Metallisierung von Silizumsolarzellen
Bisher nicht gekannte Präzision und Geschwindigkeit sind die herausragenden Merkmale einer neuartigen Hochdurchsatz-Anlage für die Metallisierung von Silizumsolarzellen sowie andere funktionale Druckverfahren. Die Anlage ist in der Lage, hochpräzise Beschichtungsprozesse im Rotationssiebdruck- und Flexodruckverfahren mit einer Druckgeschwindigkeit zu realisieren, die im industriellen Maßstab einem Durchsatz von bis zu 8000 Bauteilen pro Stunde entspricht. Entwickelt wurde sie von einem Projektkonsortium unter der gemeinsamen Federführung der Asys Automatisierungssysteme GmbH und dem Fraunhofer ISE. Neben Solarzellen kann die Anlage funktionale Bauteile z.B. für Anwendungen im Bereich Wasserstofftechnologie, Sensorik oder Leistungselektronik beschichten.
Rotationsdruck-Demonstrator – Foto © ASYS Automatisierungssysteme GmbH
Die Evaluierung und Entwicklung von Rotationsverfahren für die Herstellung von Siliziumsolarzellen standen im Fokus des Forschungsprojekts „Rock-Star“. Seinen erfolgreichen Abschluss fand das Projekt nun mit der Realisierung einer neuartigen Demonstrator-Anlage für die Hochdurchsatz-Beschichtung von Siliziumsolarzellen und anderen elektronischen Bauteilen. Die Anlage verfügt über ein neu entwickeltes Hochdurchsatz-Transportsystem. Dabei werden die zu beschichtenden Bauteile, z.B. Siliziumsolarzellen, auf autonomen „Shuttles“ mit hoher Geschwindigkeit und Präzision durch Druckwerke der Schweizer Maschinenbaufirma Gallus Ferd. Rüesch AG (Teil der Heidelberger Druckmaschinen AG) transportiert und mit feinsten Strukturen passgenau beschichtet. Je nach Anforderung kann ein Rotationssiebdruckwerk und ein Flexodruckwerk zugeschaltet werden, weitere Druck- und Beschichtungsverfahren wie Multi-Nozzle Dispensing und Tiefdruck sind aufgrund der modularen Bauweise ebenfalls integrierbar.
Das neuartige Transportsystem ist in der Lage, die Bauteile mit einer Geschwindigkeit bis 600 mm/s (2,16 km/h) zu befördern und mit hoher Präzision zu bedrucken. Vergleicht man dies mit dem aktuellen Stand der Technik z.B. bei der Metallisierung von Solarzellen, entspricht dies einer theoretischen Durchsatzsteigerung um 100% pro Spur. „Die neu entwickelte Technologie trifft damit zielgenau das Bedürfnis der Industrie nach innovativen Technologien zur deutlichen Steigerung der Produktivität“ erklärt Florian Clement, Leiter der Abteilung Produktionstechnologie – Strukturierung und Metallisierung am Fraunhofer ISE.
Großes Potenzial für unterschiedlichste Anwendungsfelder
Die möglichen Anwendungsgebiete der neuen Anlage gehen dabei weit über die Metallisierung von Siliziumsolarzellen hinaus. Während die überwältigende Mehrheit der Druck- und Beschichtungsanlagen im Markt nach dem Prinzip „Rund-zu-Rund“ arbeitet und damit auf bahnförmige Substrate beschränkt ist, adressiert diese Anlage die Hochdurchsatz-Beschichtung von Stückgut-Komponenten wie Solarzellen, Leiterplatten, Chipkarten und einer Vielzahl weiterer Bauteile mit bisher nicht gekannter Präzision und Geschwindigkeit.
Rotationssiebdruck-Metallisierung eines Silicium-Wafers auf der Demonstrator-Anlage – Foto © Fraunhofer ISE
Das Projekt „Rock-Star“ hatte zum Ziel, den Einsatz des Rotationsdrucks für die Herstellung von Siliziumsolarzellen zu evaluieren und entsprechende Verfahren zu entwickeln. Dem Konsortium des Forschungsprojekts ist es gelungen, einen kostenintensiven Prozessschritt – die Vorder- und Rückseitenmetallisierung – in der Siliziumsolarzellenproduktion durch die Entwicklung neuer Beschichtungsprozesse und Anlagenkonzepte zu revolutionieren. Im Rahmen des Projekts konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, die Vorder- und Rückseitenmetallisierung hocheffizienter PERC (passivated emitter and rear contact) Solarzellen erfolgreich mit dem Rotationssiebdruck- und Flexodruckverfahren zu realisieren.
„PERC-Solarzellen mit Rotationssiebdruck-Metallisierung erzielten eine vergleichbare Qualität und elektrische Leistung im Vergleich zu konventionell im Flachbett-Siebdruck metallisierten Referenzzellen, ermöglichen jedoch ein signifikantes Kosteneinsparpotenzial aufgrund der deutlich erhöhten Durchsätze“, erklärt Andreas Lorenz vom Fraunhofer ISE. „Wir konnten zudem erste funktionierende Demonstrator-Module aus Solarzellen mit Rotationsdruck-Metallisierung mit SmartWire-Drahtverschaltung herstellen. Wir sehen deshalb ein großes Potenzial dieser Technologie für unterschiedlichste Anwendungsfelder, von Solarzellen bis hin zur Hochdurchsatz-Beschichtung funktionaler Strukturen für Sensoren, SmartCards oder Brennstoffzellen“.