Der Laser macht Solarenergie effizienter

Sie bohren, trennen, strukturieren und löten — Laser erfüllen in der Fertigung von Solarzellen und -modulen vielfältige Aufgaben. Damit sind sie auch dort zu einer Schlüsseltechnik geworden, um die Herstellkosten zu reduzieren und den Wirkungsgrad zu steigern.

Laser-Forschungsprojekte für die Solarindustrie

Die Erreichung dieser beiden Ziele verfolgt auch das vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT koordinierte Forschungs- und Entwicklungsprojekt Solasys (Next Generation Solar Cell and Module Laser Processing Systems). Das von der Europäischen Union mit 6 Mio. Euro geförderte Projekt startete am 1. September 2008 und läuft 36 Monate.

Ein Konsortium bestehend aus zehn Unternehmen und Instituten ist an Solasys beteiligt. „Wir arbeiten an neuen Verfahren, die das Dotieren der Halbleiter, das Bohren und die Oberflächenstrukturierung von Silizium sowie das Verlöten der Module wirtschaftlicher machen“, erklärt Projekt-Koordinator Dr. Arnold Gillner, Leiter der Abteilung Mikrotechnik am ILT. Erreicht werden sollen so Prozesszeiten von einer Sekunde pro Zelle.

Laser bietet zahlreiche Vorteile

Der Laser bietet als Werkzeug für die Materialbearbeitung zahlreiche Vorteile wie die Berührungslosigkeit der Bearbeitung, den kontrollierten Energieeintrag, die hohe Geschwindigkeit und die Genauigkeit. Das Verbundprojekt Solasys zielt auf die Verbesserung aktueller Verfahren und die Integration neuer Prozesse in die industrielle Produktion ab. Dabei geht es konkret um fünf Prozesse:

-Hochgeschwindigkeitsbohren von mikroskopisch kleinen Durchführungen,

-Entfernen von dünnen Beschichtungen ohne Beschädigung des Substrats,

-Laserlöten der Zellverbindungen,

-Laserisolation von Vorder- und Rückseite sowie

-laserselektives Dotieren.

Das Laserbohren ermöglicht beispielsweise einen Wirkungsgrad von etwa 20% bei sogenannten Emitter-wrap-through-Zellen, ein Drittel mehr als bei klassischen Siliziumzellen. Bei diesem Konzept werden die metallischen Kontakte der Zellenvorderseite durch Bohrungen mit dem Durchmesser eines menschlichen Haares auf die Rückseite geführt.

Damit wird das Ziel verfolgt, die Abschattung durch die Kontakte auf der Vorderseite zu verringern und die Effizienz der Zellen zu erhöhen. Zudem vereinfacht sich die Zellkontaktierung, weil die beiden elektrischen Pole auf der Rückseite liegen.

Je schneller die Löcher gebohrt werden können, desto besser. Eine Versuchsanlage beim ILT schafft bereits 3000 Bohrungen pro Sekunde. Sie hat eine Spiegelkonstruktion, die den Laserstrahl auf die gewünschten Punkte fokussiert, ohne dass die Lichtquelle bewegt werden muss. „Wir experimentieren mit unterschiedlichen Laserquellen und Optiken“, berichtet Gillner. „Unser Ziel ist es, die Leistung auf 10000 bis 20000 Löcher pro Sekunde zu steigern.“

Thermische Belastung der Zellen reduzieren

Für die Verbindung mehrerer Zellen zu einem Modul kommt das Laserlöten zum Einsatz. Die Solarzellen werden hintereinandergereiht und durch kleine metallische Bändchen zum sogenannten Stringer miteinander verbunden. Das Lötzinn, in das das Bändchen gehüllt ist, wird aufgeschmolzen, indem man mit dem Laserstrahl über das vorverzinnte Bändchen scannt.

