Neues Anlagenkonzept vom Fraunhofer ISE 29.04.2022, 07:00 Uhr

Große Wafer für Solaranlagen: Rekordtempo bei der Herstellung

Fraunhofer-Forschende haben einen neuen Weg gefunden, um Wafer in großen Abmessungen herzustellen, wie sie für viele Solaranlagen benötigt werden. Die Anlage arbeitet schnell und sehr genau – Produktionsengpässen könnten der Vergangenheit angehören.

Solarwafer

Die neue Anlage können Fachleute Ende April in Augenschein nehmen.

Foto: Fraunhofer ISE

Photovoltaik ist ein Baustein der Energiewende. Forschung und Industrie arbeiten daher gleichermaßen daran, effizientere Anlagen herzustellen, um die Energieerträge pro Fläche zu steigern. Eine Folge sind wachsende Abmessungen bei Wafern.

Laut der Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV) ist der Trend eindeutig: Größere Wafer und größere Solarmodule sind angesagt. Vermutlich werden die kleineren Formate mit einer Kantenlänge von 156,75 beziehungsweise 158,75 Millimeter in den kommenden Jahren sogar ganz vom Markt verschwinden. Ersetzt werden sie durch Wafer in den Größen 182 und 210 Millimeter. Bereits im laufenden Jahr sollen sie einen Anteil von über der Hälfte einnehmen. In der Herstellung ist das jedoch nicht unproblematisch.

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Living Labs: Modellprojekte sollten Agri-Photovoltaik voranbringen

Große Formate bergen Herausforderungen für die Produktion der Solarwafer

Die gängigen Laserbearbeitungsanlagen sind auf diese Formate nämlich nicht optimal ausgerichtet. Die Herstellung ist zwar möglich, aber mit Kompromissen behaftet. Entweder muss die Geschwindigkeit des Laserstrahls gedrosselt werden, um der größeren Bearbeitungsfläche gerecht zu werden, oder die Ingenieurinnen und Ingenieure müssen größere Strukturgrößen in Kauf nehmen, was die mögliche Zahl der Transistoren auf einem Wafer herabsetzt. Oder es kann zu Qualitätseinbußen kommen.

Beides ist nicht akzeptabel. Die Qualität der produzierten Wafer darf natürlich nicht abnehmen. Gleichzeitig sollte ein sinkender Durchsatz verhindert werden, weil der Ausstoß herkömmlicher Anlagen ohnehin zu niedrig sind. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesystem ISE haben für diese Herausforderung eine Lösung entwickelt.

Neues Laser-System stellt Wafer 20-mal schneller her

Die Herstellung handelsüblicher Passivated Emitter and Rear-Solarzellen (PERC) läuft normalerweise folgendermaßen ab: Für die elektrischen Kontakte werden die dünnen, isolierenden Schichten mit Laserimpulsen punktuell geöffnet. Entscheidend ist dabei, dass die Öffnungen eine gleichbleibend geringe Größe aufweisen.

Das Fraunhofer-Team hat als Alternative die sogenannte Polygon-Scan-Technologie des Projektpartners MOEWE Optical Solutions GmbH eingesetzt. Dabei bewegt ein schnelldrehendes Spiegelrad den Laserstrahl über die Probe – mit der erstaunlichen Geschwindigkeit von mehr als über 3.000 Kilometern pro Stunde. Das ist etwa 20-mal schneller, als es bei herkömmlichen Galvanometer-Scannern der Fall ist.

Photovoltaikanlagen immer häufiger in Ost-West-Ausrichtung

Unterm Strich stellt die Anlage eine halbe Million Kontaktöffnungen pro Sekunde her, trotz der großen Abmessungen der Wafer. „Um das Potenzial der ultraschnellen Scanner und Laser zu erschließen, haben wir eigens für die Anlage eine Sensorik entwickelt, die trotz der Hochgeschwindigkeit die geforderte Positioniergenauigkeit ermöglicht“, sagt Fabian Meyer, Teamleiter für Laseranlagenentwicklung am Fraunhofer ISE.

Solarwafer haben den gleichen Wirkungsgrad wie herkömmlich produzierte Modelle

Das Ergebnis überzeugt: In der Industrie liegt der Standard bei einem Durchsatz von etwa 7.000 Wafern pro Stunde. Die Anlage am Fraunhofer ISE schafft nach Angaben der Forschenden mehr als doppelt so viel – 15.000 Solarwafern pro Stunde. An Wirkungsgrad haben die PERC-Solarzellen dabei trotzdem nicht eingebüßt. Das hat sich an den Wafern gezeigt, die mit der Demonstrator-Anlage produziert worden sind.

Der hohe Durchsatz dürfte zudem dazu führen, dass die Kosten für die Herstellung der Solar-Wafer weiter sinkt, da es ich bei der Laserprozessierung ohnehin um ein verhältnismäßig günstiges Verfahren handelt. „Die Ergebnisse des Forschungsteams leisten deshalb einen wichtigen Beitrag zur Produktivitätssteigerung und Kostenreduktion in der Solarzellenherstellung“, sagt Ralf Preu, Bereichsleiter Photovoltaik-Produktionstechnologie am Fraunhofer ISE.

Das Fraunhofer ISE wird sein Anlagenkonzept auf der LASER World of PHOTONICS 2022 Ende April in München vorstellen.

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Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

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