Photovoltaik: Mit Lasertechnik zu höherer Effizienz und Produktivität

06.03.2009: Die Photovoltaik, also die direkte Stromgewinnung aus Sonnenlicht, erfreut sich in einigen europäischen Ländern großer Beliebtheit, vor allem wegen der günstigen Einspeisetarife. Prognosen der European Photovoltaic Industry Association (EPIA) gehen von einer Verzehnfachung der gesamten installierten Leistung bis 2017 aus, und dies obwohl der Solarstrom heutzutage noch deutlich teurer ist als konventionell gewonnener Strom. Die sogenannte "Grid-Parity", der Zeitpunkt an dem Solarstrom und Haushaltsstrom gleich teuer werden, ist für Deutschland für die Mitte des nächsten Jahrzehnts vorausgesagt. Die hohen Stromkosten entfallen jeweils etwa zu einem Drittel auf die Materialkosten und die Herstellungskosten von Solarzellen. Dabei spielt auch die geringe Effizienz gängiger Solarzellen eine Rolle, die je nach Typ zwischen 6 und 16 % liegt. Wird diese erhöht, so benötigt man weniger Zellen für die gleiche elektrische Leistung.

Die Herstellung günstiger zu machen bei gleichzeitiger Steigerung der Zelleffizienz ist Ziel des neuen Forschungs- und Entwicklungsprojekts "Next Generation Solar Cell and Module Laser Processing Systems" ("Solarzellen-Laserbearbeitungs-Systeme der nächsten Generation", kurz SOLASYS), welches von der Europäischen Union im 7. Rahmenprogramm im Themenbereich Energie gefördert wird. Das finanzielle Volumen des Verbundprojekts beträgt insgesamt 6 Mio €, davon sind 3,5 Mio € Förderung der EU. Das Projekt startete am 1. September 2008 und läuft 36 Monate.

An SOLASYS ist ein Konsortium bestehend aus zehn Unternehmen und Instituten beteiligt. Dies sind Hersteller und Entwickler von Lasersystemen (Trumpf Laser GmbH und Laserline GmbH aus Deutschland) und von Maschinen (Manz Automation GmbH aus Deutschland), Forschungsinstitute (CNRS-LP3 aus Frankreich und IMEC aus Belgien), Produzenten von Solarzellen und Solarmodulen (BP Solar aus Spanien, Solland Solar aus den Niederlanden und Energy Solutions aus Bulgarien) und ein Hersteller von Strahlführungssystemen (Scanlab AG aus Deutschland). Die Leitung übernimmt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik.

Laser bieten als Werkzeug zur Materialbearbeitung zahlreiche Vorteile, z. B. Berührungslosigkeit der Bearbeitung, kontrollierter Energieeintrag, hohe Geschwindigkeit und Präzision. Im Herstellungsprozess von Solarzellen werden Laser trotzdem nur sporadisch eingesetzt, etwa zur Isolation von negativem und positivem Pol der Zelle. SOLASYS zielt auf die Verbesserung aktueller Verfahren und die Integration neuer Prozesse in die industrielle Produktion ab. Dabei geht es konkret um fünf Prozesse: Hochgeschwindigkeitsbohren von mikroskopisch kleinen Durchführungen, Entfernen von dünnen Beschichtungen ohne Beschädigung des Substrats, Laserlöten der Zellverbindungen, Laserisolation von Vorder- und Rückseite sowie laserselektives Dotieren.

Am Beispiel des Laserbohrens lässt sich zeigen, wie SOLASYS die Herstellungskosten für Silizium-Solarzellen senken wird. Im "Metal-Wrap-Through"-Konzept werden die metallischen Kontakte der Zellenvorderseite durch Bohrungen mit dem Durchmesser eines menschlichen Haares auf die Rückseite geführt. Dabei ist es erforderlich, bis zu 100 Bohrungen in unter einer Sekunde herzustellen. Ziel dieses Verfahrens ist die Verringerung der Abschattung durch Kontakte auf der Vorderseite zur Erhöhung der Effizienz der Zellen und die Vereinfachung der Zellkontaktierung, da die beiden elektrischen Pole auf der Rückseite liegen.

Die Verbindung mehrerer Zellen zu einem Modul soll in Zukunft ebenfalls mit Lasern geschehen. Das Laserlöten erlaubt eine exakte Kontrolle der Löttemperatur und dadurch gezielte Verfahrensoptimierungen. Weicht die Temperatur an der Solarzelle vom Soll-Wert ab, so kann die Laserleistung nachgeregelt werden, was gleichzeitig Lötstellen hoher Qualität und eine geringe thermische Belastung der Zelle ermöglicht.

Mit den in SOLASYS erarbeiteten Methoden wird es möglich sein, auch für moderne, komplexere Zellkonzepte Prozesszeiten von einer Sekunde pro Zelle zu erreichen. Zu diesem Zweck werden Demonstrationslinien aufgebaut, welche die industrielle Machbarkeit der Laserbearbeitung zeigen werden. Von den Arbeiten in SOLASYS werden sowohl etablierte als auch neuartige Solarzellenkonzepte profitieren. Ziele sind in beiden Fällen die Erhöhung des Durchsatzes, die Reduzierung des Ausschusses und die Verbesserung der Effizienz der Solarzellen.

Die ersten Ergebnisse werden auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand auf der LASER 2009 in München vom 15. bis 18. Juni 2009 vorgestellt.