Modular Beam Splitting System MBSS für die Solarzellenproduktion

Photovoltaik-Hersteller müssen kostenreduzierter und effizient herstellen, um eine Nutzung von Solarzelle, so wie den Perovskite-Solarzellen (PSC) als zukunftsfähige regenerative Energie weiterhin im großen Umfang sicherzustellen.  Die Anforderungen an ein Laser-System im Rahmen ihrer Herstellung sind dabei sehr anspruchsvoll: hohe Genauigkeit, schnelle Prozesszeiten und hohe Durchsatzraten. Das Modulare Beam Splitting System von Jenoptik ist genau dafür ausgelegt. Es kommt bei alle drei Prozessschritte P1, P2 und P3 der Laserstrukturierung zu Einsatz und kann durch sein paralleles Laserritzen äußerst in deutlich kürzerer Zeit präzise und zuverlässige Ergebnisse erzielen. Zudem ermöglicht das MBSS sehr schmale und scharfe P1-P2- und P3-Linien. Dies erlaubt einen weitaus größeren "aktiven Bereich" und verkleinert die sogenannte "Deadzone".

Entscheidend für eine konsistente Zellverbindung im Modul sind die drei nachgelagerten Prozessschritte der Laserstrukturierung:

• P1: Trennen benachbarter Zellen durch Entfernen der unteren Elektrode
• P2: Freilegen der unteren Elektrode, um die obere und untere Elektrode zu verbinden, wenn das Material für die obere Elektrode aufgebracht wird
• P3: Trennen benachbarter Zellen durch Entfernen der oberen Elektrode

Die Qualität des Laserstrukturierungsprozesses hat also direkte Auswirkungen auf die sogenannten "Zell-zu-Modul-Verluste" und damit auch auf die Effizienz der Photovoltaik-Anlage. Ein Grund mehr, mit leistungsfähigen optischen Lösungen, wie dem Modular Beam Splitting System, Herstellungsprozesse stabil, kosten gering und die Produktqualität hoch zu halten.

Das MBSS-Modul von Jenoptik bietet eine stabilere Leistung des Strahlteilers in Bezug auf die Variation der Laserstrahlpunktrichtung. Bei dem Jenotik-System neigen sich  die Ausgangsstrahlen gesamtheitlich als Gruppe, wenn die Punktrichtung des Eingangslaserstrahls leicht variiert. Es gibt keine Auswirkungen auf die Gleichmäßigkeit der Intensität oder die Gleichmäßigkeit der Teilung beim Laserritzen.

Bei der Methode mit einem klassischen Strahlteiler kann die Neigung des Eingangslaserstrahls zu einer Verschiebung des Auftreffpunkts auf den einzelnen Spiegeln führen, wodurch sich die Gleichmäßigkeit des Strahlabstands der Ausgangsstrahlen ändert. Siehe Abbildung unten.

Je nach Anforderung können bei der Konfiguration des MBSS neben der Wellenlänge auch die Anzahl und der Abstand der Laserstrahlspots vorgegeben werden. Das Modular Beam Splitting System wird dann entsprechend ausgelegt und geliefert. Einmal in das Gesamtsystem integriert, bietet das optische System zudem die Möglichkeit, den Strahlpunktabstand (Pitch) durch einen einfachen Drehmechanismus leicht und mühelos nachzujustieren bzw. fein zu justieren. Das spart Kosten und Zeit - nicht nur beim erstmaligen Einrichten des Systems, sondern auch bei Änderungen, wie z.B. beim Austausch eines Lasers. Zudem ist das MBSS sehr leicht erweiterbar ohne die Stabilität und Funktionsfähigkeit des Systems zu beeinträchtigen. So kann beispielsweise zusätzlich ein Strahlaufweiter mit dem MBSS kombiniert werden, um die Spotgrößen flexibel anpassen zu können.

Für den P3-Laserstrukturierungsprozess von Perovskite-Solarzellen ist es notwendig, eine Strahlformungskomponente hinzuzufügen, um ein Top-Hat-Array zu erzeugen. 

Ein Top-Hat-Strahlformer kann zum Beispiel verwendet werden, um bestimmte Formen wie Kreise, Quadrate, Rechtecke, Linien oder andere Formen zu erzeugen. Als Diffraktives Optisches Element (DOE) wandelt der Beam Shaper einen nahezu Gauß'schen Laserstrahl in einen Punkt mit gleichmäßiger Intensität und scharfen Kanten um. Das Ergebnis ist ein Strahl mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung über die gesamte Fläche, der sich perfekt für Anwendungen eignet, die eine präzise Kontrolle über die Form und Intensität des Strahls erfordern.

