Lasersystem verbessert Herstellung hauchdünner Solarmodule

Eine Allianz für Innovation in der Photovoltaik erforscht neue Laserprozesse für die Herstellung von CIS-Solarmodulen mit höherer Effizienz bei niedrigeren Herstellungskosten. CIS-Module sind besonders dünne Bauteile.

Der entscheidende Schlüssel für den wirtschaftlichen Erfolg einzelner Unternehmen aus der Photovoltaikbranche, wie auch für den Erfolg der Technologie insgesamt liegt in der Effizienz der Solarmodule, kombiniert mit ihren Herstellkosten in Euro pro Watt. Die zentrale Herausforderung dabei sind höhere Moduleffizienzen bei gleichzeitig nochmals deutlich reduzierten Produktionskosten.

Aktuell besitzen sowohl kristalline als auch Dünnschicht-Technologien weiterhin großes Innovationspotential auf allen Stufen der Wertschöpfungskette. Insbesondere die Potentiale in der CIS-Dünnschichttechnologie werden hierbei als besonders groß angesehen. CIS steht dabei für Kupfer-Indium-Diselenid, das als dünne, aktive Schicht in den CIS-Solarzellen für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom sorgt.
Mit der im Jahr 2010 gestarteten „Innovationsallianz Photovoltaik“ will die Bundesregierung die Anpassungsprozesse in der PV-Branche begleiten und dazu beitragen, die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Photovoltaikindustrie mittel- und langfristig zu sichern und auszubauen.

Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbundprojekt „Tailored for Next PV – T4nPV“ hat als Teil der Innovationsallianz das Ziel, den Spagat zwischen Effizienzsteigerung und Kostensenkung der CIS-Technologie zu verkleinern. Zu diesem Zweck sollen neue Lasertechniken für die integrierte Verschaltung in CIS-Dünnschichtmodulen erarbeitet werden, welche eine deutlich präzisere und günstigere Massenfertigung als heute erlauben.

Als zentraler Bestandteil dieser Module werden zur Wandlung des Sonnenlichts in Strom mehrere nur wenige mikrometerdünne Schichten benötigt. Die Schichten werden in einigen Schritten übereinander auf Glasscheiben abgeschieden. Zwischen den einzelnen Abscheidungsschritten werden dabei Trenngräben eingebracht, welche die Schichten in einzelne Zellen aufteilen und diese integriert in Serie verschalten. Diese integrierte Serienverschaltung ermöglicht so eine hohe Modulspannung bei kleinem Modulstrom und reduziert dadurch die Widerstandsverluste. Da die Verschaltungsgräben jedoch die aktive Fläche des Moduls verringern, erlauben nur extrem schmale und optimal zueinander ausgerichtete Trennschnitte eine Maximierung der Moduleffizienz.

Heute werden zur Verschaltung mechanisch abtragende und damit auch verschleißende Werkzeuge verwendet, welche sehr breite und unregelmäßige Trenngräben erzeugen. Diese mechanischen Werkzeuge sollen durch einen schnellen, berührungs- und damit verschleißfreien Laser ersetzt werden, der gleichzeitig eine deutliche Reduktion der Verschaltungsbreiten ermöglicht. Dadurch kann die Moduleffizienz signifikant gesteigert werden. Die hierfür geplanten Forschungsarbeiten erfordern einen ganzheitlichen Ansatz, der die Grundlagen des Laserprozesses, die notwendigen Systemkomponenten und speziell angepasste Laserstrahlquellen umfasst.

Für siliziumbasierte Dünnschichttechnologien sind Laserprozesse zur Verschaltung bereits entwickelt. Das Dünnschichtmaterial CIS kann jedoch heute noch nicht zufriedenstellend mit dem Laser strukturiert werden. Eine der Herausforderungen liegt im Schichtaufbau begründet: Da die erste Schicht nicht lichtdurchlässig ist, muss bei CIS der zweite und dritte Strukturierungsschritt von der Schichtseite her erfolgen. Hier ermöglichen erst neue Lasersysteme mit kürzeren Pulsen ein selektives Abtragen der dünnen Schichten ohne Schädigung der darunter liegenden Strukturen.

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