Ziel der Entwicklung

Kristalline Solarzellen werden zur ihrer Nutzung üblicherweise im Modul verschaltet. Dazu wird die Vorderseite der einen Zelle mit der Rückseite der zweiten Zelle über ein belotetes Verbinderband kontaktiert. So entsteht ein Zellverbund von zehn bis zwölf Zellen als sogenannter String. Fünf bis sechs Strings wiederum werden über Querverbinder in Reihe geschaltet und in einen Glas-Folien-Sandwich gepackt, so dass ein PV-Modul entsteht. Das zum Kontaktieren verwendete Lot ist heute noch bleihaltig. Ziel des Projekts Lotus war die Entwicklung einer Kontaktierungstechnik zum Verschalten von kristallinen Solarzellen mit Vermeidung von thermomechanische Belastungen durch hohe Löttemperaturen. Diese treten auf, wenn das bisherige Bleilot durch bleifreie Alternativen ersetzt wird. Gerade sehr dünne und fragile Zellen reagieren auf thermomechanische Belastungen beim Löten mit erhöhten Zellbruchraten. Zudem verlangen neuartige Zellkonzepte wie IBC-Zellen oder Heterojunctionzellen neue Kontaktierungstechnologien. Hier setzte das „Lotus„-Projekt an und adaptiert bereits vorhandene Lösungen aus der Mikrosystemtechnik auf die solaren Randbedingungen.

Vorteile und Lösungen

Durch die Einführung neuartiger Solarzellkonzepte wie HIT-Konzept oder „buried contact cells" (vollgalvanisierte Zellmetallisierung) bei gleichzeitiger Reduktion der Waferdicke in die Solarzellproduktion müssen auch die nachfolgenden Prozesse zur Modulfertigung an die Randbedingungen der neuen Zellkonzepte angepasst werden. Dies bedingt in erster Linie eine Reduktion des thermomechanischen Stresses beim Kontaktieren der Zellen zur Zellstrings. In Hinblick auf zukünftige gesetzliche Limitierungen zum Bleiloteinsatz kommen hauptsächlich Lotalternativen mit höheren Löttemperaturen in Frage. Diese sind für die angesprochenen Solarzellkonzepte wegen der Temperaturbelastung nicht geeignet. Das Projektziel bestand in der Machbarkeitsprüfung und Untersuchung von Niedrigtemperaturloten sowie von Klebeprozessen aus der Mikroelektronik auf ihre Eignung zur hochvolumigen Zellkontaktierung.
Verbinderband unterschiedlicher Hersteller und Qualitäten mit Lotmantel auf Basis von Zinn-Bismuth wurden zur Kontaktierung von Solarzellen zu Strings verwendet und charakterisiert. Bei optimaler Abstimmung der mechanischen Eigenschaften des Kupferkerns und der Belotungstechnologie zeigten sich sehr gute und langzeitstabile Lötergebnisse, welche mit Standardverbindern vergleichbar sind. Die Löttemperaturen liegen bei derartigen Loten um die 180 °C. Zur Verminderung des thermomechanischen Stresses auf die Verlötung wird eine sanfte Stufenabkühlung empfohlen. Gleichfalls sehr gute und langzeitstabile Kontaktierungen lassen sich mit Klebeverbindungen realisieren, deren Temperaturbeaufschlagung auf die Zellen unter dem der Lötung liegt. Die Aushärtetemperatur kann in Abhängigkeit von der Aushärtedauer zwischen 100 – 180 °C eingestellt werden. Zellperformance und mechanische Eigenschaften der Fügeverbindungen können im Bereich der Lötergebnisse liegen. Kostenseitig kann eine Balance aus Mehraufwand durch zusätzliche Prozessschritte wie Klebstoffapplikation und Materialkosten für den Klebstoff und Reduktion von Silber im Solarzellgrid, zum Beispiel busbarlose Zelle, gefunden werden, so dass diese Fügetechnik für bestimmte Zelltypen durchaus eine Alternative in der Produktion sein kann.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Fragestellungen der stressarmen Kontaktierung großer planarer und abgedünnter Bauteile mit gleichzeitiger hoher Stromtragfähigkeit sind über die Solarzellkontaktierung hinaus für sehr viele Anwendungen von hohem Interesse. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse zur Modellierung und Simulation derartiger Kontaktierungen mit den erzielbaren Vorgaben zur Materialauswahl und Dimensionierung stehen als erweitertes Simulationstool der Industrie zur Verfügung. Der Fokus der Projektarbeit lag in erster Linie auf der Technologieentwicklung und Evaluierung der Kontaktierungen. Diese entwickelten Technologien sind am CiS verfügbar und reproduzierbar für Standardsolarzellen und Hochleistungssolarzellen neuester Generation. Mit dem Projekt wurde zudem die Basis geschaffen, Technologien zur stressarmen Montage große planare und vor allem abgedünnter Bauteile zum Beispiel Röntgen- und Strahlungsdetektoren und für zukünftige Entwicklungen im Detektorbereich hinzu Bauteilen mit mehreren Zoll Dimension bei sehr geringer Waferdicke von wenigen Mikrometern zur Verfügung zu stellen. Neben der Stärkung des Technologiebereiches „Aufbau- und Verbindungstechnik„ am CiS Forschungsinstituts für Mikrosensorik GmbH dienen die Aktivitäten im Projekt (Zellkontaktierung und Modultechnik) der Erweiterung des CiS-Dienstleistungsportfolios als Service für die Industrie zum Beispiel durch Schulungen zu EU-Richtlinien und Technologiebewertung, dem nationalen und internationalen Networking sowie der Akquirierung neuer Kundenkreise beispielsweise im Bereich Dünnschichtkontaktierung und Sondermodulfertigung.