Der Zellen-Doktor

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Wer am oberen Zipfel Norwegens an Solarenergie denkt, muss ein Überzeugungstäter sein. Es ist kalt, und zumindest im Winter scheint die Sonne nicht viel. Produktmanager Knud Clausen vom Unternehmen Innotech Solar ist bei minus vier Grad Celsius unterwegs in Narvik. Er gibt defekten Zellen eine zweite Chance. „Wenn wir ausgesonderte Materialien wieder nutzbar machen, wird die Photovoltaikindustrie noch ökologischer“, sagt er und zeigt auf eine verschneite Produktionshalle, in der kristalline Zellen mit einer speziellen Lasertechnik repariert werden.

Viele der hier eingelieferten Solarzellen haben interne Kurzschlüsse, sogenannte Shunts. Sie beeinträchtigen den Wirkungsgrad der Zelle so erheblich, dass die Solarzellen für die Modulherstellung kaum noch zu gebrauchen sind.

Innotech behauptet, eine Lösung dafür gefunden zu haben, was großen Erfolg verspricht, wenn die Reparatur nicht zu viel kostet und die Qualität und die erwartete Lebensdauer stimmen.

Kurzschlüsse kaum zu vermeiden

Die nicht gewünschten Shunts sind kaum zu vermeiden und entstehen schon während der Produktion der Zellen. Bereits ganz zu Beginn der Prozesskette, wenn die Siliziumblöcke hergestellt werden, können Verunreinigungen in die langsam erstarrende Siliziumschmelze übergehen und Materialfehler verursachen, die später zu den Kurzschlüssen führen.

Einige Prozessschritte danach wird die Oberfläche des Wafers im Diffusionsofen mit Phosphoratomen zur n-leitenden Schicht dotiert. Dann ist allerdings die gesamte Oberfläche mit solch einer Schicht überzogen. So entsteht eine ungewollte elektrische Verbindung zwischen der Vorder- und Rückseite des Wafers – es kommt zum Kurzschluss. Um das zu verhindern, werden im nächsten Produktionsschritt die Kanten des Wafers abgetrennt, sei es durch Ätzen, Sägen oder Lasern. Doch diese Kantenisolierung klappt nicht immer einwandfrei und kann das Material schädigen, was wiederum neue Kurzschlüsse verursacht.

Zellen mit internen Kurzschlüssen sind besonders leistungsschwach und werden am Ende aussortiert. Sie erreichen keine der üblichen Leistungsklassen von 3,5 bis vier Watt und können im besten Fall noch für Solarspielzeug verwendet werden. Wie hoch die Ausschussquote in der Produktion genau ist, geben die Zellher-steller nicht preis, da defekte Zellen ein Tabuthema sind. Experten schätzen, dass im Mittel zwei Prozent der Solarzellen durch Kurzschlüsse unbrauchbar werden. Klingt wenig, doch bei der aufwändigen Photovoltaikproduktion fällt auch dieser kleine Prozentsatz ins Gewicht. Denn Ausschusszellen, die sich nicht mehr in anspruchsloseren Kleinanwendungen, wie in einer solaren Gartenlampe, unterbringen lassen, können nur noch energieaufwändig eingeschmolzen und recycelt werden.

Eine Alternative zum Schmelzofen befindet sich nun im kalten Norwegen. Dort ist Innotech Solar nach jahrelanger Forschung zum Zellen- Doktor avanciert und kann kurzgeschlossene Zellen wieder fit machen. „Indem wir die Shunts isolieren, werden sie inaktiv und die Zellen erreichen wieder die gleichen Wirkungsgrade wie Originalzellen“, sagt Clausen.

Reparieren statt Recyceln

Die Forscher entdecken die sonst unsichtbaren Shunts mit Hilfe einer Wärmebild-Kamera. Da Kurzschlüsse praktisch keinen Widerstand haben, kann durch sie ein sehr hoher Strom fließen. Dadurch erhitzen sich die defekten Stellen unter elektrischer Last sehr stark und werden so auf der thermographischen Aufnahme als glühende, weiße Punkte sichtbar.

