Bewertung und Optimierung laserbasierter Fertigungsprozesse bei der Herstellung hocheffizienter Solarzellen

  • Evaluation and optimization of laser-based manufacturing processes in the production of high-efficiency solar cells

Baier, Tobias; Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)

Aachen (2014)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Kurzfassung

Grundlage der in dieser Arbeit verfolgten industriellen Maschinenentwicklung sind thermodynamische Zusammenhänge, mit denen die Wechselwirkung zwischen Laserstrahlung und Material während der Bearbeitung mathematisch beschrieben werden kann. Entsprechend der gegebenen Laserparameter wird die daraus resultierende physikalische Materialmodifikation zeitlich und örtlich berechenbar. Damit können bestimmte Laserstrahlquellen anhand ihres Datenblatts von vornherein auf ihre theoretische Eignung für einen bestimmten Laserprozess ausgesucht werden. Dies reduziert den Aufwand für reale Tests, verkürzt die Entwicklungszeit und sorgt für eine frühe Produkteinführung. So zeigt das Modell beispielsweise anschaulich, wie sich Intensität und Pulsdauer auf die Abtragsrate beim Laserbohren von EWT-Zellen auswirken. Daraus wurde deutlich, dass eine Erhöhung der Pulsenergie ab einer bestimmten Grenze keinen weiteren Nutzen bringt, sondern erst in Kombination mit einer Strahlteilung wirtschaftliche Vorteile erzielt. Anhand dieser Erkenntnisse wurden spezielle Strahlquellen ausgesucht und dafür geeignete Strahlteilungskonzepte entwickelt. Gegenüber den Veröffentlichungen in denen max. 3 000 – 4 000 Bohrungen pro Sekunden erreicht wurden, beschreibt diese Arbeit ein industrielles Hochdurchsatzverfahren mit welchem mehr als 12 000 Bohrungen pro Sekunde erzielt wurden. Neben dem Bohrprozess beschreibt das Modell ebenso die Materialmodifikation bei der selektiven Laserdotierung. Mithilfe der theoretischen Betrachtung konnte einerseits ein geeigneter Laser für diesen Prozess gefunden werden, andererseits liefert das Modell Information über mögliche Chancen und Risiken der eingesetzten Strahlformung. Eine weitere Anwendung des Modells dient der Berechnung der Kontaktflächen von Laser-Fired-Contacts bei rückseitenpassiverten Solarzellen. Anhand der Laser- und Optikparameter können die Durchmesser der Schmelzflächen von Silizium und Aluminium berechnet werden, welche wiederum die Werte für Kontaktwiderstand und Serienwiderstand der Rückseitenkontakte direkt beeinflussen. Beide Werte müssen bei der Zellentwicklung über Kontaktdurchmesser und Kontaktanzahl angepasst werden. Da letztgenannte Größen von Laser- und Optikparametern bestimmt werden, dient das Modell dazu, Aussagen über die Eignung der Strahlquellen in wenigen Minuten treffen zu können. Die Entwicklung der Maschinen zur Laserbearbeitung erfolgt sowohl im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Konkurrenzfähigkeit, als auch im Kontext mit anderen Prozessen. So muss die Produktivität der Maschine durch Entwicklung von Strahlteilungskonzepten zu maximalem Durchsatz führen. Das theoretische Modell dient an dieser Stelle ebenso dazu, die Bearbeitungsdauer für eine definierte Strahlquelle zu berechnen. Dadurch liefert das Modell weiterhin die Grundlagen zur Bestimmung des Maschinendurchsatzes. Dieser muss für eine wirtschaftliche Produktion ausreichend hoch sein und muss während der konstruktiven Auslegung der gesamten Maschine berücksichtigt werden. Weiterhin sind in diesem Kontext die Zusammenhänge zwischen verschiedenen Prozessschritten beschreiben. So stellen beispielsweise nachfolgende Prozesse Anforderungen an die Positioniergenauigkeit des Laserstrahls, bzw. machen nachfolgende Fertigungsverfahren die hohe Bearbeitungsqualität eines vorangegangenen Schrittes wieder zunichte. Die Vorstellung der entwickelten Maschinen ist in zwei Abschnitte gegliedert: Maschinen mit bewegten Optiken und mit Scannern. Für beide Typen werden Methoden zur Strahlteilung und zur Prozesskontrolle vorgestellt. Als bewegte Optik kommt eine eigens entwickelte Optikeinheit zum Einsatz, welche Strahlformung, Strahlteilung und Strahlpositionierung in einer kompakten Einheit ermöglicht. Die zugehörige Prozessdiagnose kontrolliert dabei die Leistung der Einzelstrahlen, überprüft das Fokusprofil aller Strahlen und bestimmt die Absolutposition der einzelnen Laserfoki im Maschinenkoordinatensystem. Für scannerbasierte Prozesse wurde eine Strahlweiche mit integrierter Strahlformung entworfen; zur Qualitätssicherung wird ein automatisches Verfahren zur exakten Scanfeldkalibrierung beschrieben. Abschließend ist die Kostenstruktur der vorgestellten Maschinentechnik dargestellt. Je nach Zellkonzept werden die Maschinen mit verschiedenen Lasern und Optikkonzepten ausgerüstet und ihre Anschaffungs- und Betriebskosten werden dem potentiellen Wirkungsgrad der damit herstellbaren Zelltypen gegenübergestellt. Dabei zeichnet sich ab, welches Zellkonzept sich mit diesen Maschinen gegenwärtig als konkurrenzfähig erweist und welche Zellkonzepte bereits heute aus wirtschaftlichen Gründen ausscheiden. Je nach Maschinendesign können mehrere Laserprozesse für verschiedene Zellkonzepte in einer einzelnen Maschine untergebracht werden, womit u. U. noch höhere Wirkungsgradsteigerungen möglich sind. Durch Gegenüberstellung zu den Maschinenkosten erhält man für diese Kombinationsmaschinen höhere Rentabilitäten.

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