Fraunhofer-Institut: Laser machen Solarzellen fit
Solarstrom hat Zukunft, nur der Preis stimmt noch nicht: Ohne Subventionen kann er nicht mit konventionell erzeugtem Haushaltsstrom konkurrieren. Die Lasertechnik kann dazu beitragen, Herstellungskosten und Effizienz von Solarzellen zu optimieren.
Am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) entwickelt ein Team von Forschern Technologien, mit denen sich Solarzellen schneller, besser und billiger fertigen lassen sollen. Laser arbeiten schnell, präzise und berührungsfrei und sind damit ein ideales Werkzeug für die Fertigung der fragilen Solarzellen.
Tatsächlich werden Laser heute schon in der Produktion eingesetzt, die Prozesse lassen sich jedoch noch deutlich optimieren. Neben der schrittweisen Verbesserung der Fertigungstechnik erarbeiten die Forscher zusammen mit den Entwicklern von Solarzellen neue Konstruktions- und Designvarianten. Beispielsweise lassen sich Siliziumzellen mit Lasern extrem schnell durchlöchern: Mehr als 3000 Bohrungen erzeugt die Laseranlage des ILT innerhalb einer Sekunde.
Weil sich die Laserquelle nicht so schnell bewegen lässt, haben die Forscher eine Konstruktion aus Spiegeln entwickelt, um den Lichtstrahl auf die gewünschten Punkte zu leiten und zu fokussieren. Sie experimentieren mit unterschiedlichen Laserquellen und Optiken. Erklärtes Ziel ist es, die Leistung auf 10.000 Löcher pro Sekunde zu steigern.
Diese Geschwindigkeit ist notwendig, um innerhalb der Taktzeit der Produktionsmaschinen einen Wafer mit 10.000 bis 20.000 Löchern zu versehen. Die winzigen Löcher im Wafer im Durchmesser von 50 μm eröffnen den Solarzellenentwicklern ganz neue Möglichkeiten. Die elektrischen Kontakte, die bisher auf der Oberseite der Zellen angeordnet waren, lassen sich dadurch auf die Rückseite verlagern. Das hat den Vorteil, dass die Elektroden, die bisher als dunkles Gitter Licht absorbieren, verschwinden – die Energieausbeute steigt.
Ziel ist ein Wirkungsgrad von 25 Prozent bei industriell gefertigten EWTZellen (Emitter Wrap Through), die ein Drittel mehr als klassische Siliziumzellen leisten. Eines Tages lassen sich mit dieser Technik möglicherweise Solarzellen aus ungereinigtem, »schmutzigem« Silizium fertigen, die zwar schlechtere elektrische Eigenschaften haben, aber billiger sind.
Das Durchlöchern von Siliziumzellen ist nur eine von vielen Laseranwendungen in der Solarzellenfertigung. Im Rahmen des EU-Projekts »Solasys« (Next Generation Solar Cell and Module Laser Processing Systems) arbeiten die Forscher am ILT an neuen Verfahren, die das Dotieren der Halbleiter, das Bohren und die Oberflächenstrukturierung von Silizium, die Kantenisolierung der Zellen und das Verlöten der Module wirtschaftlicher machen sollen.
Durch »selektives Laserlöten« beispielsweise lassen sich Ausschussrate und Qualität der Kontaktierungen verbessern und damit die Herstellungspreise senken. Bisher werden die Elektroden mechanisch auf die Zellen aufgedrückt und dann im Ofen erhitzt. Dabei zerbrechen immer wieder Siliziumzellen, und Bruch ist ein Hauptkostenfaktor bei der Produktion. Beim selektiven Laserlöten hingegen werden die Kontakte durch Druckluft auf die Zellen gepresst und dann mithilfe eines Lasers verlötet.
Die mechanische Belastung geht gegen Null, die Temperatur lässt sich exakt regeln. Das Ergebnis: optimale Kontakte und kaum Ausschuss. Auch die Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen lässt sich mit Lasertechnik optimieren. Noch haben die hauchdünnen Schichtpakete aus halbleitendem Oxid, amorphem Silizium und Metall, die auf Glasplatten aufgedampft werden, einen kleinen Marktanteil. Dieser könnte höher sein, denn Dünnschicht-Solarzellen lassen sich überall einsetzen, wo undurchsichtige Glasverkleidungen angebracht werden können – beispielsweise an Hausfassaden oder Schallschutzwänden. Doch die Wirkungsgrade sind mit 5 Prozent bis 8 Prozent vergleichsweise niedrig und die Produktionskosten hoch. Letzteres wollen die Laserforscher ändern.
Bisher verwenden die Hersteller mechanische Verfahren oder
Festkörperlaser im Nanosekundenbereich, um die aktiven Schichten auf den Glasplatten zu strukturieren. Um elektrische Verbindungen zwischen Halbleiter und Metall zu erzeugen, müssen Gräben von nur wenigen Mikrometern Breite gezogen werden. Mit einem 400-W-Ultrakurzpulslaser lassen sich Dünnschicht-Solarmodule zehnmal schneller bearbeiten als mit konventionellen diodengepumpten Festkörperlasern.
Der Ultrakurzpulslaser eignet sich besonders für den Abtrag dünner Schichten, denn er arbeitet sehr genau, erwärmt das Material nicht und braucht mit 80 MHz Pulsfrequenz nicht einmal zwei Minuten, um eine Glasscheibe von 2 m x 3 m Größe zu bearbeiten. Allerdings erfordert diese Technik zunächst noch die Entwicklung von Hochleistungs-Scansystemen und prozessangepassten Optiken. Mittelfristig sollen sich mit dieser Technik jedoch die Produktionskosten senken lassen.