Der konzeptionelle Ansatz des Modularen Beam Splitting Systems (MBSS) von Jenoptik erzeugt ein Top-Hat-Array durch Integration eines einzelnen DOE-Strahlformerelements. Die Ausrichtung des Strahlformers ist nur einmal erforderlich, so dass der Aufwand viel geringer ist als bei herkömmlichen Strahlteilersystemen. Außerdem werden bei dem MBSS mehrere Strahlen durch ein einziges optisches System emittiert, so dass ein optimiertes Top-Hat-Array in der gleichen Brennebene liegt und die gleiche Top-Hat-Größe mit der gleichen Intensitätsverteilung aufweist. Dadurch kann der gesamte Tiefenschärfebereich des Objektivs ausgenutzt werden.

Nachteile einer klassischen Strahlformungsanordnung mit Spiegeln und DOEs:

• Individuelle DOE-Strahlformer für jeden Kanal erfordern einen hohen Aufwand für die Top-Hat-Kalibrierung.
• Brennweitenvariationen führen zur Abweichung von Größe, der Intensität und der Intensitätsverteilung des Top-Hats.
• Die Abweichung der individuellen Brennweite kann zu einer ungleichen Größe des Top-Hats führen. Einzelne Beamlet-Defokussierungen führen zu einer ungleichmäßigen Abtragswirkung auf Werkstücken.

 

Stellen Sie sich das folgendermaßen vor: Wenn Sie ein Bild aufnehmen, projiziert das Objektiv ein Bild auf den Kamerasensor. Die Schärfentiefe (DOF) ist der Bereich, in dem der Sensor bewegt werden kann, ohne dass die Qualität des Bildes beeinträchtigt wird. Bei der Laserstrukturierung von Perowskit-Solarzellen (PSC) bezeichnet die Schärfentiefe (DOF) den axialen Bereich, in dem der Fokussierpunkt die gleiche Größe hat, so dass sich die Breite der Laserstrukturierungslinie nicht ändert. Mit anderen Worten, die DOF gibt den akzeptablen Ebenheitsfehler von starren PSC oder den akzeptablen Defokussierungsbetrag von flexiblen PSC an. Hier sprechen wir über die Anwendungs-DOF des Laserstrukturierungssystems. 

Mit dem modularen Strahlteilersystem von Jenoptik werden mehrere Strahlen durch ein einziges optisches System emittiert. Dadurch kann der gesamte DOF-Bereich des Objektivs genutzt werden. 

Die MBSS-Lösung bietet einen DOF-Wert von >+/-1,0mm. Das bedeutet, dass es nicht notwendig ist, ein Fokusverfolgungssystem in das Lasersystem zu integrieren. Darüber hinaus ermöglicht die größere Schärfentiefe (im Vergleich zu bestehenden optischen Aufbauten), dass das MBSS von Jenoptik sowohl für starre als auch für flexible Laserstrukturierungsprozesse von Perowskit-Solarzellen verwendet werden kann.

Auf der linken Seite: MBSS-Ansatz mit einer einzigen Brennebene und ohne signifikante Verschiebung Rechts: Bei einem klassischen Strahlteilersystem kommt jedes Beamlet aus einem einzelnen optischen Pfad. Die Abweichung der Brennweite kann zu einer Verschiebung der Brennebenen führen, was zu einem kleineren DOF-Überlappungsbereich führt.

MBSS ist ein kompaktes und leichtes optisches Modul, nur < 10kg! Es kann bequem in einem Laserstrukturierungssystem installiert werden. Das geringe Gewicht ermöglicht den Antrieb des MBSS-Moduls und das Fliegen des Laserstrahls zur Realisierung des Laserstrukturierungsprozesses. Der fliegende Laserstrahl hat sich als effektive Lösung für die schnelle, präzise und zuverlässige Laserstrukturierung bei der Herstellung von Solarfolien bewährt. 

Aufgrund des geringen Gewichts kann MBSS flexibel installiert werden, so dass die Laserstrukturierung von unten nach oben für die Eingabe über die Glasseite oder von oben nach unten für die Eingabe über die Filmseite erfolgen kann.