Lasertechnik in der Photovoltaik Laserprozesse für die Solarmodul-Fertigung

Laser übernehmen bei der Herstellung kristalliner Silizium- und Dünnschichtmodule zahlreiche Aufgaben – vom Bohren und Strukturieren bis zum Schweißen elektrischer Verbindungen. Auch beim Recycling eröffnen selektive Laserprozesse neue Möglichkeiten.

Der globale Markt für Photovoltaik wächst mit einer beträchtlichen Geschwindigkeit. Im Jahr 2023 wurde eine Kapazität von 449 GW installiert. Im Jahr 2024 stieg diese Zahl um 33 Prozent auf 597 GW. Solar Power Europe sagt voraus, dass 1 TW pro Jahr ab 2030 realistisch ist.

China, die USA, Indien, Deutschland und Brasilien verzeichneten den größten Zuwachs an Installationen. In den USA entfielen zwei Drittel aller neuen stromerzeugenden Kapazitäten auf die Solarenergie. Dies ist zum Teil auf die gestiegene inländische Produktion zurückzuführen, die gegenüber 2023 um 190 Prozent zunahm.

Unterschiedliche Fertigungsansätze für zwei Arten von Solarmodulen

Es gibt zwei Haupttypen von Solarmodulen, die jeweils leicht unterschiedliche Laser-Herstellungstechniken verwenden:

1. Solarzellen aus kristallinem Silizium

2. Laseranwendungen für Dünnschicht-Solarmodule

Kristalline Siliziummodule sind am weitesten verbreitet und machen etwa 95 Prozent des Weltmarktes aus. Die Produktion konzentriert sich vor allem auf China, wo Größenvorteile die Kosten drastisch gesenkt haben. Diese Module bestehen aus einzelnen Siliziumwafern, die präzise miteinander verbunden werden müssen, um funktionale Module zu bilden.

Im Gegensatz dazu machen Dünnschichtmodule nur 5 Prozent des Weltmarktes aus. In den USA hingegen macht die Dünnschichttechnologie nach Angaben des U.S. Department of Energy 17 Prozent aller Installationen und 25 Prozent der Installationen durch Stromversorger aus. Dünnschichttechnologien wie CIGS (Kupfer-Indium-Gallium-Selenid) und CdTe (Cadmium-Tellurid) werden durch die Aufbringung von Halbleiterschichten direkt auf Glassubstrate hergestellt.

Diese Unterschiede im Aufbau machen unterschiedliche Methoden der Laserbearbeitung notwendig. Während sich die Herstellung bei kristallinem Silizium auf die Vorbereitung einzelner Zellen und deren Verschaltung konzentriert, erfordert die Dünnschichtproduktion eine präzise Erzeugung von Strukturen in den Schichten, um in Reihe geschaltete Zellen auf einem einzigen Substrat zu erzeugen.

Laseranwendungen bei der Herstellung von Modulen aus kristallinem Silizium

Bei der Fertigung von Modulen aus kristallinem Silizium werden an mehreren Stellen Laser eingesetzt. Dies erfordert immer eine präzise Steuerung der Parameter, um eine Beschädigung der empfindlichen Siliziumsubstrate zu vermeiden.

• Laserkantenisolierung: Die Laserkantenisolierung entfernt nach dem Dotieren und Texturieren leitende Schichten von den Waferkanten. Dieses Verfahren verhindert Leckströme, die die Effizienz verringern und zu Sicherheitsrisiken führen könnten. Die Herausforderung besteht darin, leitende Materialien in den dünnen Siliziumwafern zu entfernen, ohne die strukturelle Integrität zu beeinträchtigen.

• Laserbohren für PERC-Zellen: Das Laserbohren ist eine der technisch anspruchsvollsten Anwendungen bei der Herstellung von Modulen aus kristallinem Silizium. Die PERC-Technologie (Passivated Emitter and Rear Cell) benötigt Tausende von mikroskopisch kleinen Kontaktlöchern in der rückseitigen Passivierungsschicht. Diese Bohrungen haben in der Regel einen Durchmesser von 20–30 Mikrometern und müssen die Passivierungsschicht vollständig durchdringen, ohne das darunter liegende Siliziumsubstrat zu beschädigen. Das erfordert außergewöhnliche Präzision. Prozessfenster von Nanosekunden entscheiden darüber, ob Bohrungen den richtigen elektrischen Kontakt herstellen oder Defekte erzeugen.

