«Der Laser als industrielles Werkzeug ist eine Schlüsseltechnologie in der Photovoltaikindustrie», sagte Jürgen Stollhof, Applikationsexperte für Laser in der Photovoltaik bei Trumpf Inc., Farmington, USA. In seinem Vortrag auf der Messe Intersolar North Amerika, Mitte Juli 2010 in San Francisco, unterstrich er, dass neue Lasertechnologien unter anderem mit ultrakurzen Pulsen neue Fertigungsverfahren ermöglichen. 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, da er die Durchsatzraten erhöht und damit die Produktionskosten verringert», so Stollhof.
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», erklärte Stollhof. Damit können Zell- und Modulspannungen, abhängig von der Zellbreite, eingestellt werden. Die Bearbeitung der transparenten leitenden Oxide (TCO) erfolgt in der Regel mit Lasern infraroter Wellenlänge. Bei typischen Vorschubraten ergeben sich Wiederholraten von über 100 KHz. 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», so Stollhof. 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 auch 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 Stollhof. Risse, Schmelze oder eine Ablösung der Schichten lassen sich so 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. Unter den heute erhältlichen Pikosekundenlasern mit bis zu 50 W Ausgangsleistung verfügt der TruMicro 5000 über das beste Preis-Leistungs-Verhältnis und die geringsten Betriebskosten.
Randentschichten: Laser ersetzt Sandstrahlverfahren
Um Dünnschichtsolarmodule vor äusseren Einflüssen, insbesondere vor Feuchtigkeit, zu schützen, wird das Schichtsystem am Rand auf einer Breite von etwa 1 cm entfernt, mit einer Folie laminiert und damit abgedeckt. Dazu setzt die Photovoltaikindustrie heutzutage noch überwiegend Sandstrahlverfahren ein. Das sehr viel bessere Verfahren sei aber der Laser ist Stollhof überzeugt. 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 W.
Kristalline Solarzellen: Laser verringert Kosten
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 nur die Scheibenlasertechnologie erfüllt», meinte 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.
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