Innovative Prozesskette zur Herstellung von Druckwalzen mit Sub-µm-Oberflächenstrukturierung für die effizientere Solarenergieumwandlung und Produktion grünen Wasserstoffs
Laufzeit: 3.5.2024 - 30.4.2027
Um erneuerbare Energien künftig im großen Maßstab nutzen zu können, muss die Erzeugung und Nutzung von Solarenergie weiter optimiert werden. Dies umfasst sowohl die Herstellung einzelner Komponenten als auch deren effizienten Betrieb.
Hier setzt das Projekt Roll2Sol an, das sich auf zwei zentrale Anwendungsfelder der entwickelten Technologien konzentriert: die Steigerung der Effizienz der Wasserstoffproduktion aus Ammoniak durch verbesserte photokatalytische Beschichtungen sowie die Entwicklung schmutzabweisender Folien und selbstreinigender Beschichtungen zur langfristigen Erhaltung der Leistungsfähigkeit von Solarkollektoren.
Anti-Soiling-Strukturen auf schmutzabweisenden Folien für Solarmodule
Die Verschmutzung von Solarzellen führt derzeit zu erheblichen wirtschaftlichen Einbußen, die auf etwa fünf bis sieben Milliarden Dollar pro Jahr geschätzt werden. Anti-Soiling-Strukturen verhindern das Anhaften von Wasser, Staub und Schmutz auf der Oberfläche von Solarkollektoren.
Eine Besonderheit der im Roll2Sol-Projekt untersuchten selbstklebenden Folien ist ihre spezielle Oberflächenstruktur, die aus Elementen im Submikrometerbereich besteht, das heißt, sie müssen kleiner als ein Mikrometer (μm) sein. Das ultimative Ziel sind 0,5 μm, was etwa 100-mal dünner ist als ein menschliches Haar. Der innovative Aspekt des Projekts liegt in dem Vorschlag, Roll-to-Roll-Druckwalzentechnologie zu verwenden, um solche kleinen Strukturen auf Polymerfolien zu bilden, die anschließend auf Solarmodule übertragen werden können. Diese Methode minimiert die Kosten für die Herstellung strukturierter Folien im Vergleich zu alternativen Technologien erheblich.
Innovative Prozesskette zur Mikro- und Nanostrukturierung von Druckwalzen
Das Projekt-Konsortium hat sich zum Ziel gesetzt, eine innovative Prozesskette zur Mikro- und Nanostrukturierung von Druckwalzen zu entwickeln. Dabei wird eine Technik verwendet, die einen neu zu entwickelnden Laser einsetzt und anschließend das Material mit Plasma entsprechend ätzt. Dadurch sollen kleinere Strukturfeatures von unter 0,5 µm, mit einer Oberflächenrauheit (Ra) kleiner als 50 Nanometer (nm) und steilere Kantenwinkel als bei üblichen Laser-Verfahren erzeugt werden. Die so hergestellten Druckwalzen können in der Produktion von funktionalen nanostrukturierten Endlosfolien eingesetzt werden.
Im Konsortium arbeiten Forschungsinstitute und Unternehmen eng zusammen, um die dafür notwendige Forschung und Entwicklung voranzutreiben. Die Hauptziele und Vorgehensweisen umfassen:
optimale Prozessketten zur Werkzeugstrukturierung identifizieren,
neuen fs-Laser mit 258 nm Wellenlänge entwickeln,
eine Multistrahloptik entwickeln,
entwickelte Multistrahloptik in die Zylinderstrukturierungsanlage integrieren,
neue UV-Lacke entwickeln,
auf den Lack angepasste Nanoimprintmodule entwickeln,
eine NIL-R2R-Anlage einrichten,
die Prozesse zur Folienherstellung entwickeln und
die hergestellten Folien in Feldversuchen und im Labor validieren.
Das Institut für Solarforschung im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) übernimmt in Roll2Sol drei Aufgabengebiete. Das DLR ist für die Entwicklung von schmutzabweisenden Folien mitverantwortlich. Es befasst sich mit der Auswahl der Folienmaterialien sowie der geometrischen Form ihrer Oberflächenstruktur, um optimale Antireflex- und Anti-Soiling Eigenschaften der Oberflächen von Photovoltaikmodulen zu gewährleisten. Außerdem wird die Möglichkeit geprüft, die antistatischen Eigenschaften der Folien zu verbessern, um die Anziehung von Staubpartikeln zu verringern.
Beispiele für getestete Oberflächentexturierungen im Außenprüfstand
Zudem wurden Lichttransmission und Benetzung von Wassertropfen untersucht. Die Proben wurden von den Partnern des Roll2Sol-Projekts (https://roll2sol.de/) hergestellt.
Das DLR untersucht zunächst, wie viel Strahlung die produzierten Anti-Soiling-Strukturen durchlassen und wie viel Oberfläche bei Kontakt mit Flüssigkeitstropfen benetzt wird. Anschließend führt das Projektteam mit den Proben verschiedene Alterungstests in Klimakammern und der eigens entwickelten Sandsturmkammer durch, die mit Feldexposition von Wüstenstandorten in Marokko einhergeht. Die Alterung wird über die zuvor erfassten Werte vergleichbar sowie über die Schmutzanhaftung in der beschleunigten Bestaubungskammer ermittelt.
Tests der Anti-Soiling-Folien in Spanien
Parallel zu den Labortests werden die Anti-Soiling-Folien auf der Plataforma Solar de Almería (PSA), Spanien, exponiert (Eigentümer der PSA ist das spanische Forschungszentrum CIEMAT). Dort wird die Schmutzablagerung unter relevanten Einsatzbedingungen im Wüstenumfeld gemessen. Das Unternehmen Phytonics wird das Aufbringen der Anti-Soiling-Schicht auf sechs Probegläser typischer PV-Modulgröße vornehmen. Die exponierten Proben werden in zweiwöchigem Abstand im Labor optisch vermessen und mit unbeschichteten Referenzproben verglichen, um so den Performancegewinn der Anti-Soiling-Schicht zu qualifizieren.
Roll2Sol hat mit den verschiedenen Projektbeteiligten aus Nordrhein-Westfalen das übergeordnete Ziel eine vollständige Wertschöpfungskette im Bundesland zu etablieren. Unter dem Förderprogramm Industrie kooperieren die Schepers GmbH & Co. KG aus Vreden, das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT aus Aachen, die EdgeWave GmbH aus Würselen, Coatema Coating Machinery GmbH aus Dormagen, die Polyscale GmbH & Co. KG aus Aachen, die Gesellschaft für Angewandte Mikro- und Optoelektronik mbH (AMO GmbH) aus Aachen sowie die Phytonics GmbH aus Karlsruhe (assoziiert) mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Jülich.
