Ein hoher Durchsatz in der Produktion von Siliziumsolarzellen ist wichtig, um Herstellungskosten zu senken und Lieferengpässe beim Photovoltaikausbau in Deutschland und weltweit abzumildern. Ein Konsortium aus Anlagenbauern, Messtechnikherstellern und Forschungsinstituten erarbeitete deshalb unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE einen Proof-of-Concept für eine innovative Produktionslinie mit einem Durchsatz von 15 bis 20 Tausend Wafern pro Stunde. Das entspricht dem Fraunhofer ISE zufolge mindestens einer Verdopplung des aktuell üblichen Durchsatzes. Dafür entwickelte das Konsortium Verbesserungen für zahlreiche einzelne Prozessschritte. Gefördert wurde das Forschungsprojekt durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK).
2021 wurden nach Aussage von Dr.-Ing. Ralf Preu, Bereichsleiter Photovoltaik-Produktionstechnologie am Fraunhofer ISE, 78 Prozent aller Siliziumsolarzellen in China produziert. Für einen schnellstmöglichen Ausbau der Solarenergie und um unsere Lieferketten robuster zu machen, sollten wir in Europa wieder eigene Fertigungen von hocheffizienten Solarzellen aufbauen, so Ralf Preu. Eine Steigerung des Durchsatzes und der Ressourceneffizienz der eingesetzten Produktionstechnik ergebe substanzielle Kostenreduktions- und Nachhaltigkeitspotenziale, die wir mit unserer Exzellenz in Prozessverständnis und Maschinenbau heben können.
Neue Konzepte für die Siliziumsolarzellenproduktion
Für die Optimierung des Produktionsprozesses untersuchte das Konsortium die einzelnen Schritte in der Produktion hocheffizienter Siliziumsolarzellen. Für zahlreiche Prozessschritte realisierten sie neue Entwicklungen. Für einige Prozesse ging es darum, in der Produktion etablierte Abläufe zu beschleunigen, andere Prozesse haben wir komplett neu entwickelt, erklärt Dr. Florian Clement, Projektleiter am Fraunhofer ISE. Verglichen mit aktuell üblichen Werten seien als Resultat die Durchsätze der im Projekt entwickelten Produktionsanlagen mindestens doppelt so hoch. So setzten die Forschenden unter anderem ein neues On-the-fly-Anlagenkonzept für die Laserbearbeitungum, das die Wafer kontinuierlich prozessiert, während sie sich auf einem Band mit hoher Geschwindigkeit unter dem Laserscanner hindurchbewegen. Für die Metallisierung der Solarzellen nutzte das Konsortium ein Verfahren mit Rotationssiebdruck anstelle des aktuellen Standardverfahrens mit Flachbettsiebdruck.
Stapeldiffusion und -oxidation
Solarzellen benötigen unterschiedlich dotierte Bereiche, zum Beispiel für den Übergang zwischen Siliziumschicht und den Metallkontakten. Die Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer ISE kombinierten die hierfür durchgeführte Diffusion sowie die thermische Oxidation der Wafer in einem Prozessschritt. Dafür werden die Wafer nicht mehr einzeln aufgestellt, sondern aufeinander gestapelt in Stacks im Ofen prozessiert. Der thermische Oxidationsprozess sorgt so gleichzeitig für die Entstehung des endgültigen Dotierungsprofils wie auch für die Oberflächenpassivierung. Damit steigt der Durchsatz des Verfahrens um den Faktor 2,4.
Nach dem Druck der Elektroden auf die Solarzelle wird der Kontakt der Elektroden zur Siliziumsolarzelle in Inline-Öfen beidseitig ausgebildet. Mit Standardöfen hätte eine Erhöhung des Durchsatzes für diesen Prozessschritt eine deutliche Vergrößerung des Heizraums bedeutet. Das Projektkonsortium installierte stattdessen eine dreimal schnellere Bandgeschwindigkeit im Ofen und verglich die Qualität der so gefeuerten Solarzellen mit dem heutigen Standard. Die Durchsätze konnten so deutlich gesteigert werden – bei gleichbleibender Effizienz der Solarzellen.
Kontaktlose Kontrolle und Analyse von Defekten
Für die abschließende Charakterisierung der fertigen Solarzellen entwickelte das Konsortium zwei Konzepte. Um die Zellen in zukünftigen Produktionslinien schneller testen zu können, kommen eine kontaktlose und eine Methode mit gleitenden Kontakten zum Einsatz. Dies erlaubt es, die Zellen auch beim Vermessen kontinuierlich mit einer Bandgeschwindigkeit von 1,9 Metern pro Sekunde zu transportieren. Das Team konnte eine hohe Messgenauigkeit ihrer Konzepte demonstrieren. Für die kontaktlose Methode wurde ein Patentantrag gestellt.
Kontakt:
Florian Clement, Fraunhofer ISE, PV Produktionstechnologie – Strukturierung und Metallisierung,
E-Mail: florian.clement@ise.fraunhofer.de
- www.ise.fraunhofer.de
Temperaturprofile einer Solarzelle, die bei 6 m/min (rot), bzw. 20 m/min (blau) durch den Ofen geführt wird (links); die deutlich schnellere Prozessierung hat keinen Einfluss auf die Effizienz der Solarzelle (rechts)(© Fraunhofer ISE)
Text zum Titelbild: Experimentelles Design eines Waferstacks für die Diffusion in speziellen Quartz-Booten (© Fraunhofer ISE)