Eine Infrarot-Wärmekamera misst die Temperatur des Siliziums und des Bändchens in Echtzeit über die abgegebene Wärmestrahlung. Ist die Temperatur zu hoch oder zu niedrig, passt ein Regelkreis die Leistung des Lasers innerhalb einiger Millisekunden automatisch an. So wird laut ILT die thermische Belastung der Zelle reduziert und eine hohe Qualität der Lötstelle gewährleistet.

Laserschweißen soll Solarzellen schneller und zuverlässiger verbinden

In Zukunft wollen die Forscher die Solarzellen noch schneller und zuverlässiger miteinander verbinden: mit dem Laserschweißen. „Im Unterschied zum Löten schmilzt man dabei nicht das Lötzinn, sondern das Bändchen selbst an“, sagt Abteilungsleiter Gillner.

Dafür muss es weiter erhitzt werden als beim Löten, aber nur für sehr kurze Zeit. „Daher wird trotz der höheren Temperatur weniger Energie auf die Materialien übertragen und es entstehen noch weniger thermisch bedingte Defekte“, erklärt der Experte.

Reis Robotics hat Anlagen zum Laserlöten realisiert

Bereits einige Anlagen zum Laserstrahllöten realisiert hat Reis Robotics. Mit einem neu entwickelten Laserlötverfahren will das Unternehmen die Qualität weiter steigern, die Zykluszeiten verkürzen und die manuelle Nacharbeit verringern.

Dabei erfolgt durch den konzentrierten Eintrag der Wärme das Verlöten der Quer- mit den Zell-Verbindern direkt auf dem Layup, bestehend aus Glas und EVA-Folie. Ein mehrfaches Handeln der Strings im Vorprozess wird so vermieden.

Als weiteren Vorteil nennt das Unternehmen die integrierte Prozesskontrolle. Sie überwacht die einzelnen Lötungen und mittels Datenübertragung können diese einzeln in einer Datenbank für die spätere Dokumentation und Qualitätskontrolle gesichert werden. Ebenfalls werden Fehllötungen auf einem Monitor am nachgeschalteten Arbeitsplatz direkt angezeigt, so dass ein Werker diese gleich erkennt und dann manuell nachlöten kann.

Laser mit ultrakurzen Pulsen zum Abtragen

Neue Fertigungsverfahren ermöglichen Laser mit ultrakurzen Pulsen, mit denen Material ohne nennenswerte Erwärmung abgetragen werden kann. Die anwendungsorientierten Mikrobearbeitungslaser der Tru-Micro-Baureihe bietet Trumpf mit einer mittleren Leistung zwischen 8 und 750 W und Pulsdauern vom Piko- bis in den Mikrosekundenbereich an.

Ein Applikationsbeispiel ist das Randentschichten. Um Solarmodule vor Korrosion zu schützen, wird das Schichtsystem am Rand auf einer Breite von etwa 1 cm entfernt und in der Regel laminiert.

Der Tru-Micro 7050 kann solche Formate im Produktionstakt zuverlässig und sicher bearbeiten. Er erzeugt Pulse mit einer Dauer von 30 ns bei einer mittleren Leistung von 750 W.

Trumpf sieht Laser als Schlüsseltechnologie für die Solartechnik

Bei Trumpf beurteilt man den Einsatz von Lasern in der Photovoltaikindustrie mittlerweile als eine Schlüsseltechnologie. „Wir rechnen in den nächsten Jahren mit einem dreistelligen Wachstum bei Lasern in der Photovoltaikproduktion“, urteilt Dr. Kurt Mann, Leiter des internationalen Vertriebs für Laserstrahlquellen bei Trumpf Laser.

Das Werkzeug Laser arbeite schnell, präzise, berührungsfrei, energie- und kosteneffizient und trage damit entscheidend zur Senkung der Produktionskosten bei. „Deshalb sind unser Engagement und Portfolio für die Photovoltaikbranche in den letzten Jahren stark gewachsen“, so Mann weiter. „Entsprechend breit ist unser Angebot, mit dem wir die Anstrengungen unterstützen, Solarzellen und Module kostengünstiger und mit höherem Wirkungsgrad für den sich weiter entwickelnden Massenmarkt zu produzieren.“