Die Photovoltaikindustrie steht vor einer Herausforderung: Einerseits gilt es, Solarzellen mit immer höherem Wirkungsgrad zu erzeugen, andererseits gilt es die Prozesskosten zu senken und immer effizientere Fertigungsverfahren zu etablieren. TRUMPF und HÜTTINGER Elektronik präsentieren jetzt mit den Mikrobearbeitungslasern der TruMicro Baureihen sowie den Generatoren der TruPlasma Baureihe innovative Produkte, die Solarzellenherstellern und Anlagenbauern neue Möglichkeiten im Produktionsprozess eröffnen.

Der Laser als industrielles Werkzeug ist in der Photovoltaikindustrie eine Schlüsseltechnologie. Im Vergleich zu alternativen Prozessen ist er meist deutlich effizienter. So erhöht er Durchsatzraten und senkt gleichzeitig Produktionskosten.

Laser verschaltet Dünnschichtsolarzellen

In der Produktion von Solarmodulen aus amorphem Silizium (aSi) oder Cadmiumtellurid (CdTe) werden leitfähige und photoaktive Beschichtungen großflächig auf ein Substrat, beispielsweise Glas, aufgebracht. Nach jeder Beschichtung unterteilt der Laser die Fläche so, dass die erzeugten Zellen automatisch durch die Prozessreihenfolge in Serie verschaltet werden. Damit können Zell- und Modulspannungen, abhängig von der Zellbreite, eingestellt werden. Die Bearbeitung der transparenten leitenden Oxide (TCO) erfolgt in der Regel mit Lasern infraroter Wellenlänge. Bei typischen Vorschubraten ergeben sich Wiederholraten von über 100 Kilohertz. Ein optimierter Puls-zu-Puls-Überlapp gewährleistet eine saubere Reinigung der Spur und minimiert das Risiko für Kurzschlüsse. Kleine, kompakte Geräte wie die Laser der TruMicro Serie 3000 sind mit ihren Wellenlängen von 1064 und 532 Nanometern ideal zum Patterning P1, P2 und P3. Die diodengepumpten Festkörperlaser liefern dank ihrer hohen Puls-zu-Puls-Stabilität nicht nur sehr gute Prozessergebnisse. Sie können auch auf Grund ihres Kühlkonzeptes mit geringem Aufwand direkt in vorhandene Anlagen integriert werden.

Herausforderung Patterning

Das Patterning von Dünnschichtzellen aus Cu(In,Ga)(S,Se)2 - abgekürzt CI(G)S - stellt besonders hohe Anforderungen an den Laserprozess. Dies gilt auch für die Strukturierung von Molybdän. Hier werden derzeit noch Nanosekundenlaser eingesetzt. Doch die weit besseren Ergebnisse liefern Pikosekundenlaser. Durch ihre ultrakurzen Pulse tragen sie das Material ab, ohne dass die Randzone des Prozesses nennenswert erwärmt wird. Risse, Schmelze oder eine Ablösung der Schichten lassen sich so verhindern. TRUMPF bietet Pikosekundenlaser der TruMicro Serie 5000 mit Wellenlängen von 1030 Nanometern für die Strukturierung des Molybdäns sowie 515 Nanometern für die Bearbeitung des photoaktiven Materials und Patterning des Frontkontaktes an. Unter den derzeit erhältlichen Pikosekundenlasern mit bis zu 100 Watt Ausgangsleistung verfügt der TruMicro 5000 über das beste Preis-Leistungsverhältnis und die geringsten Betriebskosten.

Randentschichten: Laser ersetzt Sandstrahlverfahren

Um Dünnschichtsolarmodule vor äußeren Einflüssen, insbesondere vor Feuchtigkeit, zu schützen, wird das Schichtsystem am Rand auf einer Breite von etwa einem Zentimeter entfernt, mit einer Folie laminiert und damit abgedeckt. Dazu setzt die Photovoltaikindustrie derzeit noch überwiegend Sandstrahlverfahren ein. Das sehr viel bessere Verfahren ist aber der Laser. Prädestiniert für diese Applikation ist der TruMicro 7050, der große Formate zuverlässig und sicher bearbeiten kann. Der Mikrobearbeitungslaser erzeugt Pulse mit einer Dauer von 30 Nanosekunden bei einer mittleren Leistung von 750 Watt.

Kristalline Solarzellen: Laser verringert Kosten pro Watt

Auch beim selektiven Abtragen passivierender Schichten bei kristallinen Solarzellen bieten sich dem Laser in Zukunft weitere Einsatzgebiete. Besonders gut geeignet sind Laser, die ultrakurze Pulse bei hohen Pulsenergien ermöglichen und gleichzeitig eine hohe Strahlqualität haben. Voraussetzungen, die derzeit nur die Scheibenlasertechnologie erfüllt. Die einfache Skalierbarkeit bei der Laserleistung ermöglicht einen höheren Durchsatz in der Produktion, die hohe Strahlqualität und die ultrakurzen Pulse verbessern die Effizienz der Solarzelle. Damit wird es möglich, die Kosten pro Watt Solarzellenleistung in Zukunft deutlich zu senken.