• Laserritzen/-ablation: Ritzen und Ablation dienen der Feinabstimmung der Zellabmessungen und der Schaffung von Isolationsgräben im Mikrometerbereich, indem Schichten von Materialien wie Silizium, transparenten leitenden Oxiden oder Metallisierungsschichten entfernt werden. Die Selektivität der Laserwellenlängen ermöglicht es, bestimmte Materialien zu bearbeiten, während die angrenzenden Schichten intakt bleiben.

• Laserschweißen von Verbindungen: Im letzten Schritt verbinden Laser mit exakt gesteuerten Wellenlängen die Kupferdrähte und Stromschienen. Dieses Verfahren schafft starke, widerstandsarme elektrische Verbindungen, ohne übermäßige Hitze zu erzeugen, die die Siliziumzellen beschädigen könnte.

Laseranwendungen bei der Herstellung von Dünnschichtmodulen

Bei der Fertigung von Dünnschichtmodulen zeigt sich die Fähigkeit der Lasertechnologie, komplexe elektrische Architekturen durch integrierte Verarbeitung zu schaffen.

Die dreistufige Ritzsequenz beruht auf einer präzisen Prozesssteuerung. Jeder Laservorgang baut auf den vorangegangenen Schritten auf, um ein funktionsfähiges Photovoltaikmodul zu erstellen.

• P1-Ritzen: Im ersten Schritt werden in der rückseitigen Kontaktschicht unmittelbar nach dem Auftragen Strukturen erzeugt, wodurch die Grundlage für die Abgrenzung der einzelnen Zellen geschaffen wird. Der Laser muss den metallischen Kontakt auf der Rückseite vollständig entfernen, ohne das darunter liegende Glassubstrat zu beschädigen. Die Linienbreiten können zwischen 50 und 100 Mikrometern liegen, wobei die Minimierung von Totzonen ein entscheidender Leistungsfaktor ist.

• P2-Ritzen: Nach der Auftragung der Absorberschicht werden die einzelnen Zellen isoliert, indem das Halbleitermaterial bis auf die rückseitige Kontaktschicht entfernt wird. Dieser Schritt erfordert ein hohes Maß an Präzision, da der Laser genau an der Schnittstelle zwischen der Absorber- und der rückseitigen Kontaktschicht anhalten muss. Zu tiefes Ritzen würde die Kontaktschicht auf der Rückseite beschädigen. Wird nicht tief genug geritzt, entstehen Kurzschlüsse zwischen benachbarten Zellen.

• P3-Ritzen: Im letzten Schritt wird die vordere Kontaktschicht, die in der Regel aus einem transparenten, leitfähigen Oxid besteht, mit Lasern strukturiert. Dadurch wird der vordere Kontakt einer Zelle mit dem hinteren Kontakt der benachbarten Zelle verbunden und die für den Betrieb erforderliche Verbindung hergestellt.

• Kantenisolierung: Anschließend werden die aktiven Schichten am äußeren Rand mit Lasern entfernt, was notwendig ist, um Leckströme zu verhindern. Dieser Prozess ist besonders wichtig für Dünnschichtmodule, bei denen die Kantenisolierung aufgrund der monolithischen Architektur der wichtigste Mechanismus zur Vermeidung von Erdungsfehlern ist.

Laser beim Solarmodul-Recycling

Mit der wachsenden Zahl ausgedienter Solarmodule gewinnt auch deren Recycling an Bedeutung. Laserbasierte Verfahren werden dabei als Möglichkeit untersucht und teilweise bereits eingesetzt, um unterschiedliche Materialschichten gezielt voneinander zu trennen. Ihr Vorteil liegt vor allem in der berührungslosen und selektiven Bearbeitung. Ein vollständig laserbasierter Recyclingprozess ist allerdings bislang nicht in allen Anwendungen wirtschaftlich etabliert.

