Sonnenstrom hat Zukunft: Er ist regenerativ, unbegrenzt verfügbar und erzeugt keine klimaschädlichen Gase. Nur der Preis stimmt noch nicht: Die elektrische Energie, die Solarzellen in Nordeuropa produzieren, kann nicht ohne Subventionen konkurrieren mit dem Strom, den traditionelle Kraftwerke erzeugen – bis jetzt. Denn Fraunhofer-Forscher wollen mithilfe von Lasern Solarzellen künftig schneller, besser und billiger herstellen und dabei auch noch ihre Effizienz steigern.
Handy, Computer, MP3-Player, Küchenherd und Bügeleisen haben eines gemeinsam: Sie brauchen Strom. Künftig werden auch immer mehr Autos mit elektrischer Energie fahren. Wenn man der jüngsten Prognose des Weltenergierats WEC glaubt, wird sich der weltweite Strombedarf in den nächsten 40 Jahren verdoppeln. Gleichzeitig steigen die Preise für die immer knapper werdenden Ressourcen an Erdöl und -gas.
Steigende Energiepreise
„Steigende Energiepreise machen alternative Energiequellen zunehmend rentabel. Innerhalb der nächsten Jahre werden regenerative Energiequellen, wie zum Beispiel die Solarenergie, konkurrenzfähig werden – auch ohne Subventionen“, erläutert Arnold Gillner vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen. „Die Fachwelt rechnet innerhalb der nächsten Jahre mit einer Grid-Parity, also einer Kosten- und Chancengleichheit im Netz für Sonnenstrom beziehungsweise konventionell erzeugtem Haushaltsstrom.“
Zusammen mit seinem Team entwickelt der Forscher jetzt Technologien, mit denen sich Solarzellen effektiver herstellen lassen: „Laser arbeiten schnell, präzise und berührungsfrei. Sie sind damit ein ideales Werkzeug für die Fertigung der fragilen Solarzellen. Tatsächlich werden Laser heute schon in der Produktion eingesetzt, die Prozesse lassen sich jedoch noch deutlich optimieren.“
Neue Produktionstechnologien erlauben neue Designvarianten
Neben der schrittweisen Verbesserung der Fertigungstechnik erarbeiten die Physiker und Ingenieure in Aachen zusammen mit den Entwicklern von Solarzellen – beispielsweise am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg – neue Konstruktions- und Designvarianten.
Die Ergebnisse sind schon jetzt zum Teil verblüffend. Wie die Forscher vom 15. bis 18. Juni 2009 auf der Messe „Laser 09“ in München zeigen werden, lassen sich beispielsweise Siliziumzellen mit Lasern in atemberaubender Geschwindigkeit durchlöchern: mehr als 3.000 Bohrungen erzeugt die Laseranlage des ILT innerhalb einer Sekunde.
Winzige Löcher im Wafer
Weil sich die Laserquelle nicht so schnell bewegen lässt, haben die Experten eine Konstruktion aus Spiegeln entwickelt, die den Lichtstrahl auf die gewünschten Punkte leiten und fokussieren. „Wir experimentieren derzeit mit unterschiedlichen Laserquellen und Optiken“, erklärt Gillner. „Unser Ziel ist es, die Leistung auf 10.000 Löcher pro Sekunde zu steigern. Diese Geschwindigkeit ist notwendig, um innerhalb der Taktzeit der Produktionsmaschinen einen Wafer mit 10.000 bis 20.000 Löchern zu versehen.“
Die winzigen Löcher im Wafer – ihr Durchmesser beträgt nur 50 Mikrometer – eröffnen den Solarzellenentwicklern bisher ungeahnte Möglichkeiten: „Durch die Löcher lassen sich die elektrischen Kontakte, die bisher auf der Oberseite der Zellen angeordnet waren, auf die Rückseite verlagern. Das hat den Vorteil, dass die Elektroden, die bisher als dunkles Gitter Licht absorbieren, verschwinden – die Energieausbeute steigt. Das Ziel ist ein Wirkungsgrad von 25 Prozent bei industriell gefertigten EWT-Zellen – die Abkürzung steht für Emitter-Wrap-Through -, die ein Drittel mehr als klassische Siliziumzellen leisten“, resümiert Gillner.
Solarzellen aus „schmutzigem“ Silizium?
