Wissenschaftler des Fraunhofer ISE in Deutschland haben zusammen mit einem Konsortium aus Anlagenherstellern, Metrologieunternehmen und Forschungsinstituten ein neues Produktionslinienkonzept für hocheffiziente Siliziumzellen mit einem Durchsatz von 15.000 bis 20.000 Plättchen pro Stunde entwickelt – etwa doppelt so viel wie üblich Menge.
Eine Gruppe von Anlagenherstellern, Messtechnikunternehmen und Forschungsinstituten unter Leitung des deutschen Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) hat mehrere Schritte im Produktionsprozess von Siliziumsolarzellen optimiert, was einem Durchsatz von 15.000 bis 20.000 Plättchen pro Stunde entspricht – etwa das Doppelte der üblichen Menge.
Eine der Innovationen betrifft die Integration des Diffusionsprozesses, der die solare Dotierung und die thermische Oxidation von Wafern in einem Schritt kombiniert. Die thermische Oxidation von Wafern wird üblicherweise in Öfen durchgeführt, wobei die Wafer in sogenannten Quarzgestellbooten durch den Ofen transportiert werden. Normalerweise werden Wafer einzeln in diese Boote gelegt, aber die Forscher optimierten den Prozess, indem sie die Wafer in speziellen Quarzbooten übereinander stapelten. Der resultierende Oxidationsprozess erzeugt das endgültige Dotierungsprofil und erzielt gleichzeitig eine Oberflächenpassivierung, was den Prozessdurchsatz um den Faktor 2,4 erhöht.
Im nächsten Prozessschritt wird in Inline-Öfen der Kontakt zu den beidseitig aufgedruckten Elektroden der Silizium-Solarzellen hergestellt. Um den Durchsatz an diesem Punkt zu erhöhen, installierten die Forscher eine deutlich höhere Bandgeschwindigkeit im Ofen und umgingen so die standardmäßige Notwendigkeit einer viel größeren Heizkammer. Die Gruppe verglich die Qualität von gesinterten Solarzellen mit dem aktuellen Standard und stellte fest, dass der Durchsatz deutlich anstieg, ohne die Effizienz der Solarzellen zu beeinträchtigen.
Während solche Prozesse beschleunigt wurden, mussten andere „von Grund auf neu erfunden werden“, sagt Florian Clement, Projektleiter am Fraunhofer ISE. In einer der Neuentwicklungen implementierten die Forscher eine neue On-the-Fly-Laserausrüstung, die Wafer kontinuierlich bearbeitet, während sie sich mit hoher Geschwindigkeit unter dem Laserscanner bewegen. Für die Metallisierung von Solarzellen führte das Konsortium statt des bisher üblichen Flachsiebdrucks den Rotationssiebdruck ein. Diese Technik könnte den Geldbetrag, der für die Herstellung von Solarzellen benötigt wird, erheblich reduzieren und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad der Stromumwandlung aufrechterhalten.
Schließlich entwickelten die Forscher zwei neue Konzepte, um das Testen von Zellen durch zukünftige Produktionslinien zu beschleunigen: ein kontaktloses Verfahren und ein Verfahren mit Schleifkontakten. Mit den neuen Methoden können Zellen bei einer kontinuierlichen Geschwindigkeit von 1,9 Metern pro Sekunde genau vermessen werden. Das Team hat das kontaktlose Verfahren zum Patent angemeldet.
Die detaillierten Ergebnisse des Forschungsprojekts präsentiert das Konsortium diese Woche auf der World Photovoltaic Energy Conversion Conference in Mailand, Italien. China produziert immer noch die meisten Silizium-Solarzellen der Welt – bis zu 78 % im Jahr 2021 – daher sieht die Gruppe die Ergebnisse des Projekts als eine Möglichkeit, europäische Fabriken wettbewerbsfähiger zu machen.
„Um möglichst schnell mehr Solaranlagen einzusetzen und unsere Lieferketten robuster zu machen, sollte Europa wieder eigene Produktionszentren für hocheffiziente Solarzellen aufbauen“, sagt Ralf Preu, Bereichsleiter PV-Produktionstechnik bei Fraunhofer . ISE. „Indem wir den Durchsatz erhöhen und die Produktionstechnologie ressourceneffizienter gestalten, können wir die Kosten erheblich senken und das Nachhaltigkeitspotenzial erschließen, das wir durch Prozesswissen und technische Exzellenz erschließen können.“
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