Mono- und polykristalline Solarzellen

Laserbearbeitungsprozesse, die bei mono- bzw. polykristallinen Solarzellen zum Einsatz kommen, sind die Laser-Kantenisolation (laser edge isolation), das Laser-Mikro-Via-Bohren (laser micro via drilling), das LFC (laser fired contacts) und die Laser-Oberflächen-Strukturierung (laser surface structuring). Alle genannten Bearbeitungsmethoden garantieren eine hohe Effizienz der fertigen Solarzelle bei minimaler Materialschädigung und geringstem Materialverlust.

Kantenisolierung

Zum Erreichen einer hohen opto-elektrischen Effizienz müssen die unterschiedlich dotierten Vorder- und Rückflächen kristalliner Solarzellen an den Kanten isoliert werden. Diese Schichten werden durch Ritzen mit gütegeschalteten Festkörperlasern (Nd:YAG oder Nd:YVO4-Laser) elektrisch getrennt.

Die in Maschinen der 3D-Micromac AG eingesetzten Laser bieten dafür eine hohe Leistungsdichte, um das Schmelzmaterial aus der Kerbe gründlich zu entfernen und eine erneute Ablagerung des geschmolzenen Materials zu verhindern. Es werden Schnittbreiten von 40-60 µm bei einer Tiefe von 30-40 µm erzielt. Die Schnittgeschwindigkeit liegt standardmäßig bei 300-500 mm/s und im High-Speed-Modus bei 1000 mm/s.

Einen weiteren Vorteil bietet der Einsatz eines hochgenauen Achssystems, welches es ermöglicht, die Isolationslinien mit höchstmöglicher Genauigkeit entlang der Zellkante zu führen. So wird die effektive Zellenfläche maximiert und die Effizienz der Zelle erhöht.

Grooving (Laser grooved buried contact)

Beim so genannten Laser Grooved Burried Contact (LGBC) wird die Vorderseitenkontaktierung der Solarzelle in zuvor mit dem Laser hergestellte Gräben eingebracht. Abschattungsverluste werden so verringert und die Effizienz der Solarzelle erhöht. Die Herstellung dieser Gräben erfolgt mittels diodengepumpten Festkörperlasern. Mit diesen leistungsfähigen Lasern wird bei einer Grabentiefe von 5-130 µm eine Schnittgeschwindigkeit von 300 mm/s erreicht.

Laserbohren für das Back-Contact Cell Design

Die Effizienz von Solarzellen kann durch Entfernen der Vorderseitenkontakte, die sonst beträchtliche Bereiche der aktiven Flächen der Solarzelle abdecken, ebenfalls erhöht werden. Das Ziel ist dabei, soviel Kontaktfläche wie möglich auf die Rückseite der Solarzelle zu verlagern. Hierzu werden Löcher verschiedener Größen mit Hilfe eines Scheiben- oder Faserlasers gebohrt. Mit Hilfe des EWT- (emitter wrap-through) und MWT- (metal wrap-through) Konzeptes werden die elektrischen Kontakte von der Vorderseite auf die Rückseite des Wafers transferiert. Bei der EWT-Technologie liegen die Lochdurchmesser im Bereich von 30 - 80 µm. Mit Hilfe des Percussion-Bohrverfahrens können 5.000 bis 15.000 Löcher pro Sekunde hergestellt werden. Mit dem Trepanning-Verfahren können für die MWT-Technologie ca. 25 Bohrungen/s von einigen hundert Mikrometer Durchmesser hergestellt werden.

Durch langjährige Erfahrungen im Bereich der Lasermikrobearbeitung konnten diese hocheffizienten und stabilen Prozesse entwickelt werden. Dabei werden die Bohrungen rissfrei, mit geringer Wärmebeeinflussung und ohne Schmelzaufwurf hergestellt.

Laserschneiden und -ritzen

Mono- und polykristalline Siliziumwafer lassen sich mittels gütegeschalteten Scheibenlasern mit sehr hoher Präzision und geringer Wärmeeinbringung schneiden. Zum Einsatz kommt dieses Verfahren bei der Herstellung quadratischer Zellen aus runden Wafern.

Es werden Schnittgeschwindigigkeiten von 150 mm/s bei einer Waferdicke von 200 µm erzielt. Bei Waferdicken größer als 400 µm und in automatisierungsarmen Produktionsumgebungen werden Siliziumwafer nicht komplett geschnitten, sondern geritzt und anschließend manuell oder vollautomatisch gebrochen. Typische Ritzgeschwindigkeiten liegen bei 50-280 mm/s. Die Schnitt- bzw. Ritzkanten weisen dabei eine sehr gute Oberflächenqualität auf.

Laser-Strukturieren (Kontaktstrukturierung, Oberflächen-Strukturierung)

Verfahren zur Strukturierung der auf dem Wafer aufgebrachten Nitridschicht mittels Laser, wie zum Beispiel Laser-Patterning, Laser-Oberflächen-Strukturieren, Laser-Kontakt-Strukturierung haben erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad der fertigen Solarzelle. Das Verfahren des LFC (laser fired contacts) zielt auf die Steigerung des Wirkungsgrads von Solarzellen durch die Umsetzung des hocheffizienten, dielektrisch passivierten Rückseitenkontakts. Mit Hilfe dieser Technologie ist es möglich, die Abschattungsverluste einer Standardzellen von 10-15% auf 2-3 % zu reduzieren.

Die Intensität des verwendeten Lasers wird dabei so optimiert, dass einerseits ein guter Kontakt entsteht, aber andererseits die Aluminiumschicht nicht verdampft wird.

Laser-Markieren (laser marking)

Zur Rückverfolgbarkeit des Herstellungsprozesses werden auf den Solarzellen mittels Festkörperlasern Kennzeichnungen eingebracht. Die Markierung muss maschinenlesbar, und ohne Einfluss auf die weiteren Herstellungsschritte sein, sowie am Ende der Prozesskette immer noch eine eindeutige Identifizierung zulassen. Neben alphanumerischen Zeichen können Datamatrix- und Barcodes sowie Logos erzeugt werden. Die Größe der Kennzeichnung kann dabei von semi visible mit einer Schrifthöhe von 75 µm bis zu einigen Zentimetern erfolgen. Die minimale Schriftbreite liegt bei 10 µm.