Fernando Zicarelli (links) und Professor Christoph Ballif: Ihre Innovationen erhöhen den Wirkungsgrad von Solarzellen. Foto: Essemsolar

Der Kampf um die Photonen ist in vollem Gange. Jedes Einzelne zählt. Die Solarzellen-Hersteller wollen keines vorbeiziehen oder reflektieren lassen, ohne dass es seine Energie abgegeben hat. Die findigen Forscher des PV-Lab an der EPFL in Neuchâtel arbeiten mit allen Tricks und "quetschen immer mehr Saft" aus den Solarzellen.

Professor Christophe Ballif und sein Team haben nun besonders die Leiterbahnen auf den Mehrschicht-Solarzellen ins Visier genommen. Sie haben die Breite der so genannten Fingers mehr als halbiert und gleichzeitig deren Höhe verdoppelt. Dies bedeutet: Die aktive Fläche der Solarzelle ist grösser und der Innenwiderstand der Zelle kleiner. Beide Werte vergrössern den Wirkungsgrad um mehrere Prozent.

Mehrschichtiger Siebdruck für neue Solarzellen-Strukturen

Industriestandard waren bisher Leiterbahnen mit einer Breite von 100 bis 150 Mikrometer (µm) und einer Höhe von 12 µm. Mit dem neuartigen Druckprozess lassen sich heute aber schon Strukturen herstellen, die eine Breite von 50 bis 70 µm und eine Höhe von 40 µm oder mehr haben. Das PV-Lab hat den Prozess entwickelt, Essemsolar realisierte die optimale Druckmaschine dafür. Dank der engen Zusammenarbeit ist heute bereits die automatisierte Fertigung von kleinen Serien möglich.

Schmale, hohe Leiterbahnen können in einzelnen Schichten übereinander gedruckt werden, bis die gewünschte Höhe erreicht ist. Die Idee ist nicht neu, aber bisher konnte fast niemand so feine Pastenstrukturen so präzise übereinander positionieren. Der Drucker von Essemsolar wurde genau für solche Anwendungen optimiert. Dafür gingen die Entwickler neue Wege beim Druckprozess und sie entwickelten neue Vision-, Antriebs- und Dämpfungssysteme, die den Anforderungen gewachsen waren. "Es ist ähnlich wie beim Zeitungsdruck", sagt Joachim Biegel, Produktmanager Solardrucksysteme bei Essemsolar. "Auch beim Vierfarbendruck müssen die einzelnen Farben exakt zueinander liegen, sonst verursacht die Titelstory nur Kopfschmerzen. Eine Druckmaschine nutzt sogenannte Passermarken, um die Farben auszurichten. Doch genau da liegt Unterschied: Auf Solarzellen gibt es keine solchen Marken, denn diese würden die aktive Fläche verringern."

So hoch wie breit: Feinste Strukturen mit hohem Querschnitt erhöhen die Leistungsfähigkeit einer Solarzelle. Foto: Essemsolar

Deshalb muss sich der Drucker SP900-S an den Strukturen auf dem Solar-Wafer selbst orientieren. Beim Ersten Druck sind dies vor allem die Kanten und Ecken des Wafers. Beim Drucken einer weiteren Lage muss das Sieb an den bestehenden Fingern (Kontakten) oder Busbars (Leiterbahnen) ausgerichtet werden. Das Vision-System des SP900-S kann beides. Sieb und Trägermaterial werden mit einer Genauigkeit von ±8 µm zueinander positioniert.

Von der Kraftsteuerung zur Wegregelung

Hohe Leiterbahnen können wie oben beschrieben in mehreren Lagen gedruckt werden. Früher versuchte man dies mit der Technik der "reduzierten Blende" und verwendete für die obere Lage ein Sieb mit kleineren Blenden, die beim Druck auf den bereits bestehenden Strukturen auflagen. Lokal kam es dabei aber immer wieder zu Ausquetschungen, die seitlich an der bestehenden Struktur herunterliefen. Zudem war die Herstellung von zwei verschiedenen Sieben teuer.

