Letzte Aktualisierung: 13.09.2012

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Neue Laser verschaffen Solarindustrie Kostenvorteil

Neue Laser verschaffen Solarindustrie Kostenvorteil - hier: Laufender Prozess zum selektiven Abtrag einer Siliziumnitridschicht auf einem Siliziumwafer (Foto: Fraunhofer ILT, Aachen)

Neue Laser verschaffen Solarindustrie Kostenvorteil - hier: Laufender Prozess zum selektiven Abtrag einer Siliziumnitridschicht auf einem Siliziumwafer (Foto: Fraunhofer ILT, Aachen)

Für die Herstellung von Solarzellen sind Laser zur Strukturierung elektronischer Schaltungen von zentraler Bedeutung. Daher forscht das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT an neuen Laserprozessen, die zeit- und kostengünstig eingesetzt werden können. Für die Herstellung von kristalliner und Dünnschicht-Photovoltaik könnte dies den entscheidenden Schritt zu höheren Effizienzen und geringeren Herstellungskosten ermöglichen.

"Die meisten Unternehmen in der Solarindustrie wissen gar nicht, wie viel Zeit und Kosten sie durch den Einsatz des richtigen Lasers bei der Herstellung von Dünnschicht-Solarmodulen oder kristallinen Solarzellen sparen können", erklärt Dr. Malte Schulz-Ruthenberg, Projektleiter am Fraunhofer ILT. "Zum Beispiel erfordert die Erzeugung komplexer Strukturen für die Realisierung von elektronischen Schaltungen bei hohen Flächenraten völlig andere Ansätze zur Strahlführung und –formung als das Hochrate-Bohren für Rückkontakt-Solarzellen." Am Fraunhofer ILT verfolgen Wissenschaftler daher in mehreren Projekten unterschiedliche Ansätze zur Verbesserung der Prozesseffizienz. Dazu gehört unter anderem die Möglichkeit der Mehrfachstrahlteilung durch Verwendung von diffraktiv-optischen Elementen, die den Durchsatz einer Produktionsanlage drastisch erhöhen können. Die Entwicklung eines Polygonscanners wiederum erlaubt die zweidimensionale Strukturierung dünner Schichten mit extrem hohen Geschwindigkeiten von einigen hundert Metern pro Sekunde. In Kombination mit modernen Strahlquellen mit hohen Repetitionsraten kann er den Durchsatz in der Produktion signifikant erhöhen. Der Polygonscanner lässt sich sowohl für die Bearbeitung von Dünnschicht-Solarmodulen als auch von kristallinen Solarzellen einsetzen.

Einen Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten am Fraunhofer ILT bildet neben der Maschinentechnik die Weiterentwicklung von Strukturierungsprozessen für Dünnschicht-Solarmodule. Diese erfordern eine Serienverschaltung kleiner Zellstreifen, damit die Stromdichten reduziert werden können, was wiederum elektrische Verluste innerhalb des Moduls verringert. Was vielfach noch durch mechanisches Ritzen erzielt wird, kann mittels Laserstrahlung schneller und sauberer erreicht werden. Die Herausforderung für die ILT-Forscher besteht nun darin, die zwischen einigen Nanometern und wenigen Mikrometern dünnen Schichten leitender, halbleitender oder isolierender Materialien in Ihrer Funktionalität nicht zu beeinträchtigen. Denn aufgrund der sehr geringen Schichtdicken können bei der Bearbeitung beispielsweise Rückstände des abgetragenen Materials oder thermische Schädigung benachbarter Bereiche zur Degradierung der Schicht führen und somit das gesamte Solarmodul seiner Funktion beraubt werden. Die Laserstrukturierungsprozesse müssen deswegen an die unterschiedlichen Eigenschaften jeder Einzelschicht individuell angepasst werden. Der Einsatz von Ultrakurzpulslasern ermöglicht hierbei physikalische Prozesse, welche mit größeren Pulsdauern nicht möglich sind. Dadurch eröffnen sich neue Prozessfenster und neue industrietaugliche Prozesse werden realisierbar.

In Forschung und Entwicklung wird derzeit an einer Vielzahl von Laserprozessen für die Herstellung von kristallinen Solarzellen gearbeitet. So lassen sich zum Beispiel mit einem am Fraunhofer ILT entwickelten Verfahren 10.000 Bohrungen pro Sekunde und mehr in Siliziumwafern erzeugen. Dünne Passivierungsschichten lassen sich nahezu ohne Beeinflussung der elektrischen Funktionalität entfernen und laserbasierte Modulherstellung ermöglicht Lötzeiten von unter einer Sekunde durch innovative Strahlformungsoptiken. Hier kann der Einsatz der richtigen Strahlquelle den Produktionsprozess erheblich verbessern. ILT-Forscher erproben derzeit eine Vielzahl von Strahlquellen, um möglichst große Parameterbereiche in Bezug auf Pulsdauer, Wellenlänge, prozessangepasste Strahlverteilung usw. abzudecken und laserinduzierte Schädigungen zu minimieren.

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