufständerungen verzichten – dies bedeutet deutliche Kosteneinsparungen bei Materialeinsatz und Montage. Mit den leichtgewichtigen Modulen lassen sich Solarstromanlagen auch auf solchen Dächern realisieren, die bisher wegen statischen Einschränkungen nicht dafür geeignet waren.
Vom Labormassstab zur Serienfertigung
Die ionenstrahlgestützte Deposition eignet sich sehr gut für die Herstellung dünner Schichten. Dazu werden Metalle verdampft und Gasmoleküle durch Ionenquellen dissoziiert und ionisiert und scheiden auf dem Substrat als aktive Schichten ab. Die Hersteller können die Mikrostruktur, die chemischen Eigenschaften sowie die Texturierung der Beschichtungen schon während des Herstellungsprozesses gezielt beeinflussen. Das Verfahren bewährte sich im Labormassstab. Die Herausforderung bestand darin, es auch grosstechnisch nutzbar zu machen.
Eine Schlüsselrolle kommt dabei den Stromversorgungen zu, welche die Heizer und Verdampfereinheiten speisen. Um qualitativ gute Schichten zu erhalten, müssen die elektrischen Parameter mit einer Auflösung von 14 Bit einstellbar sein, das entspricht einer Genauigkeit von einem 16-Tausendstel des Wertebereichs. Und nur, wenn die Langzeitstabilität mindestens 10-4 beträgt, kann das Verfahren dauerhaft und zuverlässig eine gute Ausbeute erbringen.
Bewährte Zusammenarbeit
Schon früh kamen die Leipziger Forscher mit dem Stromversorgungsspezialisten Schulz-Electronic in Kontakt. Das Unternehmen unterhält in Berlin eine Niederlassung und konnte von dort die Versuche mit der ionenstrahlgestützten Abscheidung aktiv begleiten. Eine verbesserte Vakuumanlage in der Pilotlinie zur Produktion der Solarzellen konnte Solarion bereits 2008 mit Stromversorgungsgeräten von Schulz-Electronic in Betrieb nehmen. Kurz zuvor hat der Hersteller die erste Anlagengeneration erfolgreich auf stabile DC-Netzteile umgerüstet.
Fertigungsprozess fordert hohe Zuverlässigkeit und viel Energie
Das Abscheidungsverfahren ist ein kontinuierlicher Fertigungsprozess, der grosse Anforderungen an die Zuverlässigkeit der eingesetzten Geräte stellt. Mit redundanten Verschaltungen sorgten die Ingenieure dafür, dass der Ausfall einer Stromversorgung nicht den Fertigungsprozess gefährdet. Trotzdem forderten sie, dass sie ein defektes Netzgerät im laufenden Betrieb austauschen können.
Auch wenn die Herstellung der Dünnschichtsolarmodule ressourcenschonender als die herkömmlicher Solarzellen ist, ist der Energiebedarf dennoch respektabel. Ein gros-ser Verdampfer wird mit rund 6 kW Heizleistung betrieben, ein mittlerer verlangt immerhin nach 2,5 kW Heizleistung.
Kniffliges Wärmemanagement mit grossen Wärmetauschern
Für 2012 plante Solarion den Schritt in die Serienfertigung. In Zwenkau bei Leipzig wurde eine 20-MW-Fabrik gebaut. Die hochmoderne Fertigung war in der zweiten Jahreshälfte 2012 voll leistungsfähig. Schulz-Electronic wurde mit der Konzeption und Lieferung der Stromversorgung für die Heizer und Verdampfer betraut. Als grosse Herausforderung stellten sich die Vorgaben zum Wärmemanagement heraus. Die Geräte sollten über wassergekühlte Wärmetauscher gekühlt werden. Allerdings stand den Stromversorgungsspezialisten nur Kühlwasser zu Verfügung, das bis zu 30°C warm ist. Die Netzteile bringen ihre volle Leistung ohne Derating bei bis zu rund 60°C. Das heisst, es stand nur ein Δt von 30 K zur Verfügung und die Wärmetauscher waren entsprechend grosszügig zu dimensionieren.
Störungsfreie und langlebige Netzteile
In den insgesamt 4 Doppel- und 2 Einzelracks sind Geräte der Hersteller Delta Elektronika und TDK-Lambda verbaut. Die erste Anlage ist mit 64 Netzteilen vom Typ SM 120-25d bestückt. Jedes der Geräte leistet 3000 W, ist kurzschlussfest und geschützt gegen Überlastbedingungen. Die Ausgangsspannung zeichnet sich durch sehr geringe Restwelligkeit aus bei einer Stabilität von besser als 0,01 Prozent. Der Wirkungsgrad der Netzteile liegt über 87 Prozent. Die Gesamtleistung der 3 Racks summiert sich auf über 190 kW.
In der zweiten Anlage kommen Netzteile der Genesys-Serie von TDK-Lambda mit einer Gesamtleistung von 330 kW zum Einsatz. Die Geräte sind sehr kompakt und übertreffen bezüglich Einstellgenauigkeit und Langzeitstabilität die Forderungen des Betreibers. Geräte der Genesys-Serie werden daher auch häufig für Halbleiterprozesse und Burn-ins verwendet. Die Geräte beider Hersteller sind für lange störungsfreie Lebensdauern ausgelegt. Die MTBF der Genesys-Serie beispielsweise liegt bei circa 40 000 Stunden.
Ansteuerung der Geräte über Profibus
Solarion hatte die Steuerung der Geräte per Profibus geplant. Da es für einige Geräte kein integriertes Profibus-Interface gab, setzt der Hersteller für jeweils zwei bzw. vier Stromversorgungen einen Profibus-RS 232-Umsetzer ein. Die Techniker können die Umsetzer selbst konfigurieren und programmieren. Die Stromversorgungen kann man relativ einfach einzeln vom Bussystem abkoppeln und austauschen; danach wird die physische und logische Verbindung zur neuen Stromversorgung wiederhergestellt.
Schlüsselfertiges Komplettsystem inklusive Service
Schulz-Electronic lieferte dem Kunden ein komplettes schlüsselfertiges Stromversorgungssystem nach seinen Anforderungen für die Heizer und Verdampfer in der Beschichtungsanlage. Die Racks sind fachgerecht mit Stromversorgungen, Wärmetauscher und kompletter AC-Verdrahtung samt Absicherung bestückt. Alle Geräte sind über Profibus-Befehle erreichbar. Ausserdem erhielt Sola-rion eine kompetente Beratung bezüglich des Wärmemanagements in den Racks und eine umfassende Inbetriebnahme samt Einweisung. Auch die Ersatzteilversorgung haben die Stromversorgungsspezialisten ganz im Sinne des Kunden organisiert. In Anspruch nehmen musste er diesen Service bislang noch nicht.
Infoservice
Schulz-Electronic GmbH
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Tel. 061 712 26 00, Fax 061 712 26 01
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