Links: Optimiert für den neuen, weggesteuerten Druckprozess: Druckerlinie SP900-S von Essemsolar. Rechts: Dank Doppeldruck-Verfahren mit dem SP900-S erhalten dünne Leiterbahnen mehr Querschnitt: Der Leitungswiderstand der Solarzellen sinkt und der Wirkungsgrad steigt. Fotos: Essemsolar

Das Verfahren von Essemsolar und PV-Lab nutzt das gleiche Sieb für die erste und die zweite Schicht. Für den zweiten Druck wird das Sieb um einige Mikrometer nach oben verschoben (oder das Substrat nach unten, je nachdem). Der Druckkopf regelt nicht mehr einen vorgegebenen Rakeldruck oder die Aufpress-Kraft, sondern auf eine genau definierte Wegstrecke in der Vertikalen. Auf diese Weise ist der Abstand zwischen Sieb und Substrat mikrometergenau regelbar. Es gibt keine seitlichen Ausquetschungen mehr und die Schichtdicke ist kontrollierbar. "Natürlich erfordert dieser Prozess eine perfekte Planparallelität von Rakel, Sieb und Substrat, und er stellt auch besondere Anforderungen an den Vertikalantrieb des Druckkopfes", betonen die Projektpartner. Normale Drucker seien dafür nicht geeignet, der SP900-S sei jedoch dahingehend optimiert worden.

Rakel brauchen Stütze

Die Vertikalachse des SP900-Druckkopfes ist mit einem kraftvollen aber hoch auflösenden Schrittmotorantrieb ausgerüstet mit dem sich die Rakelhöhe auf wenige Mikrometer genau regeln lässt. Ebenso kann auch der Drucktisch, auf dem das Trägermaterial fixiert ist, exakt auf Höhe gefahren werden. Das einzig Ungenaue sind die Rakel, aber auch dieses Problem lösten die Ingenieure. Normalerweise haben Siebdruck-Rakel grosse Toleranzen was die Verformung unter Druck angeht. Diese Toleranzen machen selbst die genauste Regelung zunichte. Deshalb wurden die so genannte Backbone-Rakel entwickelt. Diese funktionieren so: Eine massive Stütze schränkt die Rakel-Verformung ein, so dass nur die vorderste Rakelkante noch die Elastizität behält, die für den Siebdruck benötigt wird.

Der SP900-S ist besonders robust konstruiert und verfügt über auch über ein spezielles Dämpfungssystem, das den Drucktisch vom äusseren Rahmen schwingungstechnisch entkoppelt. Die Druckgenauigkeit von wenigen Mikrometern erforderte auch hier aussergewöhnliche Lösungen von den Maschinenkonstrukteuren. Am PV-Lab wurden verschiedenste Materialien auf Ihre Prozessfähigkeit hin untersucht, so auch die Drucksiebe. Für den Feinst-Siebdruck ist ein Gewebe erforderlich, das sehr feinmaschig ist und sich unter Druck nicht verformt. Aktuell setzt  Essemsolar auf das Vecry-Gewebe, das die Vorteile von Edelstahl und synthetischen Fasern vereint.

Ausblick

Die einzigartig schmalen und hohen Leiterbahnen auf den Solarzellen haben nicht nur die Forscher am PV-Lab einen großen Schritt weiter gebracht. Mit der SP900-S steht der Industrie jetzt eine Maschine zur Verfügung, die in der Praxis entwickelt worden ist. Sie zeichnet sich laut Essemsolar durch die kompakte Bauweise mit kleiner Standfläche aus, die einfache Bedienung, die hohe Flexibilität und die niedrigen Wartungskosten. Der Solarzellen-Drucker eigne sich hervorragend für den Einsatz in Pilotlinien, Labors und Kleinserien-Produktionen.

Den Heterojunction-Solarzellen, die am PV-Lab entwickelt werden, erreichen bereits einen Wirkungsgrad von 20 % und sind anderen Zellen auch bei den Herstellkosten bereits heute überlegen, so die Projektpartner. Doch die Entwicklung sei noch lange nicht abgeschlossen. Die Projektpartner arbeiten an einer weiteren Halbierung der Strukturbreite auf unter 25 µm, um die aktive Fläche noch weiter zu maximieren. Die Photonenjagd geht weiter.

Autor: Adrian Schärli, Azular GmbH, Redaktion Solarserver: Rolf Hug