P2- und P3-Bearbeitung von CIGS mit Laserpräzision (CIGS Laserbearbeitung)

Die Herstellung von Dünnschicht-Photovoltaikmodulen erfordert eine präzise Kombination aus Beschichtungs- und Ablationsprozessen. Dabei werden auf einer Glasplatte schichtweise verschiedene Materialien aufgetragen und gezielt abgetragen, um die einzelnen Solarzellen zu formen. Diese bestehen aus zwei Elektroden (oben und unten) sowie einer photovoltaischen Schicht in der Mitte. Die CIGS Laserbearbeitung spielt hierbei eine zentrale Rolle.

Aufbau von CIGS-Zellen und die Bedeutung der P-Ablationsprozesse

CIGS-Zellen (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid) werden üblicherweise auf einer Molybdän(Mo)-Elektrodenschicht gefertigt. Für die präzise Herstellung sind drei zentrale Ablationsprozesse erforderlich:

1. P1: Ablation der Molybdänschicht auf dem Glas
2. P2: Entfernung der CIGS-Schicht auf dem Molybdän
3. P3: Abtrag der transparenten Elektrodenschicht zusammen mit der CIGS-Schicht auf dem Molybdän

Diese Schritte sind entscheidend, um die elektrische Isolation und Funktionalität der Solarzellen zu gewährleisten. Während der P1-Prozess traditionell mit ns-Laserpulsen durchgeführt wird, erfolgt P2 und P3 bislang oft mechanisch durch Ritzen mit Nadeln. Dieses Verfahren führt jedoch zu schnellem Verschleiß der Nadeln, was die Prozessstabilität und Effizienz beeinträchtigt.

Laser als Lösung für P2 und P3

Ein neuer Faserlaser von ESI-Pyrophotonics bietet daher eine programmierbare Pulsdauer und Pulsform im Bereich von 2 bis 250 ns, mit einer beeindruckenden Auflösung von 1 ns. Dadurch ermöglicht der Laser, die Prozesse P2 und P3 präzise und zudem ohne mechanischen Verschleiß durchzuführen. Diese Eigenschaften tragen aktiv dazu bei, die CIGS-Laserbearbeitung erheblich zu optimieren und gleichzeitig die Effizienz der Produktion zu steigern.

Untersuchungen bei Pyrophotonics, NRC Canada und dem National Center for Photovoltaics zeigen außerdem, dass 1064-nm-Pulse mit einer Pulsdauer von 5 bis 10 ns besonders zuverlässige Ergebnisse liefern. Diese kurzen Pulse verhindern thermisches Aufschmelzen und minimieren so aktiv unerwünschte Effekte wie Kurzschlüsse oder Materialaufwürfe, die die Qualität der Module beeinträchtigen könnten.

Der Mechanismus des laserinduzierten Abtrags

Im Gegensatz zur thermischen Ablation basiert der Abtrag bei der P2- und P3-Bearbeitung auf einem laserinduzierten Absprengen der CIGS-Schicht. Das Laserlicht mit einer Wellenlänge von 1064 nm dringt durch die CIGS-Schicht hindurch und wird an der Grenzfläche zur Molybdänschicht absorbiert. Dieser Prozess erzeugt Gasdruck durch die Freisetzung von Selen (Se)-Gas, der die CIGS-Schicht ablöst. Bei der CIGS Laserbearbeitung ist dieser Mechanismus besonders effektiv.

Durch diesen Mechanismus entsteht eine saubere Bruchkante, wie elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen. Es tritt kein Aufschmelzen auf, wodurch die Gefahr von Kurzschlüssen minimiert wird.

Analyse und Prozessoptimierung bei der CIGS Laserbearbeitung

Mit EDX-Aufnahmen (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) wurde festgestellt, dass am Grund der bearbeiteten Spur nur minimale Rückstände von Kupfer, Indium und Gallium verbleiben. Selen hingegen ist in der gesamten Spur vorhanden, was den beschriebenen Abtragsmechanismus bestätigt.

Ein weiterer Vorteil ist das breite Prozessfenster. Bei korrekt eingestellter Pulsdauer sind die Energiedichte und Fokustiefe groß genug, um einen stabilen und industriell zuverlässigen Bearbeitungsprozess zu gewährleisten. Dies beweist den Wert der CIGS Laserbearbeitung.

Vorteile

Die Verwendung eines Faserlasers bei der Bearbeitung von CIGS-Photovoltaikmodulen bietet zahlreiche Vorteile:

• Höhere Präzision: Vermeidung thermischer Schäden und sauberere Schnittkanten.
• Erhöhte Effizienz: Wegfall des mechanischen Verschleißes von Nadeln.
• Flexibilität: Einstellbare Pulsdauer und Pulsform für verschiedene Anforderungen.
• Stabilität: Ein großes Prozessfenster garantiert eine zuverlässige Bearbeitung.
• Reduzierte Produktionskosten: Weniger Ausfälle und geringere Wartungskosten.

Anwendungen und Zukunftsperspektiven der CIGS Laserbearbeitung

Die laserbasierte P2- und P3-Bearbeitung eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung effizienter und kostengünstiger Photovoltaikmodule. Neben der CIGS-Bearbeitung könnten ähnliche Verfahren auch bei anderen Dünnschichttechnologien wie CdTe- oder Perowskit-Solarzellen Anwendung finden.

Durch kontinuierliche Verbesserungen der Lasertechnologie – insbesondere bei der Pulsformung und Energieeffizienz – wird die Laser-Stereolithografie zunehmend zur bevorzugten Methode für Präzisionsprozesse in der Photovoltaik-Industrie.