Multiskalenbasierte thermomechanische Bruchanalyse polykristalliner Siliziumschalen in Photovoltaikmodulen durch einen kombinierten Phasenfeld – Kontinuumsschädigungsansatz.

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Laura De Lorenzis; Professor Dr.-Ing. Raimund Rolfes
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 400853899

Der weltweit steigende Energiebedarf sowie die ökologischen und ökonomischen Vorteile sind drei der wesentlichen Gründe für die steigende Anzahl an installierten Photovoltaik(PV)-Anlagen in den letzten Jahren. Die dominierende Technologie auf diesem Gebiet sind Photovoltaikmodule aus spröden, polykristallinem Silizium. Risse im Silizium haben dabei entscheidenden Einfluss auf die elektrische Effizienz des PV-Moduls. Vor diesem Hintergrund bedarf es beim thermomechanischen Entwurf von PV-Modulen zwangsläufig eines tieferen Verständnisses der möglichen Schädigungsprozesse innerhalb der polykristallinen Silizium Wafer (PSW). Ziel des Projektes ist eine effiziente und akkurate Beschreibung der thermo-mechanischen Schädigung auf der lokalen Ebene des PSW und der sich daraus ergebenden Spannungsumlagerungen auf der globalen Ebene des PV. Dazu wird ein kombinierter Ansatz aus lokalen Phasenfeldmodellen dadurch kalibrierten, globalen Strukturelementen mit Kontinuumsschädigungsansatz verfolgt. Die wesentlichsten Arbeitsschritte sind wie folgt: (i) Entwicklung eines neuartigen Phasenfeld-Modells zur Simulation von Sprödbrüchen unter Berücksichtigung von Anisotropie-Effekten, (ii) Abbildung von aus der Produktion resultierenden Eigenspannungen in PSWs (Cofiring, Flattening und Lötprozess) in einem numerischen Modell, (iii) Entwicklung eines geometrisch nichtlinearen Continuum-Shell-Elements für das anisotrope Phasenfeld-Modell, (iv) Entwicklung eines Strukturelements für eine das PSW und Einbettung umfassende Einheitszelle. Entwicklung und Kalibrierung eines geeigneten Degradationsmodelles der Einheitszelle. (v) Validierung der rein mechanischen Modelle anhand von experimentellen Untersuchungen, (vi) Berücksichtigung der thermomechanischen Kopplung im Phasenfeld und Kontinuumsschädigungsansatz, (vii) Verifizierung anhand von in der Literatur dokumentierten Benchmark-Beispielen. Die genannten Bearbeitungsschritte werden in enger Zusammenarbeit zwischen dem ISD und dem IAM durchgeführt, welche ihre auf diesem Themenfeld bestehende Expertise in vollem Umfang zur Verfügung stellen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz