Bewertung und Optimierung laserbasierter Fertigungsprozesse bei der Herstellung hocheffizienter Solarzellen

Baier, Tobias; Poprawe, Reinhart

doi:999910345528

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 (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Tobias Baier

ImpressumAachen 2014

Umfang199 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-02-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-50309
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229812/files/5030.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Laser (Genormte SW) ; Fertigungstechnik (Genormte SW) ; Solarzelle (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; manufacturing (frei) ; silicon solar cell (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

At the time this work was started, the dominant method of designing production equipment was to develop a suitable laser process and to integrate it into industrial-suited machinery. In order to shorten the time needed for such machine development, theoretical models simulating the interaction between laser and material during the laser pulse were defined. The basics for these models are simplified thermodynamic relationships. With given laser parameters, the effect on the material and the resulting material modification can be resolved temporally and spatially. This allows for theoretically evaluating a multitude of beam sources within a short time. This way only pre-approved laser sources will undergo real testing in laboratories. As an example, the model shows how laser intensity and pulse duration effect the ablation rate during the drilling process of EWT solar cells: a further increase of pulse energy does not directly lead to augmented ablation rates, however, the combination with a beam splitting approach does. Results like this led to understanding the interconnection between a specific laser source and the conduct of processing material with it. Additional laser processes were modelled as well, such as selective laser doping and laser melting as used for laser fired contacts. In the latter case, the theoretical model correlates laser and optics parameters with melt diameters of molten aluminium and silicon. Either one has deep impact on the solar cells contact resistance and series resistance. The theoretical approach offers to evaluate physically suitable beam sources within minutes. The results of the aforementioned models were applied in two ways, one simulating the physical, and the other simulating the economical effects on real machinery. In order to know the machines productivity and competitiveness, the gross throughput and yield are crucial factors. In addition to simulating the material modification, the models can be used to calculate the time needed for achieving the specific modification. The process time has deep impact on the production throughput and defines the machines cost efficiency. The theoretical model also points out if parallelization schemes like beam splitting have positive effects as well. Further, this information about beam source, parallelization, and processing conduct is needed for the mechanical design of the machine. This method of machine development has led to two different real machine layouts. One is equipped with moving optics and the other features scanners. For either one, beam splitting approaches were defined and devices for beam monitoring and quality assurance were developed. The moving optic concept features a unit with beam shaping, beam splitting and beam positioning in one compact piece. The scanner based solution uses a fast beam switch with integrated beam shaping. Depending on the chosen laser process, the machine is equipped with the most suitable combination of laser sources, focussing optics and monitoring devices. Finally, a cost-benefit-analysis is used to evaluate and rate the different machine concepts regarding productivity, cost efficiency and competitiveness.

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