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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Laserstrukturierung

für 40×40 cm² große Solarmodule

Motivation und Ziele

Eine wichtige Rolle für das Er­reichen hoher Modulwirkungs­grade spielt die pro­zess­inte­grier­te Serienverschaltung. Durch die integrierte Serienverschaltung werden die im Modul entstehen­den elektrischen Verluste mini­miert, wobei durch die Ver­schaltung ein Teil der energie­produzierenden Zellfläche verlo­ren geht. In einem 3-stufigen Struktu­rierungsprozess werden die ein­zelnen Schichten eines So­lar­mo­duls, transparent leitfähige Oxidschicht, Siliziumabsorber und Metallrückkontakt, nach deren jeweiliger Deposition gezielt unterbrochen, so dass am Ende eine Serienverschaltung einzelner Solarzellen entsteht. Das Stromniveau in den leitenden Schichten wird hierdurch reduziert und die ohmschen Verluste in den Kontaktschichten nehmen ab. Um die Flächenverluste gering zu halten, muss die Verschaltung auf möglichst engem Raum stattfinden. Dazu wird die Verschaltung der Module am Institut ausschließlich durch laserinduzierte Ablationsprozesse vorgenommen. Aufgrund der guten Fokussierbarkeit von Laserlicht kann die Größe der abladierten Bereiche klein gehalten werden. Ein weiterer Vorteil, den die Lasertechnologie bietet, sind die hohe Zuverlässigkeit und das hohe Maß an Automatisierbarkeit

MikroskopaufnahmeMikroskopaufnahme des Verschaltungsbereiches eines Dünnfilmsiliziumsolarmodules. Gut zu erkennen sind die einzelnen Laserpulse, welche zusammengesetzt jeweils eine Linie ergeben

Die Qualität und Stabilität von Dünnschicht-Solarmodulen wird stark von der Strukturierung beeinflusst. Bei einer nicht ausreichenden Strukturierungsqualität kann es zu Ausfällen von ganzen Solarmodulen kommen. Deshalb ist es wichtig, die Einflüsse der einzelnen Laserpro-zesse auf unsere Solarmodule zu untersuchen, sowie die genauen Vorgänge, die die Struktu-rierungsqualität bestimmen zu verstehen. Die Strukturierung durch Laserprozesse ist jedoch von komplexen, physikalischen Phänomenen begleitet.

Technische Ausstattung

Das Strukturierungssystem ist mit vier gütegeschalteten Festkörperlasern ausgestattet. Die eingesetzten Laserquellen besitzen eine Wellenlänge von 1064 nm, jedoch werden zwei der Laser bei 532 nm und einer der Laser bei 355 nm betrieben. Die Frequenzvervielfachung wird hierbei durch nichtlineare optische Effekte realisiert. Alle vier Laser arbeiten im Grundmode, auch TEM00-Mode genannt. Die jeweilige Anregung des Lasermediums erfolgt mit Laserdioden. Über mechanische Strahlschalter werden die kollimierten Strahlen der verschiedenen Laser auf einen gemeinsamen Strahlweg gelenkt. Die Laserstrahlen werden durch eine Linse auf das Substrat fokussiert. Solarmodule der Größe 10×10 cm², 30×30 cm² sowie der Größe 40×40 cm² können von dem Halter aufgenommen werden. Da der Laserspot in x-Richtung über das Substrat geführt werden kann und das Substrat selber in y-Richtung beweglich ist, kann jeder Punkt auf dem Substrat durch den Laserstrahl erreicht werden. Sub-strathalter und Ablenkeinheit werden über zwei separate Linearmotoren mit bis zu 1 m/s und einer Genauigkeit im μm-Bereich bewegt.

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