Die entscheidende Rolle der Lasertechnologie bei der Herstellung von Photovoltaikzellen

Da die Photovoltaikindustrie (PV) kontinuierlich höhere Wirkungsgrade und niedrigere Herstellungskosten anstrebt, ist die Prozesstechnologie zu einem entscheidenden Faktor für die Leistungsfähigkeit und Skalierbarkeit von Solarzellen geworden. Von PERC über TOPCon und HJT bis hin zu Perowskit- und Tandem-Solarzellen werden die Zellarchitekturen immer komplexer, während die Prozessfenster immer kleiner werden. In diesem Kontext hat sich die Lasertechnologie von einem unterstützenden Werkzeug zu einer zentralen Fertigungstechnologie entwickelt, die die Grundlage für mehrere Generationen hocheffizienter PV-Zellen bildet.

In PERC-Produktionslinien ermöglicht die Laserablation die Strukturierung von Passivierungsschichten im Mikrometerbereich zur Herstellung stabiler lokaler Kontakte. In der TOPCon-Fertigung gilt die Laser-Bor-Dotierung als Schlüsselfaktor für Zellwirkungsgrade von über 26 %. Bei den neuartigen Perowskit- und Tandemzellen entscheidet das Laser-Scribing direkt darüber, ob eine großflächige und hochgradig gleichmäßige Produktion realisierbar ist. Dank ihrer berührungslosen Natur, hohen Präzision und minimalen Wärmeeinflusszone hat sich die Lasertechnologie zu einem unverzichtbaren Faktor für Effizienzsteigerungen und Fertigungssicherheit in der gesamten Photovoltaikindustrie entwickelt.

Lasertechnologie als gemeinsame Grundlage für die fortschrittliche PV-Fertigung

Mit dem Fortschritt der Zelltechnologien stehen die Hersteller vor mehreren gemeinsamen Herausforderungen: feinere Strukturmerkmale, empfindlichere Materialien und immer strengere Anforderungen an die Ausbeute. Die Laserbearbeitung begegnet diesen Herausforderungen durch eine einzigartige Kombination von Fähigkeiten:
* Berührungslose Bearbeitung, wodurch mechanische Spannungen und Mikrorisse vermieden werden
* Räumliche Kontrolle auf Mikrometerebene, geeignet für feine und komplexe Zellstrukturen
* Lokalisierte, ultrakurze Energiezufuhr zur Minimierung thermischer Schäden
* Hohe Kompatibilität mit Automatisierung und digitaler Prozesssteuerung
Diese Eigenschaften machen die Lasertechnologie zu einer äußerst vielseitigen und aufrüstbaren Prozessplattform, die von herkömmlichen kristallinen Siliziumzellen bis hin zu Tandemarchitekturen der nächsten Generation Anwendung findet.

Wichtige Laseranwendungen in den gängigen Zelltechnologien
1. PERC-Zellen: Ein ausgereiftes Laserbearbeitungsmodell
Der industrielle Erfolg der PERC-Technologie (Passivated Emitter and Rear Cell) ist eng mit der großflächigen Laserbearbeitung verknüpft. Mittels Laserablation wird die Aluminiumoxid-Passivierungsschicht auf der Rückseite selektiv geöffnet, wodurch lokale Rückseitenkontakte entstehen, während die Passivierungsleistung erhalten bleibt.
Darüber hinaus ermöglicht die selektive Dotierung mittels Laseremitter (SE) eine lokalisierte, hohe Dotierung unterhalb der Vorderseitenkontakte, wodurch der Kontaktwiderstand reduziert und die Zelleffizienz typischerweise um etwa 0,3 % verbessert wird. Die ausgereiften und stabilen Laserprozesse haben die langfristige Massenproduktion und Marktführerschaft von PERC-Zellen ermöglicht.

2. TOPCon-Zellen: Laser-Bor-Dotierung als bahnbrechender Prozess
TOPCon-Zellen (Tunnel Oxide Passivated Contact) nutzen N-dotierte Siliziumwafer und bieten dadurch Vorteile hinsichtlich Ladungsträgerselektivität und elektrischer Leistung. Die konventionelle Bor-Diffusion mittels Hochtemperaturöfen birgt jedoch Herausforderungen wie hohen Energieverbrauch, geringeren Durchsatz und ein erhöhtes Risiko für die Integrität des Tunneloxids.
Die Laser-Bor-Dotierung ermöglicht eine lokalisierte, ultraschnelle Erwärmung, wodurch Boratome gezielt in bestimmte Bereiche diffundieren können, ohne den gesamten Wafer hohen Temperaturen auszusetzen. Dieses Verfahren reduziert den Kontaktwiderstand signifikant und erhält gleichzeitig die Passivierungsqualität. Es gilt weithin als entscheidender Prozess zur Steigerung der TOPCon-Effizienz auf über 26 %.

3. HJT-Zellen: Laserinduziertes Tempern zur Optimierung der Grenzfläche
HJT-Zellen (Heterojunction-Zellen) nutzen amorphe Siliziumschichten für eine ausgezeichnete Oberflächenpassivierung. Dennoch können Grenzflächendefekte wie ungesättigte Bindungen zur Ladungsträgerrekombination führen.
Die laserinduzierte Temperung (LIA) nutzt kontrollierte Laserbestrahlung, um die Wasserstoffmigration an der Grenzfläche zwischen amorphem und kristallinem Silizium zu aktivieren und so Defekte in situ zu reparieren. Dieses Verfahren verbessert nachweislich die Leerlaufspannung (Voc) und den Füllfaktor (FF) und ist daher eine praktikable Methode zur Optimierung des Wirkungsgrades von Heterojunction-Transformatoren (HJT).

4. Perowskit- und Tandemzellen: Laserstrukturierung für skalierbare Integration
Bei Perowskit- und Perowskit/Silizium-Tandemzellen ist die Laserbearbeitung nicht nur ein Fertigungsverfahren, sondern auch ein wichtiger Strukturierungsschritt. Standardmäßige Laserstrukturierungsschritte (P1, P2 und P3) definieren die Elektrodensegmentierung, die Subzellenisolation und die Reihenschaltung.
Aufgrund der Empfindlichkeit und der unterschiedlichen thermischen Stabilität funktionaler Schichten ist die Laserbearbeitung – mit ihren berührungslosen und hochpräzisen Eigenschaften – unerlässlich für die Erzielung hoher Effizienz und Gleichmäßigkeit in großflächigen Bauelementen. Daher gilt das Laser-Scribing als einer der Kernprozesse für die Industrialisierung von Tandemzellen.

Allgemeine Laserprozesse zur Kostenreduzierung und Ertragssteigerung
Über zellspezifische Anwendungen hinaus unterstützt die Lasertechnologie auch mehrere plattformübergreifende Fertigungsschritte:
* Laserbasierte Rasterlinienübertragung: Ermöglicht feinere Elektroden und eine verbesserte Konsistenz im Vergleich zum Siebdruck, wodurch der Silberpastenverbrauch deutlich reduziert wird, insbesondere bei Niedertemperaturprozessen wie HJT.
* Beschädigungsfreies Laser-Sägen: Ermöglicht präzise Halbzellen- und Mehrfachschnittbearbeitung mit reduziertem Mikrorissrisiko und verbessert so die Modulleistung.
* Laser-Kantenisolierung und -Passivierung: Repariert Kantenschäden nach dem Schneiden, reduziert Rekombinationsverluste und trägt zu Effizienzsteigerungen auf Modulebene bei.
Diese allgemeinen Laserprozesse spielen eine wichtige Rolle bei der Senkung der Kosten pro Watt und der gleichzeitigen Verbesserung der gesamten Fertigungsausbeute.

Wärmemanagement : Die Grundlage für eine stabile Laserbearbeitung
Mit der Entwicklung der PV-Fertigung hin zu höherem Durchsatz und längerem Dauerbetrieb hängt die Stabilität des Laserprozesses zunehmend von einer präzisen Temperaturregelung ab. Selbst geringfügige Schwankungen der Laserleistung können den Kontaktwiderstand, die Defektdichte oder die Linienbreitenkonsistenz direkt beeinflussen.
In Produktionsumgebungen arbeiten Laserquellen und optische Komponenten unter dauerhafter thermischer Belastung. Zuverlässige Kühl- und Temperaturregelungssysteme sind daher unerlässlich, um die Laserenergiestabilität zu gewährleisten, Leistungsdrift zu minimieren und reproduzierbare Bearbeitungsergebnisse sicherzustellen. Ein effektives Wärmemanagement von Laserquellen, Leistungsmodulen und optischen Baugruppen trägt direkt zu höherer Ausbeute und Prozessrobustheit bei, insbesondere bei TOPCon-, HJT- und Tandemzellen mit geringeren Prozesstoleranzen.
Industrielle Temperaturregelungslösungen, die für Hochleistungslaseranwendungen entwickelt wurden, entwickeln sich kontinuierlich in Richtung größerer Stabilität, schnellerer Reaktionszeit und langfristiger Betriebssicherheit weiter und bilden damit eine solide Grundlage für die fortschrittliche PV-Fertigung.

Abschluss
Von der großflächigen Kommerzialisierung von PERC-Zellen über die rasche Verbreitung von TOPCon- und HJT-Technologien bis hin zur Erforschung von Tandemarchitekturen spielt die Lasertechnologie in den kritischsten Schritten der Photovoltaikzellenherstellung eine zentrale Rolle. Sie definiert zwar nicht die theoretische Wirkungsgradgrenze, ist aber maßgeblich dafür, ob dieser Wirkungsgrad konsistent, kontrolliert und in großem Maßstab erreicht werden kann.
Da die PV-Industrie auf höhere Effizienz und größere Fertigungssicherheit hinarbeitet, wird die Laserbearbeitung zusammen mit der Systemunterstützung, die ihre Stabilität gewährleistet, ein grundlegender Treiber des technologischen Fortschritts und der industriellen Modernisierung bleiben.