• Delaminierung: Laser können Verkapselungsmaterialien wie Ethylen-Vinylacetat (EVA) oder Polyolefin-Elastomere (POE) lokal erwärmen oder abtragen. Dadurch lassen sich Glas- und Siliziumbestandteile voneinander trennen, ohne die darunterliegenden Materialien mechanisch stark zu belasten. Je nach Modulaufbau kann dies eine präzisere Trennung ermöglichen als rein mechanische Verfahren.

• Kontaktentfernung: Durch Laserablation lassen sich Metallkontakte und Beschichtungen gezielt von kristallinen Siliziumwafern entfernen. Ziel ist es, das darunterliegende Silizium möglichst wenig zu beschädigen und damit eine weitere stoffliche Verwertung zu erleichtern.

• Glasreinigung: Auch verbliebene Polymer- und Klebstoffreste können mit Laserverfahren von Glassubstraten entfernt werden. Dadurch lässt sich das Glas für weitere Recycling- oder Wiederverwertungsprozesse aufbereiten, ohne ausschließlich auf chemische oder abrasive Reinigungsverfahren angewiesen zu sein.

• Recycling von Dünnschichtmodulen: Bei Dünnschichtmodulen können Laser einzelne Halbleiterschichten wie Cadmiumtellurid oder CIGS selektiv abtragen, während das Glassubstrat weitgehend erhalten bleibt. Solche Verfahren könnten künftig dazu beitragen, wertvolle Materialien gezielter zurückzugewinnen und den Einsatz chemischer Trennverfahren zu reduzieren.

Die wichtigsten Vorteile der Lasertechnologie in der Solarproduktion

Die Lasertechnologie ist in jeder Phase der Solarproduktion von Bedeutung für die Rationalisierung der Fertigung und die Verbesserung der Erträge. Nachfolgend nur einige der Vorteile.

• Präzision und Effizienz: Laser sind hochpräzise und ermöglichen Verbindungsmuster mit hoher Dichte und eine effektive Nutzung der aktiven Fläche. Mit Lasertexturierung lassen sich mikroskopisch kleine Oberflächenstrukturen schaffen, die die Reflexion verringern und die Lichtabsorption erhöhen. Dies ermöglicht mehr Leistung. Diese Oberflächenmodifikationen können die Effizienz der Zellen verbessern.

• Eine aktuelle Studie zeigt Effizienzsteigerungen von bis zu 0,22 Prozent. Das mag nicht viel erscheinen, aber mit dem weltweiten Verkaufsvolumen von Solarmodulen summiert sich das.

• Verbesserte Lichtabsorption: Durch Laser erzeugte Oberflächenstrukturen verbessern die Photonenaufnahme in Solarzellen, insbesondere bei Dünnschichtanwendungen, da die Länge der Absorptionswege begrenzt ist. Dies reduziert durch die Isolierung der Strompfade auch den Energieverlust.

• Skalierbarkeit: Die berührungslose Verarbeitung ermöglicht eine Produktion mit hohem Durchsatz ohne Bedenken hinsichtlich mechanischem Verschleiß oder Werkzeugwechsel. Dies beschleunigt Produktionszyklen und vermeidet häufige Unterbrechungen für Wartung oder Austausch.

• Konsistente Ergebnisse: Der präzise gesteuerte Energieeintrag ist konstant, was die Qualität verbessert und selbst bei großen Auflagen zu einheitlichen Ergebnissen führt.

Wachstumsförderung für die Solarindustrie

Laserverfahren übernehmen in der Fertigung und zunehmend auch beim Recycling von Solarmodulen unterschiedliche Aufgaben. Ihre Stärken liegen insbesondere in der präzisen, berührungslosen und selektiven Bearbeitung. Mit neuen Zellarchitekturen und Materialien steigen zugleich die Anforderungen an die Prozessführung. Laser können dabei einen gezielten Energieeintrag ermöglichen, ohne angrenzende Strukturen unnötig zu belasten. (sb)

* Lukas Remshagen ist Key Account Manager bei Laserax.

(ID:50939625)