Nachdem die schadhaften Stellen entdeckt wurden, übernimmt ein Laser die Reparatur. Er umkreist die kurzgeschlossenen Bereiche und durchtrennt dabei die leitenden Schichten. So befindet sich ein elektrisch abgetrennter, toter Punkt auf der Zelle, der den Rest der Zelle nicht mehr beeinträchtigen kann. Sobald die defekten Stellen isoliert sind, kann sich der Wirkungsgrad der Solarzelle nach Angaben der Firma im Einzelfall um bis zu 70 Prozent verbessern, so dass sie dann wieder den üblichen Leistungsklassen entspreche.

Selbst vor Kontaktlinien macht der Laser nicht halt. Denn obwohl störende Verunreinigungen im Silizium meist nicht größer als fünf Mikrometer sind, ziehen sie einen viel größeren Teil der Zelle in Mitleidenschaft, vor allem wenn sie einen Metallkontakt berühren. Eine kleine Reparatur kann in diesem Fall, selbst wenn dabei ein Kontaktfinger verloren geht, ganze Zellbereiche wieder aktivieren. Generell geht bei jeder Isolierung eine Fläche von wenigen Quadratmillimetern verloren. Dadurch komme es zwar zu einem Leistungsverlust, gibt Innotech Solar an, doch dieser sei so gering, dass er sich gar nicht messen lasse. Er liege innerhalb der Messtoleranzen der Geräte.

Nachdem der Laser alle kurzgeschlossenen Stellen repariert hat, kommen die Zellen nochmals unter die Wärmebild-Kamera, um sicherzugehen, dass die Isolierung geklappt hat. Denn genauso wie bei der Kantenisolierung kann es auch bei diesem Laserprozess vorkommen, dass nicht alles einwandfrei klappt. „Unser Thermo-Check ist eine zusätzliche Qualitätsprüfung. Denn verbleibende Kurzschlüsse könnten die Lebensdauer der Module deutlich beeinträchtigen“, sagt Clausen. Doch noch lange nicht alle Zellen lassen sich auf diese Weise reparieren. Es gibt eine ganze Reihe verschiedener Kurzschlusstypen, von denen mancher tückisch ist und sich nicht so einfach eliminieren lässt. „Da bei uns jede einzelne Zelle auf Herz und Nieren geprüft wird, können wir solche Zellen gezielt aussortieren. Aber auch diese können für so manche Sonderanwendung noch verwendet werden“, sagt Clausen.

Die Tücke liegt im Detail

So einfach, wie es klingt, ist die Reparatur allerdings nicht. Zwei Jahre intensiver Forschung liegen hinter den Ingenieuren, bis alles reibungslos klappte. Vor allem die Auswahl des richtigen Lasers bereitet den Forschern Kopfzerbrechen. „Besonders die metallischen Kontaktlinien und die Anti-Reflex-Schicht waren eine Herausforderung“, erinnert sich Clausen. Denn die Metalle und das für die Beschichtung verwendete Siliziumnitrid haben unterschiedliche Absorptionseigenschaften, so dass die Laser zur Bearbeitung der beiden Materialien eigentlich verschiedene Farben haben müssten. Hier galt es, die richtige Laserquelle zu finden, die alle Anforderungen erfüllen kann.

Doch selbst heute muss der Laser noch für jede einzelne Zelle exakt angepasst werden. „Jeder Hersteller hat eine andere Rezeptur“, verrät Clausen. Denn alle kristallinen Zellen, die in Norwegen angeliefert werden, haben andere elektrische und mechanische Eigenschaften, zudem variieren die Zelldicken und die verwendeten Materialien. Wie Innotech Solar den Laser auf die einzelnen Rezepturen einstellt, will Clausen nicht verraten, doch die Forscher scheinen ihr Ziel nicht verfehlt zu haben. Auf der etwa 20 Meter langen Fertigungslinie in Narvik können seit letztem Sommer sowohl mono- als auch multikristalline Zellen repariert werden, egal ob sie zwei oder drei Busbars haben oder aus welchen Materialkombinationen sie bestehen.

