LASER IN PV MANUFACTURING TODAY AND TOMMORROW

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1 LASER IN PV MANUFACTURING TODAY AND TOMMORROW Dr. Uwe Stute Viktor Schütz Javier Gonźalez Laser Zentrum Hannover, Germany

2 GLIEDERUNG Grundlagen der Materialbearbeitung Laserquellen Aktuelle Prozessentwicklungen in der PV-Produktion C-Si CIGS Organische PV Zusammenfassung 2

3 LASER IN PRODUKTIONSPROZESSEN DER PHOTOVOLTAIK Bohren Texturieren Trennen Kantenisolation Schweißen / Löten Entfernen dielektrischer Schichten Organische Solarzellen Ritzen / Strukturieren Randentschichten andere 3

4 LASER IN DER PV-PRODUKTION kristalline PV Dünnschicht PV organische PV Kantenisolation MWT-Bohren Selektives Dotieren Markieren Strukturierung (P1-P3) Randentschichten Strukturierung (P1-P3) ps laser cw laser a-si / µ-si CIS PET 2. ITO 3. PEDOT/PSS 4. P3HT/PCBM 5. Al P1 P2 P3 Schichtdicken: nm Strukturierungsbreiten: µm 4

5 PULSDAUERABHÄNGIGE WECHSELWIRKUNGEN LASERSTRAHLUNG-SILIZIUM Unterschiede im Abtragsverhalten: ps Laserpulse : Phononen und e - innerhalb der Pulsdauer nicht im thermischen Gleichgewicht - beschreibbar mit dem 2-Temperatur Modell - Absorption der Laserstrahlung durch e- - Relaxation = e- Übertrag der Energie an Phononen (Gitterschwingungen) - optischer & thermischer Abtragsbereich abhängig von der Leistungsdichte und kumulierter Wärme thermische Belastung des Materials ist abhängig von der Parameterwahl ns Laserpulse : Phononen und e - im thermischen Gleichgewicht - beschreibbar als thermischer Prozess 5

6 LICHT-MATERIE WECHSELWIRKUNGEN ultrakurzer Laserpuls langer ns Laserpuls optische Eindringtiefe Ablationsplasma Plasma- Abschirmung thermische Eindringtiefe Absorption sec Elektron-Elektron- Relaxation Ablation Elektron-Phonon- Relaxation sec 10-9 sec simultane Absorption, Relaxation und Ablation 6

7 PULSLÄNGE UND KONSEQUENZEN FÜR DEN ABTRAG Beispiel: Bohren von Silizium ns ps fs t P Einzel-Photon Absorption Optische Eindringtiefe: < 1 µm (UV, Dielektrika) Thermische Diffusion bei t P >> 10 ps Schädigung des Gitters Multi-Photon Absorption Optische Eindringtiefe: ~ nm Keine thermische Diffusion < 1 ps "Kalter Abtrag" 7

8 mittl. Abtragstiefe pro Puls a p [µm/pulse] ABTRAGVERHALTEN VON PS/NS LASERPULSEN AN KRISTALLINEM SILIZIUM optische Eindringtiefe H start = 1.2 J/cm² thermische Eindringtiefe H trans = 2.3 J/cm² Laserfluenz H p [J/cm²] TruMicro TruMicro5X50 5X50 = 1030 nm t p = λ 7 ps 1030 (nm) Ov [%] t khz (ps) 200 khz f rep TruMicro5X = (khz) 515 nm t p = Ov 7 ps 97,3 96,8 (%) Ov [%] Marke 400 khz 200 khz RSM E20 = 532 nm Ov = 85 % t p = 7 ns f rep = 15 khz TruMicro 5X ,3 81,4 Emitterdicke der Solarzellen 7 RSM E

9 POTENTIAL UKP-LASER schädigungsarme/ -freie Bearbeitung von temperatursensiblen Werkstoffen Bearbeitung von hochtransparenten Schichten Oberflächen- & Volumenbearbeitung 9

10 GLIEDERUNG Grundlagen der Materialbearbeitung Laserquellen Aktuelle Prozessentwicklungen in der PV-Produktion C-Si Dünnschichtstrukturierung Organische PV Zusammenfassung 10

11 POTENTIALE FÜR DIE LASERKANTENISOLATION Stand der Technik Neue Ansätze Abschirmung Schmelze Ablagerung 1,5-2 sec Schockwellen 1 sec! Wärmeeinflusszone (WEZ) Passivierungsschicht Kontaktfinger Risse n-doped (-) (+) Pikosekunden cw Spannungstrennen

12 KRISTALLINE PV - OPTISCHE EINDRINGTIEFE UND DIFFUSIONSTIEFE FÜR SILIZIUM l 1 ld 2 a P α Absorptionskoeffizient a Thermische Leitfähigkeit τ - Pulsdauer Quelle: Allmen A. von, Blatter A., Laser-Beam Interactions with Materials

