Laser fügen Solarzellen zusammen
Eine Solarzelle allein erzeugt nicht allzu viel Spannung - erst gemeinsam sind die Zellen stark. Verbunden werden sie über kleine Metall-bändchen. Ist die Temperatur beim Laserlöten zu hoch, kann die Lötstelle brechen. Ein neues System regelt die Löttemperatur automatisch.
Solarzellen werden über metallische Bändchen, Stringer, zu Solarmodulen verschaltet. Der gewonnene Strom fließt über die Stringer. Zu sehen ist eine einzelne Solarzelle mit angelöteten Stringern.
© Fraunhofer ILT
Teamarbeit ist gefragt - auch bei Solarzellen: Um Taschenrechner, Parkscheinautomaten und Photovoltaikanlagen mit ausreichend Spannung zu versorgen, müssen mehrere Zellen gleichzeitig das Sonnenlicht einfangen. Sie werden hintereinander gereiht und durch kleine metallische Bändchen, Stringer, miteinander verbunden. Dazu positionieren die Experten das Bändchen an der jeweils richtigen Stelle und schmelzen mit einer heißen Elektrode das Lötzinn, in das das Bänd-chen gehüllt ist. Erstarrt das Lötzinn wieder, verbindet es den Stringer fest mit der Metallschicht auf dem Silizium. Wie weit sich Bändchen und Silizium erhitzen, hängt vom Kontakt zwischen Lötelektrode und Bändchen ab. Ist die Energie zu hoch, kommt es zu thermischen Spannungen, die die Lötverbindung schlimmstenfalls zerstören, den Stromkreis unterbrechen und das Solarmodul funktionsunfähig machen.
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen haben ein berührungsloses Lötverfahren entwickelt, bei dem sie die Temperatur ständig kontrollieren. Weicht sie ab, regelt das System sie automatisch in unbedenkliche Bereiche."Zum Löten verwenden wir statt der Elektrode einen Laserstrahl", sagt Dr. Arnold Gillner, Abteilungsleiter am ILT. "Wir schmelzen das Lötzinn, indem wir mit einem Laserstrahl über das vorverzinnte Bändchen scannen. Eine Infrarot-Wärmekamera misst die Temperatur des Siliziums und des Bändchens in Echtzeit über die abgegebene Wärmestrahlung. Ist die Temperatur zu hoch oder zu niedrig, passt ein Regelkreis die Leistung des Lasers innerhalb einiger Millisekunden automatisch an." Für Anwendungen in der Oberflächentechnik ist das System in der Industrie bereits etabliert, für So-laranwendungen könnte es in etwa einem Jahr auf dem Markt sein.
In Zukunft wollen die Forscher die Solarzellen noch schneller und zuverlässiger miteinander verbinden: mit dem Laserschweißen. "Im Unterschied zum Löten schmilzt man dabei nicht den Lötzinn, sondern das Bändchen selbst an", sagt Gillner. Dafür müssen die Forscher es weiter erhitzen als beim Löten, aber nur für sehr kurze Zeit. "Da der Laser nur sehr kurz auf die Materialien trifft, übertragen wir trotz der höheren Temperatur weniger Energie auf die Materialien - es entstehen noch weniger thermisch bedingte Defekte", erklärt der Experte. Die Herausforderung: Das Bändchen hat lediglich einen Durchmesser von etwa 200 Mikrometern, die metallische Beschichtung auf dem Silizium, die für den Stromfluss sorgt, eine Dicke von 10 Mikrometern. Die Forscher modulieren den Laserstrahl nun so, dass das Bändchen zwar schmilzt, aber die Schicht auf dem Silizium unbeschädigt bleibt.
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