So kommen Leiterbahnen mittels Laser auf Solarzellen

Leiterbahnen auf Solarzellen anbringen: Im Verbundprojekt C3PO ist es gelungen, das Laser Transfer and Firing (LTF) erstmals vollautomatisiert abzubilden.

Vollautomatisiert Leiterplatten, sogenannte Kontaktfinger, auf Solarzellen anbringen: Genau das ist nun Forschern im Rahmen des Verbundprojektes C3PO am Fraunhofer-Institut ISE gelungen. Der LTF-Prozess wurde dabei auf einer Anlage der Pulsar Photonics GmbH abgebildet. Damit kann das Verfahren nun im Hinblick auf eine industrielle Umsetzung systematisch getestet und optimiert werden.

Um den in einer Solarzelle erzeugten Strom entnehmen zu können, werden Leiterbahnen aus Metall, sogenannte Kontaktfinger, auf die Solarzelle aufgebracht. Das Standardverfahren hierzu ist der Siebdruck. Hier wird Silberpaste durch ein Sieb auf die Solarzellenvorderseite aufgebracht. Die Solarzellenproduktion ist heute einer der größten Silberkonsumenten weltweit. Auch deshalb werden intensiv alternative Metalle und entsprechende Verfahren zur Kontaktfingeraufbringung untersucht, darunter ein elektrochemisches Verfahren, das sogenannte elektrochemische Plating.

Bevor das Plating allerdings eingesetzt werden kann, muss eine vorhandene elektrische Schutzschicht geöffnet werden. Dies erfolgt heute durch einen speziellen Laserprozess, der die Schutzschicht an bestimmten Stellen gezielt und präzise abträgt. Auf den so entstandenen Kontaktöffnungen wird dann der Kontaktfinger aus zunächst Nickel, dann Kupfer und zuletzt Silber elektrochemisch aufgewachsen.
Mit dem neuen LTF-Verfahren lässt sich nicht nur die elektrische Schutzschicht öffnen, mit ihm lassen sich auch die Metallkontakte anbringen. Es bietet gleich mehrere Vorteile gegenüber dem Standardverfahren. So ist bietet es deutlich mehr Flexibilität bei der Wahl der Kontaktmetalle, indem statt Nickel zum Beispiel auch Aluminium, Titan oder Wismut zum Einsatz kommen können. Das LTF-Verfahren bietet zudem mehr Spielraum beim Kontaktfinger-Layout. Zudem eignet sich das Metallisierungsverfahren auch für Solarzellen mit temperatursensiblen Schichten, da es die Zelle nicht über Raumtemperatur erwärmt.

Der LTF-Prozess besteht aus zwei Teilschritten: Durch ein direktes Laserdruckverfahren wird im ersten Schritt Metall im gewünschten Kontaktfinger-Layout von einer metallbeschichteten Folie auf eine Solarzelle übertragen. An dieser Stelle spricht man zunächst von Lift, dem „Laser Induced Forward Transfer“. Wesentlich dabei ist, dass die übertragenen Metallstrukturen sehr schmal sind, damit die auf die Zelloberfläche auftreffende Sonnenstrahlung nicht übermäßig abgeschattet wird.

„Mit dem Verfahren konnten wir im Labor bereits Metallstrukturen feiner als 5 µm auf die Solarzellenoberfläche aufbringen“, berichtet Dr. Saskia Kühnhold-Pospischil, Projektleiterin am Fraunhofer ISE. In der neuen Anlage wird für den LIFT-Prozessschritt die Solarzelle auf einem Vakuum-Chuck positioniert und unter eine metallbeschichtete Trägerfolie gefahren, von der das Metall auf die Solarzelle übertragen wird. Nach der Metallübertragung wird die Metallfolie vollautomatisch durch ein Rolle-zu-Rolle-System ein Stück weiter transportiert, um den Metallübertrag der nächsten Solarzelle durchführen zu können. Die beschichteten Folien wurden von der Firma ROWO speziell für den LIFT-Prozess entwickelt.

Im zweiten Prozessabschnitt werden die so entstandenen Metallstrukturen auf der Solarzellenoberfläche zu Kontakten ausgebildet. Dies geschieht mittels Laser Selective Heating (LSH). Dazu wird ein Laser der Firma Soliton/ Advalue mit einer Wellenlänge verwendet, welche lediglich von dem übertragenen Metall absorbiert wird, nicht aber vom darunter liegenden Silicium. So wird das Silicium durch diesen Laserschritt nicht beschädigt, was wiederum vorteilhaft für hohe Solarzelleffizienzen ist. Beide Prozessschritte können vollautomatisiert und auf wenige Mikrometer exakt aligniert in der neuen LTF-Anlage durchgeführt werden.

Im Labor war die Funktionalität des neuen LTF-Verfahrens bereits nachgewiesen worden. Im Rahmen des Verbundprojekts mit Namen C3PO („Cool Copper Contacts – Entwicklung einer industriellen Niedertemperatur-Technologie zur Herstellung 20 μm feiner Kupferkontakte für bifaciale Perc, Hetero- und Topcon-Solarzellen“), das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wurde, konnte in einer Zusammenarbeit zwischen Pulsar, Soliton, Rena, Rowo und Fraunhofer ISE der Prozess auf einer industrienahen Anlage erstmals umgesetzt werden. Zukünftig sollen neben der beschriebenen LTF-Anwendung auch Kontaktfinger in ihrer Gänze Schicht für Schicht, also additiv gefertigt werden.

„Sowohl für die Herstellung kleinster 3D Strukturen als auch das lokale Beschichten sensibler Bauelemente sehen wir auch in weiteren Forschungsfeldern Anwendungsmöglichkeiten für die LTF-Technologie. Mit der Pilotanlage und unserem Konsortium bestehen nun beste Voraussetzung diese zukünftig erfolgreich zu entwickeln“, blickt Dr. Jan Nekarda, Abteilungsleiter Strukturierung und Metallisierung am Fraunhofer ISE, in die Zukunft.

db