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Diodenlaser für die Pro-duktion von Solarzellen>> Bei der Herstellung von Solarzellen kann der Diodenlaser vielseitig einge-setzt werden. Sei es beim Löten und der Trocknung von Solarzellen oder in der Präparation von Dünnschicht-Silizium. Diese Anwendungen benötigen weder Pulsspitzenleistungen noch kleine Fokusgrössen. Auch aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist der Diodenlaser aufgrund seiner hohen elektro-optischen Effizienz eine interessante Alternative.

Laser sind in der Produktion von Solarzel-len weit verbreitet. Festkörperlaser werden zum Beispiel für die Kantenisolation ein-gesetzt. Rückseitige elektrische Kontakte werden durch Laserbohren hergestellt und das Schneiden und Vereinzeln von Silizi-um-Wafern zählt ebenfalls zu den akzep-tierten Einsatzgebieten von Lasern in der Solarzellenproduktion. Bei all diesen Ver-fahren werden gepulste Laser mit hoher Spitzenleistung und guter Strahlqualität eingesetzt.

Hochleistungsdiodenlaser hingegen ha-ben andere Strahleigenschaften und bie-ten Vorteile bei CW(Continuous Wave)-Anwendungen, das heisst Anwendungen, bei denen die Laserstrahlung kontinuier-lich und mit hoher Konstanz bereitgestellt werden muss und kompakte CW-Strahl-quellen mit Fokusgrössen im Millimeter-bereich eingesetzt werden sollen. Im Fol-genden werden Anwendungen aus dem Bereich der Solarzellenproduktion be-

schrieben wie das Löten, die Rekristallisie-rung oder auch die Trocknung. Allen ge-meinsam ist, dass gezielt und kontrolliert Wärme eingebracht wird.

Laserlöten mit diodenlasern

Weichlöten mit Laserstrahlung gewinnt unter den selektiven Lötverfahren zuneh-mend an Bedeutung. Gerade Diodenlaser bieten hier ideale Eigenschaften, da sie aufgrund der schnellen Regelbarkeit ihrer Ausgangsleistung − beispielsweise im Zu-

sammenspiel mit einer berührungslosen Temperaturmessung − mögliche Beschä-digungen von Bauteilen reduzieren kön-nen. Besonders dann, wenn die zu löten-den Bauteile immer kompakter werden und im temperaturempfindlichen Umfeld zu löten sind, ist diese Verfahrenseigen-schaft ein deutlicher Vorteil. Sowohl das Löten elektronischer Komponenten als auch bruchempfindlicher Bauteile wie So-larzellen sind typische Anwendungen. Die Anwendung des selektiven Lötens mit Di-odenlasern zeichnet sich aus durch:

unternehmen

dilas diodenlaser gmbh

Dilas, the Diode Laser Company, gehört zu der Rofin-Gruppe und konzentriert sich darauf, innovative Tech-nologien in Produktlösungen für industrielle Anwen-dungen umzusetzen. Gegründet 1994 in Mainz, Deutsch land, mit Niederlassungen in Nordamerika und China, entwickelt und produziert Dilas eine kom-plette Produktpalette von Hochleistungs-Diodenlasern für den weltweiten Markt, die von Komponenten über Module bis hin zu kompletten Systemen reicht (www.dilas.com).

dilas industrial Laser systems

Dilas Industrial Laser Systems, eine Geschäftseinheit der Dilas Diodenlaser GmbH mit Hauptsitz in Mainz, bietet Hochleistungslasersysteme unterschiedlicher Leistungen und Wellenlängen von fasergekoppelten Lösungen über Direktstrahlsysteme bis hin zu Linien-fokusquellen für industrielle Anwendungen (www. dilas-ils.com).

Bild 1: Punktförmig aufgebrachte Lötstellen mittels Diodenlaser.

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− geringethermischeBelastung− räumlichbegrenztenEnergieeintrag− berührungsloseEnergieeinbringung− regelbareLöttemperatur− hoheFlexibilität

BeimselektivenWeichlötenmitDioden-lasern wird die Wärmeenergie, die zumLötennotwendigist,berührungslosindieLötstelle eingebracht. Durch die gute Fo-kussierbarkeit der Laserstrahlung ist die-ser Energieeintrag örtlich sehr begrenztundpunktgenau.

EineschlankeStrahltailleermöglichtauchein Löten an unzugänglichen Stellen, wasbei dem Löten elektronischer Bauteile vonVorteil ist.DasLotkannentwederüberei-nen Lotdrahtvorschub zugeführt oder alsLot-DepotinFormvonPasteoderVorverzin-nungaufdieLötstelleaufgebrachtwerden.

Produktionsprozess stellt hohe anforderungenBeiderHerstellungvonPhotovoltaik-Mo-dulen werden die einzelnen Solarzellendurch gelötete Verbindungsfähnchen(Ribbons)miteinanderelektrischverbun-den.DieLötkontaktemüssenhiereinebe-stimmte Grösse und Festigkeit bei gleich-zeitig geringem elektrischem Übergangs-widerstand erreichen. Das Kolbenlötenkommt hierbei wegen des undefiniertenWärmeeintrags und des mechanischenStresseintragsseltenzumEinsatz.Kontakt-lose Verfahren hingegen wie das Indukti-onslöten,dasHeissluftlötenoderdasMik-roflammenlötenwerdenbevorzugt.

Dieimmerdünner(wenigerals200Mik-rometer) und damit preiswerter werden-denSiliziumsolarzellenstellenhöhereAn-forderungenandieBehandlungderWafer

während des Produktionsprozesses derSolarzellen, um die Bruchrate der Waferdurch Handling und auch thermischenStresseintrag zu minimieren. Auch ist dieAutomatisierbarkeit des Prozesses einwichtiger Faktor. Die Laserlötung kannentweder punktförmig realisiert werden(Bild1)oderüberStrahlformungundopti-scheHomogenisierungalskontinuierlicheLötungüberdiegesamteLängedesSolar-zellenmoduls.

Kombination von galvo-scanner und Pyrometer

Das Löten mit Hochleistungs-Diodenla-sernbietetalleVorteile,diefürdieKontak-tierungvonSolarzellennotwendigsind.Esist die einzige berührungslose Methodemit definiertem räumlichem und zeitli-

Bild 2: Prozesskopf mit integriertem Pyrometer und Kamera.

Kurzinterview

SMM: Im Fachbeitrag wird das Löten, die Trocknung und die Re-kristallisierung von Solarzellen mittels Diodenlaser thematisiert. Wie sehen die Möglichkeiten zur Auto matisierbarkeit dieser drei Prozesse aus?Dr. Jörg Neukum: Eine Automatisier-barkeit von Löt-, Trocknungs- sowieRekristallisierungsprozessenvonSolar-zellenistmöglichundaufgrundderRe-produzierbarkeitauchempfohlen.

Werden Diodenlaser bei allen dieser drei Prozesse bereits eingesetzt? Neukum: Bei der Lötung als auch beiRekristallisierungsinddieaufDioden-lasernbasierendenProzessebereitsimindustriellen Einsatz. Die Trocknungmittels Diodenlasern ist in der Erpro-bung.

In Europa wird viel in die Solarenergie investiert, der ganze Wirtschaftssektor ist im Aufwind, Firmen erwarten lang-fristig Riesengewinne. Doch könnte dieser Bereich auch von allfälligen ne-gativen Szenarien überrascht werden?Neukum: Es ist noch offen, ob sich dieangesprochenen Riesengewinne tat-sächlichbewahrheitenwerden.Dieneu-este Vergangenheit hat schon gezeigt,wie anfällig die Solarindustrie für dieProblemeamFinanzmarktist.

Was erhoffen Sie sich von der Zukunft der Solarenergie?Neukum:DieHoffnungenbasierendar-auf,dassdieAbnahmemengenundau-tomatisierten Abläufe tatsächlich ein-treffen,sodassauchdieZulieferindustriean dem prognostizierten Boom teilha-benkann.

dr. Jörg neukum, director Marketing and sales bei dilas diodenlaser gmbh, im interview

Dr. Jörg Neukum, auch verantwortlich für die Geschäftseinheit Dilas Industrial Laser Systems, die sich mit dem gesamten Bereich der Materialbearbeitung befasst.

en bref

Laser à diode pour la production de cellules solaires

Danslaproductiondecellulessolaires,lelaseràdiodepeut être utilisé de façon multiple. En effet, il sert aubrasageetauséchagedecellulessolairesouencoreàlapréparationdecouchesmincesdesilicium.Cesappli-cations ne nécessitent ni des puissances de pointe depulsationnidespetitestaillesdefocalisation.Dupointdevueéconomiqueégalement, le laseràdioderepré-senteunealternativeintéressantegrâceàsonefficacitéélectro-optiqueélevée.

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chem Temperatureintrag, die dadurch ei-nen minimalen thermischen Stress auf die Solarzelle garantiert. Um die Stabilität des Prozesses zu erhöhen, kann der Diodenla-ser über ein Pyrometer in einem geschlos-senen Regelkreis (Closed Loop) betrieben werden. Der Temperatureintrag in die Löt-stelle kann somit kontrolliert und mini-miert werden. Dies erlaubt in einem auto-matisierten Produktionsprozess eine sehr hohe Reproduzierbarkeit bei gleichzeitig verbesserten Ausbeuten und höherer elek-tro-optischer Effizienz.

Das oben genannte Pyrometer ist in den meisten Fällen in den Laserprozesskopf in-tegriert, wobei sein Detektionsbereich sta-

tisch auf den Laserfokus ausgerichtet ist (Bild 2). So lassen sich mittels Laserlöten elektrische Kontakte im optimalen Tempe-raturbereich erzeugen, und zwar ohne Zerstörung der umliegenden Silizium-Kristallite, bei gleichzeitig verbesserten Kontaktwiderständen.

