Solarindustrie: Hoher Kostenvorteil durch Einsatz des richtigen LasersFür die Produktion sensibler elektronischer Bauteile wie Solarzellen sind berührungslose und materialselektive Laserprozesse von zentraler Bedeutung. Das Werkzeug Licht kann für die kristalline und die Dünnschicht Photovoltaik den entscheidenden Schritt zu höheren Effizienzen und geringeren Herstellungskosten ermöglichen. Mit diesem Ziel entwickelt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT robuste, industrietaugliche Verfahren zur hochauflösenden Strukturierung dünner Schichten sowie maschinentechnische Komponenten für hohen Durchsatz.
Eine konkurrenzfähige Prozesstechnik für die Produktion von elektronischen Komponenten erfordert hohe Geschwindigkeiten, geringe Strukturgrößen und die Anwendbarkeit auf große Formate. In der organischen Elektronik erlaubt strukturiertes Drucken bei hohen Geschwindigkeiten derzeit Strukturgrößen bis zirka 10 Mikrometern. Eine wesentlich höhere Auflösung und Produktivität lässt sich mit der Strukturierung durch Laser erreichen. Hier kommt es besonders darauf an, denjenigen Laser auszuwählen, der optimal für die Erfordernisse der individuellen Anwendung geeignet ist.
„Die meisten Unternehmen in der Solarindustrie wissen gar nicht, wie viel Zeit und Kosten sie durch den Einsatz des richtigen Lasers bei der Herstellung von Dünnschicht- Solarmodulen oder kristallinen Solarzellen sparen können“, erklärt Dr. Malte Schulz-Ruthenberg, Projektleiter am Fraunhofer ILT. „Zum Beispiel erfordert die Erzeugung komplexer Strukturen für die Realisierung von elektronischen Schaltungen bei hohen Flächenraten völlig andere Ansätze zur Strahlführung und –formung als das Hochrate-Bohren für Rückkontakt-Solarzellen.“
Am Fraunhofer ILT verfolgen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daher in mehreren Projekten unterschiedliche Ansätze zur Verbesserung der Prozesseffizienz. Dazu gehört unter anderem die Möglichkeit der Mehrfachstrahlteilung durch Verwendung von diffraktiv-optischen Elementen, die den Durchsatz einer Produktionsanlage drastisch erhöhen können. Die Entwicklung eines Polygonscanners wiederum erlaubt die zweidimensionale Strukturierung dünner Schichten mit extrem hohen Geschwindigkeiten von einigen hundert Metern pro Sekunde.
Einen Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten am Fraunhofer ILT bildet neben der Maschinentechnik die Weiterentwicklung von Strukturierungsprozessen für Dünnschicht-Solarmodule. Diese erfordern eine Serienverschaltung kleiner Zellstreifen, damit die Stromdichten reduziert werden können, was wiederum elektrische Verluste innerhalb des Moduls verringert. Was vielfach noch durch mechanisches Ritzen erzielt wird, kann mittels Laserstrahlung schneller und sauberer erreicht werden.
Die Herausforderung für die ILT-Forscherinnen und -Forscher besteht nun darin, die zwischen einigen Nanometern und wenigen Mikrometern dünnen Schichten leitender, halbleitender oder isolierender Materialien in Ihrer Funktionalität nicht zu beeinträchtigen. Denn aufgrund der sehr geringen Schichtdicken können bei der Bearbeitung beispielsweise Rückstände des abgetragenen Materials oder thermische Schädigung benachbarter Bereiche zur Degradierung der Schicht führen und somit das gesamte Solarmodul seiner Funktion beraubt werden.
Die Laserstrukturierungsprozesse müssen deswegen an die unterschiedlichen Eigenschaften jeder Einzelschicht individuell angepasst werden. Der Einsatz von Ultrakurzpulslasern ermöglicht hierbei physikalische Prozesse, welche mit größeren Pulsdauern nicht möglich sind. Dadurch eröffnen sich neue Prozessfenster und neue industrietaugliche Prozesse werden realisierbar.
Im Projekt Flexlas, gefördert durch die Europäische Kommission und das Land Nordrhein-Westfalen, wird am Fraunhofer ILT ein Laserstrukturierungsverfahren für organische Solarzellen auf flexiblen Foliensubstraten entwickelt. Dieser Art von Solarmodulen gilt als kostengünstiges und zukunftsweisendes Produkt im Bereich der Solarenergie Künftig sind Textilien oder Handtaschen mit biegsamen Solarzellen denkbar, an denen sich ein Mobiltelefon aufladen lässt. Die in Aachen entwickelten Laserstrukturierungsprozesse lassen sich auch auf weitere Produkte mit Mehrschichtsystemen anwenden wie Bildschirme für Smartphones oder flache Beleuchtungselemente.
In Forschung und Entwicklung wird derzeit an einer Vielzahl von Laserprozessen für die Herstellung von kristallinen Solarzellen gearbeitet. So lassen sich zum Beispiel mit einem am Fraunhofer ILT entwickelten Verfahren 10.000 Bohrungen pro Sekunde und mehr in Siliziumwafern erzeugen. Dünne Passivierungsschichten lassen sich nahezu ohne Beeinflussung der elektrischen Funktionalität entfernen und laserbasierte Modulherstellung ermöglicht Lötzeiten von unter einer Sekunde durch innovative Strahlformungsoptiken.
Hier kann der Einsatz der richtigen Strahlquelle den Produktionsprozess erheblich verbessern. ILT-Forscher erproben derzeit eine Vielzahl von Strahlquellen, um möglichst große Parameterbereiche in Bezug auf Pulsdauer, Wellenlänge, prozessangepasste Strahlverteilung usw. abzudecken und laserinduzierte Schädigungen zu minimieren.
Des Weiteren arbeiten die Aachener Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an neuartigen Ansätzen zur Produktion von Hocheffizienzzellen. Für die Erzeugung einer reflexionsmindernden Textur, welche die maximale Ausnutzung des Sonnenlichts unterstützt, wird hier ein abtragsfreier Laserprozess mit einem nachträglichen Ätzschritt kombiniert, um die laserinduzierte Materialschädigung auf ein Minimum zu reduzieren und die Prozessgeschwindigkeit zu maximieren. Dies trägt wiederum zu einer signifikanten Reduktion der Produktionskosten bei.
Auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand Halle 3/G22 der European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, kurz EU PVSEC, in Frankfurt vom 24. - 28. September 2012 präsentiert das Fraunhofer ILT dem Fachpublikum den Demonstrator dieses Polygonscanners. In Kombination mit modernen Strahlquellen mit hohen Repetitionsraten kann er den Durchsatz in der Produktion signifikant erhöhen. Der Polygonscanner lässt sich sowohl für die Bearbeitung von Dünnschicht-Solarmodulen als auch von kristallinen Solarzellen einsetzen.
Quelle: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT