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Photovoltaik-Ausbau

Hocheffiziente Solarzellen doppelt so schnell produzieren

27. September 2022, 13:02 Uhr | Kathrin Veigel

Experimentelles Design eines Wafer-Stacks für die Diffusion in speziellen Quartz-Booten.

Ein Forschungs-Konsortium unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts ISE hat einen Proof-of-Concept für eine Solarzellen-Produktionslinie mit einem Durchsatz von 15.000 bis 20.000 Wafern pro Stunde erarbeitet. Das entspricht mindestens einer Verdopplung des aktuell üblichen Durchsatzes.

Für die Optimierung des Produktionsprozesses untersuchte das Konsortium, bestehend aus Anlagenbauern, Messtechnikherstellern und Forschungsinstituten wie etwa das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE), die einzelnen Schritte in der Produktion hocheffizienter Silizium-Solarzellen. 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 sind als Resultat die Durchsätze der im Projekt entwickelten Produktions-Anlagen mindestens doppelt so hoch.«

So setzten die Forscher unter anderem ein neues On-the-fly-Anlagenkonzept für die Laserbearbeitung um, 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 Flachbett-Siebdruck.

Stapel-Diffusion und -Oxidation

Solarzellen benötigen unterschiedlich dotierte Bereiche, zum Beispiel für den Übergang zwischen Siliziumschicht und den Metallkontakten. 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.

Schnellere Inline-Ofenprozesse

Nach dem Druck der Elektroden auf die Solarzelle wird der Kontakt der Elektroden zur Silizium-Solarzelle in Inline-Öfen beidseitig ausgebildet. Mit Standard-Öfen hätte eine Erhöhung des Durchsatzes für diesen Prozessschritt eine deutliche Vergrößerung des Heizraums bedeutet.

Das Projekt-Konsortium 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.