13 GOAL1-Forschungsprojekt FKZ IR LASERKANTENISOLATION - AUFNAHMEN VERGLEICH U ns U ps verbleibende Shunts in der Zellfläche nach der LKI Laserkantenisolation limitiert den Shuntwiderstand (nicht perfekte Parameter) Waferdefekte limitieren den maximalen Shuntwiderstand abgeschnittener Shunt nach der LKI Zelleffizienz wird nicht mehr durch die Laserbearbeitung begrenzt 13

14 R sh [ ] EINFLUSS DER PULSDAUER AUF ISOLATIONSWERTE Emitterdicke mittl. Abtrag pro Puls a pulse [µm/pulse] RSM E20 Ov = 85 % = 532 nm t p = 7 ns f rep = 15 khz measurements model TruMicro5050 Ov = 93,3% = 515nm t p = 7ps f rep = 400kHz measurements model TruMicro5050 Ov = 97,3% = 1030nm t p = 7ps f rep = 400kHz measurements model λ (nm) t p (ps) f rep (khz) Ov (%) Marke TruMicro 5X ,3 TruMicro 5X ,3 erhöhter thermischer Einfluss durch ns-laserpulse 7 RSM E

15 GLIEDERUNG Grundlagen der Materialbearbeitung Laserquellen Aktuelle Prozessentwicklungen in der PV-Produktion C-Si Dünnschichtstrukturierung Organische PV Zusammenfassung 15

16 DÜNNSCHICHT-SOLARZELLEN: MONOLITHISCHE VERSCHALTUNG CIS / CIGS Einzelzellen müssen verschaltet werden! ohne Verschaltung: hohe Ströme geringe Spannungen mit Verschaltung: geringe Ströme hohe Spannungen! 16

17 DÜNNSCHICHT-PV: STRUKTURIEREN IN DER PRODUKTION 1) Substrat Verschaltung der Zellen im Modul -Si, /m Si und CdTe 2) TCO 3) P1 4) Absorber 5) P2 6) TCO 7) P3 Quelle: Trumpf, Schott AG, P1: Abtragen des Frontkontaktes (TCO) durch das Glas (IR oder UV) P2: Abtragen des Halbleiters durch Glas (grün) P3: Abtragen des Rückkontaktes und des Halbleiters durch Glas (grün)

18 DÜNNSCHICHT, AUSWAHL DES LASERSYSTEMS Material Abtragsschwelle Wellenlänge & Prozessfenster (Fluenz ~ Pulsenergie / Spotfläche ) CdTe Si TCO IR (1064 nm) 1.05 J / cm J / cm J / cm 2 Grün (532 nm) 0.07 J / cm J / cm J / cm 2 * Quelle: Compaan et. al., 2000

19 DÜNNSCHICHT, STRUKTURIEREN Einfluss von Pulsenergie und -überlapp Pulsenergie zu gering zu gering Pulsüberlapp optimal zu groß ns FKL-Laser λ = 532 nm zu groß 19

20 SCHICHTAUFBAU CI(G)S ZELLEN ZnO:Al-Schicht nm ZnO-Schicht nm CdS-Schicht ~50 nm CIS-Schicht ~2 µm Mo-Schicht ~0,5 µm Trägerglas 20

21 SPEZIELLE EIGENHEITEN IN DER PRODUKTION VON CI(G)S-MODULEN Molybdän P2, P3 i.d.r. nicht durch das Glas möglich P1: Hohe Verdampfungstemperatur des Molybdän (4912 K) hohe Intensitäten erforderlich Geringe Verdampfungstemperatur des Selen (<1000 K) im Vergleich zu Kupfer (2840 K) und Indium (2345 K) Kurzschlüsse durch den thermischen Einfluss von Nanosekunden Laser Derzeit (fast nur) mechanisches Patterning Kalter Prozess erforderlich Lösung: ultra-kurze Pulse 21

22 ABTRAG MO MIT NS Mikroskop Konfokalmikrosk. REM Layer Glas + einfaches System - Risse und Aufwürfe Laser : YLPM 20 Pulsdauer : 20 ns Wellenlänge : 1064 nm 22

23 ABTRAG MO MIT PS Mikroskop Konfokalmikrosk. REM Layer Glas + gute vis. Ergebnisse - komplex Laser Pulsdauer Wellenlänge : TruMicro : 7 ps : 515 nm 23

24 ABTRAG CIS MIT PS Mikroskop Konfokalmikrosk. REM Layer + gute vis. Ergebnisse - komplex Laser Pulsdauer Wellenlänge : TruMicro : 7 ps : 515 nm 24

25 ABTRAG TCO + CIS MIT PS Mikroskop Konfokalmikrosk. REM Layer + gute vis. Ergebnisse - komplex Laser Pulsdauer Wellenlänge : TruMicro : 7 ps : 515 nm 25

