Neue Konzepte zur Solarzellenverschaltung mittels Laserfügen von dünnen Aluminiumfolien

Angesichts des steigenden globalen Bedarfs an erneuerbaren Energiequellen und der fortlaufenden Optimierung von Photovoltaiktechnologien stellt diese Arbeit Untersuchungen zum Laser Metal Bonding (LMB) von Aluminiumfolie auf Solarzellen vor, mit dem Ziel, ihre Leistungsfähigkeit zu steigern und den Einsatz von wertvollen Ressourcen zu reduzieren. Die Arbeit legt einen besonderen Schwerpunkt auf der Anwendung von LMB im Bereich der Siebdruckstrukturen der Solarzelle. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung neuer Verschaltungskonzepte für Teilsolarzellen, die durch den Einsatz von Aluminiumfolie und LMB ermöglicht werden. Zunächst wird das LMB-Verfahren zur Herstellung elektrischer und mechanischer Kontakte auf Siebdruckstrukturen aus Silber oder Aluminium untersucht. Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Verbindung werden durch Charakterisierung der Verbindungsstelle, insbesondere durch Querschliffe, analysiert. Anschließend wird der Einfluss einer Siebdruckstruktur in der Nähe des LMB-Prozesses ermittelt. Dazu werden Haftfestigkeitsmessungen durchgeführt und das Anpassungsverhalten der Folie an die Siebdruckstruktur bestimmt. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wird ein phänomenologisches Modell entwickelt. Dieses beinhaltet unter anderem Aspekte wie die Laser-Material-Interaktion, das Verhalten an den Prozessgrenzen, die Benetzung des Aluminiums auf dem Zellsubstrat und die Vermischung des Aluminiums mit den siebgedruckten Metallen. Basierend auf dem Modell werden Hypothesen über die Ursache der Prozessgrenzen aufgestellt, außerhalb derer entweder eine unzureichende Benetzung des Materials stattfindet oder Kraterbildung auftritt. Um ein vertieftes Verständnis der Aluminium-Silizium-Verbindung innerhalb der Prozessgrenzen zu erlangen, wird das phänomenologische Modell in ein physikalisches Modell weiterentwickelt, das die Laser-Material-Interaktion, die Thermodynamik im Aluminium-Silizium-Verbund und das Schmelzverhalten innerhalb der Aluminiumfolie abbildet. Dieses Modell berücksichtigt auch die Änderung des Wärmeübergangs zwischen Aluminium und Silizium, der durch die Benetzung der Siliziumoberflache durch das flüssige Aluminium und die damit verbundene Vergröberung der Kontaktflache entsteht. Das physikalische Modell wurde mittels der Finite Elemente Methode simuliert. Die Ergebnisse dieser Simulation dienen als Grundlage für die Entwicklung einer umfassenden statistischen Repräsentation des physikalischen Modells mittels Regression durch einen Gaus-Prozess. Diese Gaus-Prozess-Regression ermöglicht einen schnellen und unkomplizierten Zugang zu den Vorhersagen des physikalischen Modells, ohne dass dafür rechenintensive und zeitaufwändige Simulationen erforderlich sind. Anschließend wurde das physikalische Modell und seine Repräsentationen mithilfe von experimentellen Daten validiert. Die gewonnenen Erkenntnisse werden analysiert und diskutiert, um die Vereinbarkeit der zuvor aufgestellten Hypothesen zu den Ursachen der Prozessgrenzen mit dem entwickelten physikalischen Modell zu bewerten. In dieser Arbeit werden zwei Umsetzungen der Forschungsergebnisse in innovative Verschaltungskonzepte vorgestellt. Prototypen wurden hergestellt, getestet und analysiert, um die Leistungsfähigkeit und Eignung der neuen Konzepte zu untersuchen. In der ersten Umsetzung wurde Aluminiumfolie verwendet, um eine Randverschaltung für geschindelte Solarzellen zu realisieren. Die Folienverschaltung zeigte im Vergleich zur konventionellen Klebeverbindung einen verbesserten Wirkungsgrad (Δη = +0,7%abs) und einen geringeren elektrischen Widerstand (ΔRS = −5Ωcm2). Zudem konnte durch den Einsatz der Aluminiumfolie der Silberverbrauch reduziert werden (ΔMAg = −30%). Modultests bestätigten die thermomechanische Belastbarkeit der entwickelten Verbindung. In der zweiten Umsetzung wird ein weiteres Verschaltungskonzept vorgestellt, das es ermöglicht, Ruckkontaktsolarzellen vor der Vereinzelung in Teilzellen mit Aluminiumfolie zu verschalten. Dadurch kann der Handhabungs-Aufwand für kleine Module mit hohen Spannungen deutlich reduziert werden, da nicht mehr jede einzelne Teilzelle gehandhabt werden muss, sondern alle Verschaltungsschritte auf dem monolithischen, ungeteilten Wafer stattfinden. Zwei erste Prototypen erreichten eine Spannung von VMPP = 19,7 V aus einem einzigen Wafer und demonstrieren die Realisierbarkeit des neuen Konzepts.