Generatoren: Herzstück bei der Beschichtung von Dünnschichtsolarzellen

Bei der Fertigung von Dünnschichtsolarzellen wird das Trägermaterial aus Glas großflächig mit photoaktiven Halbleitern beschichtet. Eine einfache, aber zentrale Regel lautet dabei: Je besser die Qualität der aufgetragenen Schichten, desto höher der Wirkungsgrad der fertigen Solarzelle. Die Anforderungen an Stromversorgungen, welche die notwendige Leistung für die Beschichtungsprozesse liefern, sind daher eindeutig: Sie müssen dünne und homogene Schichten erzeugen und gleichzeitig zu einer wirtschaftlichen Produktion beitragen. HÜTTINGER bietet für zwei zentrale Fertigungsschritte - PECVD-Prozesse (plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung) sowie Sputterprozesse - Generatoren, die diese Ansprüche in hohem Maße erfüllen.

TruPlasma RF Serie 1000 für stabile PECVD-Prozesse

Speziell für PECVD-Prozesse, die Solarhersteller zum Auftragen siliziumbasierter Schichten einsetzen, bietet HÜTTINGER die TruPlasma RF Serie 1000. Diese Familie innovativer Hochfrequenzgeneratoren wurde im Frühling 2011 erweitert und technischen Verbesserungen unterzogen.

Bisher im Rahmen der TruPlasma RF Serie 1000 erhältlich: Der Hochfrequenzgenerator TruPlasma RF 1003. Bei einer Frequenz von 13,56 Megahertz erzeugt er eine Ausgangsleistung von drei Kilowatt und liefert die notwendige Prozessenergie für Beschichtungs- und Ätzprozesse in der Produktion von Solarzellen mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit. Um diese Prozesse auch mit weniger Leistungsbedarf zu fahren, hat HÜTTINGER die Produktfamilie nun erweitert: Mit dem TruPlasma RF 1001 und dem TruPlasma RF 1002 stehen dem Anwender jetzt auch Stromversorgungen mit einem und zwei Kilowatt Ausgangsleistung zur Verfügung. Der Einsatz dieser Generatoren ermöglicht dank geringerer Anschaffungskosten eine Optimierung der Anlagekosten.

Im Zuge der Überarbeitung hat HÜTTINGER die TruPlasma RF Serie 1000 mit einer zusätzlichen Kommunikationsschnittstelle ausgestattet. Alternativ zur bisherigen RS232/485-Schnittstelle ist die Prozessstromversorgung nun auch mit einer PROFIBUS-Anbindung erhältlich. Damit sind die Generatoren jetzt auch auf dem europäischen Markt optimal einsetzbar. Dank der neuen Schnittstelle und ihrer sehr kompakten Größe lassen sich die Stromversorgungen leicht und wirtschaftlich in Anlagen integrieren.

Zudem hat HÜTTINGER die Stabilität der Ausgangsleistung deutlich verbessert. Um diese noch exakter mess- und steuerbar zu machen, hat das Unternehmen eine höhere Auflösung der Signalverarbeitung bei der Gerätesteuerung realisiert. Dadurch können die in der Stromversorgung vorhandenen Messinstanzen die erzeugte Ausgangsleistung noch genauer ermitteln und die Ergebnisse exakt an die Regelkreise zurückmelden. Diese können die Ausgangsleistung so jederzeit zuverlässig und genau nachjustieren und an den Sollwert anpassen. Stabile Prozesse und optimale Prozessergebnisse sind das Resultat.

Sputtern leicht gemacht mit neuen DC-Generatoren

Für Sputterprozesse, mit deren Hilfe Anwender TCO wie Aluminium-dotiertes Zinkoxid (AZO) oder Indiumzinnoxid (ITO) auf das Trägermaterial auftragen, entwickelte HÜTTINGER die TruPlasma DC Serie 3000 NEU. Erhältlich mit einer Ausgangsleistung von 20 bis 160 Kilowatt, ermöglicht diese neue Generation wassergekühlter Gleichstromgeneratoren hervorragende Schichtqualitäten - selbst bei Prozessen mit vielen elektrischen Überschlägen (Arcs), wie dem TCO-Sputtern.

Möglich macht dies das innovative Arc-Management CompensateLine, das HÜTTINGER nochmals verbessert hat.  Im Arc-Fall gleicht CompensateLine die gespeicherte Energie in der Ausgangschaltung sowie im Verbindungskabel zwischen Generator und Kathode noch besser aus. Dadurch reagiert der Generator noch schneller auf das Arc. Gleichzeitig wird die Restenergie auf ein Minimum reduziert. Dies führt zu hochqualitativen TCO-Schichten mit deutlich höheren Abscheideraten als bei gepulsten DC-Stromversorgungen. Die hohen Abscheideraten steigern die Produktivität des TCO-Prozesses. Darüber hinaus ist eine Kosteneinsparung bei der Anschaffung der Stromversorgungen möglich. Denn die kontinuierlichen DC-Stromversorgungen kommen ohne kostenintensive Hochleistungsschaltstufen aus, die für die gepulsten Stromversorgungen notwendig sind. Erhöhte Produktivität und verminderte Investitionskosten - so zahlt sich die TruPlasma DC Serie 3000 NEU gleich in zweifacher Hinsicht für den Anwender aus.

Weitere Informationen unter www.trumpf.com/