Bei Solarzellen erst am Anfang

„Der Laser ist schon heute ein unverzichtbares Werkzeug bei der Produktion von Solarzellen“, sagte Christof Siebert vom Branchenmanagement Photovoltaik der Trumpf Laser- und Systemtechnik, Ditzingen, auf dem Workshop ‚Laser in der Photovoltaik’ des Bayern Photonics e.V. am 17. März 2010 in Nürnberg. Die Hersteller setzen Laser derzeit in erster Linie zum Randentschichten sowie Strukturieren – auch Patterning oder Scribing genannt – von Solarzellen ein. Und trotz seines Siegeszuges in die Produktionshallen der Photovoltaikindustrie steht der Laser erst am Anfang seiner Möglichkeiten, betonte Siebert. Denn höchste Zellwirkungsgrade lassen sich nur mit sehr genauer und feiner Strukturierung der Oberflächen erreichen. Der Laser ist dafür prädestiniert – und im Vergleich zu alternativen Prozessen deutlich effizienter: Er erhöht die Durchsatzraten und verringert damit die Produktionskosten.

Bereits heute hat sich das Werkzeug Licht bei der Bearbeitung von Solarzellen aus amorphem Silizium (a-Si) oder Cadmiumtellurid (CdTe) fest etabliert. Die transparenten leitfähigen Oxidschichten (TCO) werden in der Regel mit Lasern infraroter Wellenlänge abgetragen. „Dafür bietet Trumpf mit der TruMicro Serie 3000 kleine, kompakte Geräte, die mit den Wellenlängen von 1064 und 532 Nanometer ideal zum Patterning P1, P2 und P3 sind“, so Siebert. Die diodengepumpten Festkörperlaser liefern dank ihrer hohen Puls-zu-Puls-Stabilität nicht nur sehr gute Prozessergebnisse. Sie können auch auf Grund ihres Kühlkonzeptes mit geringem Aufwand direkt in vorhandene Anlagen integriert werden.

Das Patterning von Dünnschichtzellen aus Cu(In,Ga)(S,Se)2 – abgekürzt CI(G)S – stellt besonders hohe Anforderungen an den Laserprozess. Dies gilt vor allem für die Strukturierung von Molybdän. Hier werden derzeit noch Nanosekundenlaser eingesetzt. „Doch die weit besseren Ergebnisse liefern Pikosekundenlaser. Durch ihre ultrakurzen Pulse tragen sie das Material ab, ohne dass die Randzone des Prozesses nennenswert erwärmt wird“, betonte Siebert. Risse, Schmelze oder eine Ablösung der Schichten lassen sich so verhindern.“ Auch für diese Aufgaben hat Trumpf mit seiner TruMicro Serie 5000 entsprechende Pikosekundenlaser im Programm.

Um Dünnschichtsolarmodule vor äußeren Einflüssen – insbesondere vor Feuchtigkeit – zu schützen, wird das Schichtsystem am Rand auf einer Breite von etwa einem Zentimeter entfernt, mit einer Folie laminiert und damit abgedeckt. Dazu setzt die Photovoltaikindustrie derzeit noch überwiegend Sandstrahlverfahren ein. „Das sehr viel bessere Verfahren ist aber der Laser“, erklärte Siebert. Denn mit Abtrag­raten von 50 cm2 pro Sekunde und mehr arbeitet der Laser deutlich schneller – und mit besserer Qualität. Prädestiniert für diese Applikation ist der TruMicro 7050, der große Formate zuverlässig und sicher bearbeiten kann. Der Mikrobearbeitungslaser erzeugt Pulse mit einer Dauer von 30 Nanosekunden bei einer Pulsenergie von 80 Millijoule. „Der TruMicro 7050 mit seinen kurzen Pulsen mit hoher Pulsenergie ermöglicht Anwendern, das Schichtsystem sauber und hochproduktiv abzutragen, ohne dabei das Glas zu beschädigen“, erläuterte Siebert.

Auch beim selektiven Abtragen passivierender Schichten bei kristallinen Solarzellen bieten sich dem Laser in Zukunft weitere Einsatzgebiete. Besonders gut geeignet sind Laser, die ultrakurze Pulse bei hohen Pulsenergien ermöglichen und gleichzeitig eine hohe Strahlqualität haben. „Voraussetzungen, die derzeit nur die Scheibenlasertechnologie erfüllt“, betonte Siebert. Die einfache Skalierbarkeit bei der Laserleistung ermöglicht einen höheren Durchsatz in der Produktion, die hohe Strahlqualität und die ultrakurzen Pulse verbessern die Effizienz der Solarzelle. „Damit wird es möglich, die Kosten pro Watt Solarzellenleistung in Zukunft deutlich zu senken“, ist Siebert überzeugt.

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