Andere Forschungseinrichtungen beobachten die Geschäftsidee von Innotech Solar erst einmal mit Skepsis. Zwar ist Aart Schoonderbeek, Mitarbeiter des Laser Zentrums Hannover, von der technischen Machbarkeit überzeugt, doch er denkt, dass sich die Technologie erst durchsetzt, wenn sich die Reparatur auch wirtschaftlich lohnt. „Bisher wurden solche Shunt-Isolierungen nur im Labor gemacht, weil es einfach zu aufwändig ist, sie im großen Maßstab umzusetzen“, sagt er. Ähnlich reagiert auch Ralf Preu vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, der dort Abteilungsleiter für Produktionstechnologie in der Photovoltaik ist. „Die Idee ist gut, aber sinnvoller wäre es, die Reparatur direkt in der Produktionslinie zu integrieren“, gibt er zu bedenken. Das wäre im Prinzip auch möglich, doch bei einer einzelnen Fertigungslinie fallen nicht genügend kurzgeschlossene Zellen an. Erst wenn viele Zellen von verschiedenen Herstellern zusammenkommen, lohne sich die aufwändige Reparatur, sagt Clausen.

Öko-Modul mit Win-Win-Situation

Auch in Deutschland sollen bald Reparaturzentren eingerichtet werden, möglichst nahe an den großen Zellherstellern, um die Transportwege klein zu halten. Die Fachwelt ist jedenfalls interessiert, wenn auch noch nicht restlos überzeugt. Aus reparierten Zellen tatsächlich Module zu bauen, das ist für viele ein Novum. Häufig angesprochen wird da das sogenannte Mismatching-Problem. Es tritt auf, wenn Solarzellen mit unterschiedlichen Leistungen in einem Modul verbaut werden. Denn im Modul sind die Zellen in einer Reihe geschaltet, und das schwächste Glied bestimmt die Leistung der gesamten Kette. Doch Clausen entwarnt: „Alle reparierten Zellen werden durchgemessen und in verschiedene Leistungsklassen sortiert. In jedes Modul kommen nur Zellen mit der gleichen Leistung.“

Nach der Reparatur baut Innotech Solar aus den ehemals defekten Zellen seine eigenen mono- und polykristallinen Module mit einer Leistung von bis zu 230 Watt. „Wir verschweigen unseren Kunden nicht, dass es sich um reparierte Zellen handelt. Es gibt keinen Grund dazu“, sagt Clausen mit einem ruhigen Gewissen. Denn die Module sind TÜV-geprüft und sowohl nach europäischen als auch nach amerikanischen Normen zertifiziert. Das bestätigt auch das Photovoltaik-Institut in Berlin. Die Prüfer fanden keinerlei Abweichung im Vergleich zu anderen kristallinen Zellen, die sie bisher in ihrem Labor untersucht hatten.

Genauso wie andere Hersteller gibt Innotech Solar 25 Jahre Garantie auf 80 Prozent sowie zehn Jahre Garantie auf 90 Prozent der Modulleistung. Zudem bekommt der Käufer die Solarmodule laut Innotech zu einem niedrigeren Preis und mit dem guten Gefühl, ein ganz besonders umweltfreundliches, ressourcenschonendes Produkt erworben zu haben, sagt Clausen. Der Zellproduzent hingegen habe den Vorteil, dass er sich nicht mehr selbst um die Ausschusszellen kümmern müsse. Innotech Solar kaufe ihm die defekten Zellen ab und sorge gleichzeitig dafür, dass sie nicht unbearbeitet in anderen Modulen wieder auftauchten, was einen großen Imageschaden verursachen könne.

Im verschneiten Narvik stehen die Maschinen in der Produktionshalle laut Innotech nicht mehr still. Über 1.000 kristalline Solarzellen reparieren die 25 Mitarbeiter hier pro Stunde. Die Kapazität der Produktion liegt bei 35 Megawatt und soll noch dieses Jahr erweitert werden. Bleibt nur zu hoffen, dass dem Zellen-Doktor nicht irgendwann die kurzgeschlossenen Zellen ausgehen. Denn die Forschung schläft nicht, wenn es darum geht, bereits das Entstehen von Kurzschlüssen zu verhindern.

Doch Innotech Solar plant auch schon für die Zukunft. Seine Ingenieure forschen an weiteren Methoden, damit irgendwann nicht nur die Kurzschlüsse, sondern alle Defekte bei Solarzellen behoben werden können. Und Clausen geht sogar noch weiter: „Mein Traum ist es, auch auf Modulebene noch reparieren zu können.“