Photovoltaik-Herstellungsverfahren werden besser, schneller und billiger; Fraunhofer-Forscher unterstützen das Geschäft mit der Sonne

Wissenschaftler der Fraunhofer-Gesellschaft entwickeln innovative Herstellungsverfahren, um das zu ändern. Vor allem Laser eröffnen in der Fertigung ganz neue Möglichkeiten.

Laserverfahren hoch im Kurs
"Die Lasertechnik ermöglicht kontaktloses, präzises und schnelles Bearbeiten", erklärt Dr. Malte Schulz-Ruhtenberg vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen den Hauptvorteil. So lassen sich bessere Solarzellen kostengünstiger produzieren.
Ein Beispiel ist das Hochrate-Laser-Bohren, welches sehr präzise und schnell kleine Löcher in Solarzellen erzeugt. Die Löcher schaffen die Voraussetzungen für einen Ansatz, der als »Emitter-Wrap-Through«, kurz EWT, bezeichnet wird.
Um noch höhere Geschwindigkeiten und damit höheren Durchsatz zu erzielen, können spezielle Polygon-Scanner eingesetzt werden. Bei diesen Laser-Scannern lenken rotierende Polygon-Spiegel extrem schnell aufeinanderfolgende Laserpulse gezielt ab und sind so in der Lage sehr schnell große Flächen zu bearbeiten.
»Das ist eine vielversprechende Technologie, die für viele Laserprozesse eingesetzt werden kann«, so Schulz-Ruhtenberg.

Genau und schonend fürs Material
Neben der Geschwindigkeit spielt auch die schonende Arbeitsweise der Laser eine große Rolle in der Solartechnik, denn die Zellen und Wafer, also die Grundelemente einer Zelle, sind empfindlich. Laserstrahlen sind aber so fein dosier- und kontrollierbar, dass die Zellen kaum belastet werden.
Deshalb nutzten die Fraunhofer-Forscher sie für fast alles: um zu bohren, zu schmelzen, zu schneiden oder auch zu löten. Zum Beispiel werden Ultrakurzpuls-Laser eingesetzt um Vorder- und Rückseite einer Solarzelle voneinander zu isolieren. Sie arbeiten schonender als andere Methoden, und das ist wichtig, denn ein großer Anteil der Kosten geht auf Schäden und Bruch in der Produktion zurück.

Roboter im Test
Schäden verursachen häufig auch die Handhabungsroboter, die in unterschiedlichen Varianten von allen Herstellern eingesetzt werden. Sie sollen möglichst schnell und genau arbeiten, aber ohne die empfindlichen Teile zu beschädigen – das senkt die Kosten. Am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart arbeiten Forscher daran, die automatisierte Handhabung von Wafern und Solarzellen zu verbessern.
»In unserem Test- und Demonstrationszentrum versuchen wir, die Handhabung und Automatisierung in der Photovoltaik nachzustellen und so zu optimieren«, erklärt Roland Wertz, der Verantwortliche beim IPA. Es dient dabei als Schnittstelle zwischen industrieller Fertigung und Forschungsdienstleistung im Bereich Automatisierungslösungen.So werden unter möglichst realen Bedingungen alle Einflüsse und Parameter registriert, die sich zum Beispiel auf die Genauigkeit und Geschwindigkeit verschiedener Greifsysteme auswirken.
Dabei hilft der Roboter ABB IRP 360, auch FlexPicker genannt, der auch am Fraunhofer-Stand ausgestellt wird. Er wird als Manipulator zusammen mit dem eigentlichen Greifer für Experimente genutzt. So analysieren und bewerten die Wissenschaftler Produkte unterschiedlicher Hersteller und mit verschiedenen Wirkprinzipien. Denn jede konkrete Anwendung hat eigene Anforderungen und verlangt damit nach eigener optimierter Handhabung.

Photovoltaik-Produktion und Materialverbrauch: Weniger ist mehr
Aber nicht nur in der Produktion wird gespart und optimiert, sondern auch beim Material. Nicht mehr als unbedingt nötig − das ist das Prinzip von Dünnschicht-Solarzellen. Sie bestehen meist aus einem preiswerten Träger, auf den das elektrisch aktive Material als ultradünne Schicht aufgebracht wird. Um Dünnschichtsolarzellen qualitativ hochwertig und dabei kostengünstig herstellen zu können, hat das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig verschiedene Verfahren für jeden einzelnen Produktionsschritt entwickelt.

Hot-Wire-CVD: produziert hochwertige Schichten auf schonende Weise
Die Halbleiterschichten, das Herz der Zelle, werden zum Beispiel mit dem Hot-Wire-CVD-Verfahren hergestellt.
»Der Vorteil gegenüber herkömmlichen Verfahren ist die schonende Form der Schichtherstellung«, erklärt Dr. Volker Sittinger vom IST. Bei herkömmlichen plasmaaktivierten CVD-Verfahren ist das Material während der Beschichtung dem Beschuss mit hoch energetischen Teilchen ausgesetzt. Anders bei der Hot-Wire-CVD: Dort werden die schichtbildenden Gase nicht in Plasma, sondern an heißen Drähten angeregt. So entstehen auf schonende Weise hochwertige Schichten. Außerdem lässt sich das für die Herstellung nötige Silangas besser nutzen. »Wir wandeln bei der Hot-Wire-CVD bis zu 90 Prozent der eingesetzten Gase in Schichtmaterial um und erreichen dadurch auch höhere Beschichtungsraten als bei herkömmlichen Prozessen«, sagt Sittinger.

Dreidimensional aufgebaute Solarzellen mit wenige Nanometer dünnen Schichten
Für die Kontaktschichten auf Front- und Rückseite gibt es seit Kurzem die C²-Beschichtungstechnologie (Cylindrical Magnetron Co-Sputtering). Sie ermöglicht es, die Materialzusammensetzung während der Beschichtung zu variieren. Und es soll noch dünner gehen. Mit einem neuen Typ dreidimensional aufgebauter Solarzellen könnten wenige Nanometer dünne Schichten möglich sein. Das geht nur mit konturgenauer Abscheidung der Schichten, aber auch dafür gibt es eine Methode: ALD, das steht für Atomlagenabscheidung, aus dem Bereich der Nanotechnologie.
Solarzellen müssen also nicht mehr so teuer sein. Denn neue Technologien könnten die Solarenergie einen großen Schritt nach vorne bringen, betonen die Fraunhofer-Forscher.

10.08.2011 | Quelle: Fraunhofer | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH