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zu SECIS - Fakultät 06 - Hochschule München

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Ultrakurzpuls-Laser

Ultrakurzpuls-Laser steigern die Effizienz von Solarzellen Bundesumweltministerium fördert Entwicklung von präziseren und kostengünstigeren Produktionsverfahren für Solarzellen mittels Ultrakurzpuls-Lasern an der Hochschule München Solarenergie – unendlich verfügbar und umweltfreundlich, frei von CO2-Emissionen oder anderen Abgasen, unabhängig von Erdölexporten, geringer Verlust beim Energietransport durch dezentrale Photovoltaikanlagen. Doch die Kosten zur Herstellung von Solarzellen sind zurzeit noch zu hoch, um diese Technologie flächendeckend zum Einsatz zu bringen. Deshalb fördert das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) am Laserzentrum Hochschule München (LHM) unter der Leitung von Prof. Heinz P. Huber ein Projekt zur Effizienzsteigerung des Produktionsprozesses von Dünnschichtsolarzellen. In Zusammenarbeit mit dem Unternehmen AVANCIS GmbH & Co. KG sollen die Dünnschichtsolarzellen in der Herstellung kostengünstiger werden, gleichzeitig soll sich durch Erhöhung der Prozess-Reproduzierbarkeit ihr Wirkungsgrad erhöhen. Im Projekt wird mit Dünnschicht-Solarzellen aus Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) gearbeitet, die einen sehr geringen Materialverbrauch für die Absorberschicht aufweisen und in einem Durchlaufprozess effektiv produziert werden können. Die CIS-Zelle nutzt normales Fensterglas als Substrat. Im Vergleich zu anderen Dünnschicht-Solarzellen ist der Wirkungsgrad der CIS-Solarzellen hoch und erreicht mit einem Zellenwirkungsgrad von fast 20% und einem Modulaperturwirkungsgrad von über 15% den konventioneller polykristalliner Silizium-Solarzellen. Bislang führt die industrielle Strukturierung der Dünnschichten mit Nanosekunden- Lasern oder mit mechanischen Ritzwerkzeugen zur Schädigung der einzelnen Schichten. Bei Pikosekunden-Lasern hingegen, die bei dem Verbundprojekt von dem Laserzentrum Hochschule München und AVANCIS GmbH & Co. KG vorwiegend verwendet werden sollen, ist die Dauer der Lichtimpulse so kurz, dass die einzelnen Schichten selektiv strukturiert werden können. So kann z.B. eine obere Schicht aus dem Absorbermaterial CIS selektiv strukturiert werden, ohne dass die darunter liegende Mo- Schicht durch Wärmeeinwirkung geschädigt wird (siehe Abbildung 1) In dem Projekt gilt es, die Prozessgeschwindigkeit für eine industrielle Anwendung zu verbessern und am Ende der Projektlaufzeit die Voraussetzungen zur Implementierung eines industrietauglichen Pikosekunden-Laserprozess in der Produktion zu schaffen. Darüber hinaus eröffnet die Pikosekundenlaserbearbeitung weitere Möglichkeiten, den Wirkungsgrad der CIS-Zelle durch eine Optimierung der Materialzusammensetzung zu steigern, weil die Pikosekunden-Strukturierung materialunabhängig mit hoher Präzision durchgeführt werden kann.

Abbildung 1: Präzise Strukturierung einer CIS-Dünnschichtsolarzelle mit einem Pikosekundenlaser ohne zerstörende Wärmeeffekte auf eine Breite von ca. 30 µm. Ein Schichtsystem bestehend aus dem CIS-Absorber (ca. 2,5 µm Dicke, in der hier gezeigten Konfokalmikroskopaufnahme in gelb/türkis dargestellt) wird auf einer Molybdän-Sch Schicht (0,5 µm Dicke, hier dunkelblau dargestellt) selektiv strukturiert ohne die Molybdän-Schicht thermisch zu schädigen. Verwendungsnachweis: Laserzentrum Hochschule München / AVANCIS GmbH & Co. KG Im bisherigen Projektverlauf konnten alle Schritte der monolithischen Serienverschaltung, P1, P2, P3 (vergleiche Abbildung 2) erfolgreich mit Pikosekundenlasern strukturiert werden. Dabei wurden Prozessgeschwindigkeit und -qualität deutlich erhöht. Bei Prozessen, die bereits bei niedrigen Energien gut funktionieren, ist die Prozessgeschwindigkeit nicht durch die Leistung, sondern durch die Pulsfolgefrequenz der Laserquelle begrenzt, beispielsweise weil zur galvanischen Trennung der leitenden Schicht ein gewisser Pulsüberlapp erforderlich ist. Durch Verwenden von in Ablationsrichtung elliptisch verlängerten Laserspots konnten mit einer auf 20 kHz beschränkten Laserquelle Prozessgeschwindigkeiten von 4 m/s für den P1-Prozess (Strukturierung der Molybdän-Rückelektrode) erreicht werden, siehe Abbildung 3. Mit einer mit Projektmitteln neu beschafften Pikosekundenlaserquelle hoher Repetitionsrate (max. 500 kHz) konnte die Prozessgeschwindigkeit auch mit kreisförmigen Laserspots deutlich erhöht werden. Abbildung 5 enthält beispielsweise eine P3-Linie (Strukturierung der ZnO-Frontelektrode, im Bild die linke Linie), die mit 6 m/s geschrieben wurde

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