Konsortium um Fraunhofer ISE will Waferdurchsatz auf bis zu 20.000 pro Stunde mehr als verdoppeln

Die Solarindustrie soll in Europa wieder Fuß fassen. Ein wichtiger Schritt dafür ist, dass die Photovoltaik-Hersteller wettbewerbsfähig mit der vornehmlich in China ansässigen Konkurrenz sind. Ein Konsortium aus aus Anlagenbauern, Messtechnikherstellern und Forschungsinstituten erarbeitete daher unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE einen Proof-of-Concept für eine innovative Produktionslinie mit einem Durchsatz von 15.000 bis 20.000 Wafern pro Stunde. Dies wäre mindestens eine Verdoppelung des aktuell üblichen Durchsatzes und soll durch zahlreiche Verbesserungen der einzelnen Prozessschritte erreicht werden.

„Für einige Prozesse ging es darum, in der Produktion etablierte Abläufe zu beschleunigen, andere Prozesse haben wir komplett neu entwickelt«, erklärte Florian Clement, Projektleiter am Fraunhofer ISE, bei der Vorstellung der Ergebnisse auf der 8. World Conference on Photovoltaic Energy Conversion in Mailand. „Verglichen mit aktuell üblichen Werten sind als Resultat die Durchsätze der im Projekt entwickelten Produktions-Anlagen mindestens doppelt so hoch.“ Um diese Verbesserung zu erreichen setzten die Forscher unter anderem auf ein neues on-the-fly Anlagenkonzept für die Laserbearbeitung. Dabei werde die Wafer kontinuierlich prozessiert, während sie sich auf einem Band mit hoher Geschwindigkeit unter dem Laserscanner hindurchbewegen. Für die Metallisierung der Solarzellen nutzte das Konsortium nach eigenen Angaben ein Verfahren mit Rotationssiebdruck anstelle des aktuellen Standardverfahrens mit Flachbett-Siebdruck.

Darüber hinaus optimierten sie die für die Solarzellen benötigen unterschiedlich dotierten Bereiche, etwa für den Übergang zwischen Siliziumschicht und den Metallkontakten. Wissenschaftler des Fraunhofer ISE kombinierten die hierfür durchgeführte Diffusion, sowie die thermische Oxidation der Wafer in einem Prozessschritt. Die Wafer würden aufeinander gestapelt in Stacks im Ofen prozessiert. Der thermische Oxidationsprozess sorgt so gleichzeitig für die Entstehung des endgültigen Dotierungsprofils wie auch für die Oberflächenpassivierung. Nach Angaben des Fraunhofer ISE steigt damit der Durchsatz des Verfahrens um den Faktor 2,4.

Auch die Inline-Ofenprozesse seien weiter verbessert worden, da der Kontakt der Elektroden zur Silizium-Solarzelle beidseitig ausgebildet werde. Mit Standard-Öfen wäre für eine Erhöhung des Durchsatzes für diesen Prozessschritt eine deutliche Vergrößerung des Heizraums notwendig gewesen. Das Konsortium entschied sich daher für eine dreimal schnellere Bandgeschwindigkeit im Ofen und verglich die Qualität der so gefeuerten Solarzellen mit dem heutigen Standard. Bei gleichbleibender Effizienz der Solarzellen habe der Durchsatz so deutlich gesteigert werden können. Für die abschließende Charakterisierung der fertigen Solarzellen habe das Konsortium dann zwei Konzepte entwickelt, hieß es weiter. Um die Zellen in Produktionslinien zukünftig schneller testen zu können, gebe es eine kontaktlose Variante und eine Methode mit gleitenden Kontakten. Dies erlaubt es die Zellen auch beim Vermessen kontinuierlich mit einer Bandgeschwindigkeit von 1,9 Metern pro Sekunde zu transportieren, wobei eine hohe Messgenauigkeit erhalten bleibe. Für die kontaktlose Methode sei bereits ein Patentantrag gestellt worden.

Die Forscher des Fraunhofer ISE sind zuversichtlich, dass sie mit ihren Ergebnissen zu einer Wiederbelebung der Photovoltaik-Produktion in Europa beitragen können. Das Forschungsprojekt erhielt auch Fördermittel vom Bundeswirtschaftsministerium. „Im Jahr 2021 wurden 78 Prozent aller Silizium-Solarzellen in China produziert, erklärte Ralf Preu, Bereichsleiter Photovoltaik-Produktionstechnologie am Fraunhofer ISE. „Für einen schnellstmöglichen Ausbau der Solarenergie und um unsere Lieferketten robuster zu machen, sollten wir in Europa wieder eigene Fertigungen von hocheffizienten Solarzellen aufbauen. Eine Steigerung des Durchsatzes und der Ressourceneffizienz der eingesetzten Produktionstechnik ergibt substanzielle Kostenreduktions- und Nachhaltigkeitspotenziale, die wir mit unserer Exzellenz in Prozessverständnis und Maschinenbau heben können:“