Die Kombination von Galvo-Scanner und Pyrometer bietet zusätzlich die Vortei-le flexibler Geometrie bei simultaner on-axis-Temperaturkontrolle und ermöglicht damit die höchstmögliche Prozesskontrol-le in der Materialbearbeitung. Ein Bearbei-tungsfeld in der Grösse einer einzelnen Solarzelle kann bei entsprechender Optik dargestellt werden und erlaubt die schnel-

le, flexible und temperaturgeregelte Kon-taktierung einer Solarzelle (Bild 3).

trocknung von silizium

Derzeit werden für die Trocknung von Dünnschicht-Solarzellen in der Produkti-on grosse Öfen eingesetzt. Diese Öfen ha-ben hohe Anschaffungs- und Betriebskos-ten und nehmen äusserst viel Raum ein. Ihre einzige Aufgabe ist dabei, die dünnen Schichten homogen zu trocknen.

Hier liegt es deshalb nahe, eine der effi-zientesten Lichtquellen zu nutzen und den Trocknungsprozess mittels eines Dioden-lasers durchzuführen. Hierbei kann ent-weder mittels eines Scanners ein punktför-miger Laserstrahl über die Solarzelle ge-führt werden, oder aber man nutzt von Anfang an ein homogenes Strahlprofil in Form einer Linie, das an die Geometrie der Solarzelle angepasst ist. Durch Verfahrung des homogenen Linienfokus wird eine gleichmässige Trocknung erreicht (Bild 4).

homogenisierung

Zur Erzeugung eines homogenen Linien-fokus können entweder fasergekoppelte Diodenlasersysteme mit entsprechender Homogenisierungs-Linienoptik zum Ein-satz kommen, oder aber man nutzt die Kompaktheit von Laserdiodenelementen und ordnet die einzelnen Laserdiodenbar-ren in einem horizontalen Stack an, der anschliessend mit Homogenisierungs- und Abbildungsoptik ausgestattet wird.

Ein Beispiel für die Intensitätsverteilung einer einfachen Homogenisierung ist im Bild 5 gegeben. Die zum Einsatz kommen-

Bild 3a: Funktionsprinzip eines 2D-Scanners. 3b: 2D-Scanner mit integriertem Pyrometer.

Bild 4: Diodenlasermodul mit Linienfokus.

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tallisierung der Siliziumschicht und um definierte Korngrössen der Kristallite ein-zuhalten (wichtig für weiteres Wachstum weiterer Siliziumschichten), kann auf ein homogenisiertes Strahlprofil eines Dio-denlasers zurückgegriffen werden. Hierbei wird zum Beispiel ein Linienfokus mit 400 Watt optischer Leistung und den Abmes-sungen von circa zwölf Millimeter mal 400 Mikrometer über eine solche Schicht ge-scannt.

Zusammenfassung

Im Bereich des Lötens und der Trocknung von Solarzellen sowie in der Präparation von Dünnschicht-Silizium finden sich ei-nige Anwendungen für den Diodenlaser,

Bild 5: Die Laserleistungen liegen im Bereich einiger 100 Watt bei einer Breite des Linienfokus von circa 160 Millimeter (Beispiel).

den Laserleistungen sind je nach Vor-schubgeschwindigkeit im Bereich einiger Hundert Watt mit einer Breite des Linien-fokus von circa 160 Millimeter.

Mit entsprechenden Homogenisie-rungsoptiken sind Homogenitäten von über 90 Prozent erreichbar. Die Homoge-nität ist über den Kontrast definiert als:

Homogenität=1-(I

max-I

min)

(Imax

+Imin

)

rekristallisierung

In der Herstellung von Dünnschicht-Solar-zellen wird eine Siliziumschicht auf einem Glassubstrat aufgebracht. Zum Erreichen einer grossflächigen, defektfreien Rekris-

die keine Pulsspitzenleistungen oder klei-ne Fokusgrössen benötigen. Auch aus wirt-schaftlichen Gesichtspunkten ist der Dio-denlaser aufgrund seiner hohen elektro-optischen Effizienz eine interessante Alter-native.

Durch Zubehör wie Pyrometer und/oder Galvo-Scanner erhält man mit dem Diodenlaser eine flexible und gleichzeitig wohl dosierbare Wärmequelle. Diese er-laubt zudem die Behandlung von dünne-ren und damit empfindlicheren Solarzel-len. Weitere Anwendungen für die Wärme-behandlung von Solarzellen können durch die Nutzung von Laserdiodenmodulen mit homogenisiertem Strahl ermöglicht wer-den. <<

AutorSteffen Reinl, Produktmanagement & Ver-trieb bei Dilas Industrial Laser Systems

InformationDilas Diodenlaser GmbHGalileo-Galilei-Strasse 10D-55129 Mainz-Hechtsheimwww.dilas.com

Vertriebspartner in der Schweiz (für Systeme)Rofin-Baasel SwissZürichstrasse 232504 BielTel. 032 322 10 10Fax 032 342 26 62info@rofin-baasel.chwww.rofin-baasel.ch

Bilder: Dilas

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