Trumpf »Der Laser ist eine Schlüsseltechnologie in der Photovoltaikindustrie«

Der Pikosekundenlaser »TruMicro Serie 5000« trägt durch die ultrakurzen Pulse das Material ab, ohne dass die Randzone des Prozesses nennenswert erwärmt wird.

Neue Lasertechnologien – beispielsweise der Einsatz von ultrakurzen Pulsen – ermöglichen neue Fertigungsverfahren für die PV-Industrie, 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, weil er die Durchsatzraten erhöht und damit die Produktionskosten verringert «, erklärt Jürgen Stollhof, Applikationsexperte für Laser in der Photovoltaik bei Trumpf.

Laser für die Bearbeitung von Dünnschichtsolarzellen

In der Produktion von Solarmodulen aus amorphem Silizium (aSi) oder Cadmiumtellurid (CdTe) werden leitfähige und photoaktive Beschichtungen großflächig auf ein Substrat, beispielsweise Glas, aufgebracht. »Nach jeder Beschichtung unterteilt der Laser die Fläche so, dass die erzeugten Zellen automatisch durch die Prozessreihenfolge in Serie verschaltet werden«, so Stollhof. Damit lassen sich Zell- und Modulspannungen, abhängig von der Zellbreite, einstellen. Die Bearbeitung der transparenten leitenden Oxide erfolgt in der Regel mit Lasern infraroter Wellenlänge. Bei typischen Vorschubraten ergeben sich Wiederholraten von über 100 Kilohertz. Ein optimierter Puls-zu-Puls-Überlapp gewährleistet eine saubere Reinigung der Spur und minimiert das Risiko für Hitzeschäden. »Kleine, kompakte Geräte wie die Laser der TruMicro Serie 3000, sind mit ihren Wellenlängen von 1064 und 532 Nanometern ideal zum Patterning P1, P2 und P3«, betont der Experte. Die diodengepumpten Festkörperlaser liefern dank ihrer hohen Puls-zu-Puls-Stabilität nicht nur sehr gute Prozessergebnisse. Sie lasse sich auch auf Grund ihres Kühlkonzeptes mit geringem Aufwand direkt in vorhandene Anlagen integrieren.

Das Patterning von Dünnschichtzellen aus Cu(In,Ga)(S,Se)2 – abgekürzt CI(G)S – stellt besonders hohe Anforderungen an den Laserprozess. Dies gilt auch für die Strukturierung von Molybdän. Hier werden derzeit noch Nanosekundenlaser eingesetzt. Doch die weit besseren Ergebnisse liefern nach Ansicht von Stollhof Pikosekundenlaser: »Durch ihre ultrakurzen Pulse tragen sie das Material ab, ohne dass die Randzone des Prozesses nennenswert erwärmt wird.« Risse, Schmelze oder eine Ablösung der Schichten lassen sich auf diese Weise verhindern. Trumpf bietet Pikosekundenlaser der TruMicro Serie 5000 mit Wellenlängen von 1030 Nanometern für die Strukturierung des Molybdäns sowie 515 Nanometern für die Bearbeitung des photoaktiven Materials und Patterning des Frontkontaktes an.

Randentschichten: Laser ersetzt Sandstrahlverfahren

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. »Auch hier ist das sehr viel bessere Verfahren der Laser«, erklärte Stollhof. 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 mittleren Leistung von 750 Watt.

Kristalline Solarzellen: Laser verringert Kosten pro Watt

Auch beim selektiven Abtragen passivierender Schichten bei kristallinen Solarzellen bieten sich dem Laser laut Stollhof in Zukunft weitere Einsatzgebiete. Besonders gut geeignet sind Laser, die ultrakurze Pulse bei hohen Pulsenergien ermöglichen und gleichzeitig eine hohe Strahlqualität haben. »Voraussetzungen, die nur die Scheibenlasertechnologie erfüllt«, meint Stollhof. 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«, so der Experte.