26 GLIEDERUNG Grundlagen der Materialbearbeitung Laserquellen Aktuelle Prozessentwicklungen in der PV-Produktion C-Si CIGS Organische PV Zusammenfassung 26

27 ORGANISCHE PV (OPV) OPV: Flexible Folien Rolle-zu-Rolle Produktion (noch) geringere Wirkungsgrade (noch) geringere Lebensdauer (noch nicht) kostengünstig Quelle: Konarka 27

28 MOTIVATION - ORGANISCHE PHOTOVOLTAIK (OPV) 28

29 ROLLE ZU ROLLE PRODUKTION Low-cost Massenproduktionstechnologie für polymerbasierte Solarmodule In-line-Integration von Coatern und Laserstrukturierung production potential coater Max. foil speed Up to 100 m/min 29

30 OPV LASERSTRUKTURIERUNG - HERAUSFORDERUNGEN 1. PET 2. ITO 3. PEDOT:PSS 4. P3HT:PCBM 5. Al Strukturierschritte (P1, P2, P3) P1 P2 P3 Entfernen von transparenten, zähen und dünnen Schichten unter der Bedingung minimale Gratbildung und minimale Schädigung in den der darunterliegenden Schicht zu verursachen wobei die Investkosten berücksichtigt werden müssen 30

31 OPV LASERSTRUKTURIERUNG - HERAUSFORDERUNGEN PET 2. ITO 3. PEDOT/PSS 4. P3HT/PCBM 5. Al Transparenz der verschiedenen Schichten für übliche Laserwellenlängen P1 P2 P3 Schichtdicken: nm Strukturbreiten: µm 355 nm 532 nm 1064 nm 31

32 POLYMER PHOTOVOLTAIC PROCESSING (PPP) Ziel des Forschungsprojekts: Produktionstechnologie für polymere Solarzellen entwickeln Haltbarkeit der Zellen verbessern Herstellkosten reduzieren Rolle-zu-Rolle Herstellung realisieren Tätigkeit des LZH: Strukturierungsprozesse für monolithisch serielle Verschaltung der Zellen im Modul Prozessuntersuchungen mit verschiedenen Laserstrahlquellen Ermittlung der Prozessparameter Unterstützung bei der Maschinenintegration Aufbau der Solarmodule mit ITO-Schicht: Laserprozesse: 1) ITO entfernen 2) Aktiv- & PEDOT:PSS Schichten enfernen 3) Aluminium entfernen Aluminium Aluminium Aluminium Aktivschicht Aktivschicht Aktivschicht PEDOT:PSS PEDOT:PSS PEDOT:PSS ITO ITO ITO Folie Kurzschlussgefahr! Überlapp- ; Solarzellenfläche Prinzipielle Aufbau einer polymere Solarzelle Förderung durch BMBF Laufzeit bis (36 Monate) 32

33 LASERQUELLEN fs ps ns µs ms s Qualität Geschwindigkeit Komplexität & Kosten pulse duration t p [s] 10-9 (nano) (pico) (femto) wavelength λ [nm]

34 MODULE AUF PET P1 P2 P3 10 µm 10 µm 10 µm Ergebnisse P1 sichere Isolation & keine Kurzschlüsse durch absolute Vermeidung einer Gratbildung P2 sauberer Abtrag, um den Übergangswiderstand zu minmieren P3 sichere Isolation 34

35 ERGEBNISSE AUF PET Komplett laserstrukturierte funktionsfähige Module vermessen in Zusammenarbeit mit der TU Ilmenau. ELI & Lock-in Thermographie Messungen durch die TU Ilmenau zeigen die optimale Verschaltung. 35

36 ZUSAMMENFASSUNG & AUSBLICK UKP-Laserprozesse für Solarzellen spezifische Laser-Material Wechselwirkungen im Vergleich zu ns-pulsdauer präziser Abtrag Oberflächenabtrag (< 200 tp=7ps) Volumenabtrag (>200 tp=7ps) geringere thermische Beeinflussung schädigungsarme Bearbeitung

37 ZUSAMMENFASSUNG & AUSBLICK UKP-Laserprozesse für LKI bei kristalline Solarzellen Industrielle Taktzeiten (ca. 3600Wafer/h) Prozesszeiten können erreicht werden Verbesserung der Isolation Effizienzsteigerung UKP-Laserprozesse für Dünnschichttechnologien Ermöglichen komplette Laserstrukturierung von CIS / CIGS Status: wird z.t. bereits in die Industrie eingeführt UKP-Laserprozesse für OPV Ermöglichen komplette Laserstrukturierung in der OPV Status: wird unmittelbar in der OPV eingesetzt werden

38 DANKSAGUNG 38

39 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT. Laser Zentrum Hannover, Germany