Das Konstruktionsprinzip an sich bleibt dabei unverändert: Lichtteilchen, die Photonen, erzeugen in der Halbleiterschicht negative Elektronen und positive Löcher, die dann zu den jeweils entgegengesetzt gepolten Elektroden wandern. Die Kontakte für Anode und Katode liegen bei den EWT- Zellen jedoch auf der Rückseite, die Abschattung durch die Elektroden entfällt, der Wirkungsgrad steigt. Mit dieser Technik lassen sich möglicherweise eines Tages Solarzellen aus ungereinigtem, „schmutzigen“ Silizium fertigen, die zwar schlechtere elektrische Eigenschaften haben, aber billiger sind.
Viele Laseranwendungen in der Solarzellenfertigung
Das Durchlöchern von Siliziumzellen ist dabei nur eine von vielen Laseranwendungen in der Solarzellenfertigung. Im EU-Projekt Solasys – Next Generation Solar Cell and Module Laser Processing Systems – entwickelt derzeit ein internationales Forscherteam neue Technologien, mit denen sich die Produktion in Zukunft optimieren lässt. Koordiniert wird das 6-Millionen-Euro-Vorhaben vom ILT in Aachen: „Wir arbeiten an neuen Verfahren, die das Dotieren der Halbleiter, das Bohren und die Oberflächenstrukturierung von Silizium, die Kantenisolierung der Zellen und das Verlöten der Module wirtschaftlicher machen“, erklärt Gillner.
Durch „Selektives Laserlöten“ beispielsweise lassen sich Ausschussrate und Qualität der Kontaktierungen verbessern und damit die Herstellungspreise senken: Bisher werden die Elektroden mechanisch auf die Zellen aufgedrückt und dann im Ofen erhitzt. „Dabei zerbrechen immer wieder Siliziumzellen“, sagt Gillner. „Bruch ist ein Hauptkostenfaktor bei der Produktion.“
Beim Selektiven Laserlöten hingegen werden die Kontakte durch Druckluft auf die Zellen gepresst und dann mit dem Laser verlötet. Die mechanische Belastung geht gegen Null, die Temperatur lässt sich exakt regeln. Das Ergebnis: optimale Kontakte und kaum Ausschuss.
Lasertechnik erhöht den Wirkungsgrad von Dünnschichtzellen
Auch die Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen lässt sich mit Lasertechnik optimieren. Noch haben die hauchdünnen Schichtpakete aus halbleitendem Oxid, amorphem Silizium und Metall, die auf Glasplatten aufgedampft werden, nur einen Marktanteil von fünf bis acht Prozent.
„Dieser könnte höher sein, denn Dünnschicht-Solarzellen lassen sich überall einsetzen, wo undurchsichtige Glasverkleidungen angebracht werden können – beispielsweise an Hausfassaden oder Schallschutzwänden“, erläutert Gillner. „Doch die Wirkungsgrade sind mit fünf bis acht Prozent vergleichsweise niedrig und die Produktionskosten hoch.“
Letzteres wollen die Laserforscher jetzt ändern. Bisher verwenden die Hersteller mechanische Verfahren oder Festkörperlaser im Nanosekundenbereich, um die aktiven Schichten auf den Glasplatten zu strukturieren: Um elektrische Verbindungen zwischen Halbleiter und Metall zu erzeugen, müssen Gräben von nur wenigen Mikrometern Breite gezogen werden. Auf der Laser 09 zeigen die ILT-Forscher einen 400-Watt-Ultrakurzpulslaser, mit dem sich Dünnschicht-Solarmodule zehnmal schneller bearbeiten lassen als mit konventionellen diodengepumpten Festkörperlasern.
Ultrakurzpulslaser arbeitet präzise
„Der Ultrakurzpulslaser ist ein ideales Werkzeug für den Abtrag dünner Schichten: Er arbeitet sehr genau, erwärmt das Material nicht und braucht mit 80 MHz Pulsfrequenz nicht einmal zwei Minuten, um eine Glasscheibe von zwei mal drei Metern Größe zu bearbeiten“, so Gillner. „Die Technik ist noch sehr neu und erfordert zunächst die Entwicklung von Hochleistungs-Scansystemen und prozessangepassten Optiken. Mittelfristig lassen sich mit dieser Technik jedoch die Produktionskosten senken.“
In der Solartechnik hat der Siegeszug der Lasertechnik gerade erst begonnen, und er ist noch lange nicht zu Ende: „Laser erleichtern und optimieren die Fertigung von klassischen Silizium- und Dünnschichtzellen und sie erlauben die Entwicklung neuer Designvarianten“, resümiert Gillner. „So leistet Lasertechnik einen wichtigen Beitrag zur weiteren Durchdringung des Energiemarktes mit regenerativen Energiequellen.“
(idw – Fraunhofer-Gesellschaft, 02.06.2009 – DLO)
