Am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) ist ein alternatives Verfahren zur Herstellung von Solarzellen-Kontakten entwickelt worden. Im Rahmen des Verbundprojekts „C3PO“ ist es Freiburger Forschern gelungen, das sogenannte „Laser Transfer and Firing (LTF)“-Verfahren erstmals vollautomatisch abzubilden. Das könnte die Solarzellen-Produktion langfristig ressourcenschonender machen.

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 mit Silberpaste. Die Solarzellenproduktion ist heute einer der größten Silberkonsumenten weltweit. Auch deshalb würden intensiv alternative Metalle und entsprechende Verfahren zur Kontaktfingeraufbringung untersucht, darunter ein elektrochemisches Verfahren, das sogenannte elektrochemische Plating, heißt es vom Fraunhofer-ISE.

Mehr Flexibilität

Bevor das Plating allerdings eingesetzt werden könne, 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. So der Stand der Technik heute.

Das neue LTF-Verfahren zur Öffnung der elektrischen Schutzschicht und Herstellung der Metallkontakte bietet nun gleich mehrere Vorteile gegenüber dem Standardverfahren. Es ermöglicht eine höhere Flexibilität bei der Wahl der Kontaktmetalle, indem statt Nickel zum Beispiel auch Aluminium, Titan oder Wismut zum Einsatz kommen können. Das LTF-Verfahren biete zudem mehr Spielraum beim Kontaktfinger-Layout, so das Fraunhofer-ISE.

Technologie en detail

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. Wesentlich dabei sei, dass die übertragenen Metallstrukturen sehr schmal sind, damit die auf die Zelloberfläche auftreffende Sonnenstrahlung nicht übermäßig abgeschattet wird, heißt es vom Forschungsinstitut.

»Mit dem Verfahren konnten wir im Labor bereits Metallstrukturen feiner als fünf Mikrometer auf die Solarzellenoberfläche aufbringen«, berichtet 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.

Erstmals auf industrieller Anlage umgesetzt

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 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, erklärt das Fraunhofer-ISE.

Im Labor wurde die Funktionalität des neuen LTF-Verfahrens bereits nachgewiesen. Im Rahmen des Verbundprojekts »C3PO« (»Cool Copper Contacts – Entwicklung einer industriellen Niedertemperatur- Technologie zur Herstellung 20 Mikrometer feiner Kupferkontakte für bifaciale PERC, Hetero- und TOPCon-Solarzellen«), das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wurde, konnte in einer Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Unternehmen und dem 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. (lm)