Die Manz AG zählt zu den Pionieren im Maschinenbau für die Photovoltaikindustrie. Bei der Realisierung des bislang größten Auftrags in der Firmengeschichte spielen Lasermodule von Z-Laser eine entscheidende Rolle. Sie sichern die Qualität und ermöglichen Solarmodule mit sehr hohem Wirkungsgrad. Mit der CIGS-Fab bietet Manz eine schlüsselfertige, vollintegrierte Produktionslinie für CIGS-Module an.
Die Manz AG wurde 1987 gegründet. Im Januar 2017 gewann das Unternehmen den mit 263 Millionen Euro mit Abstand größten Auftrag der Firmengeschichte.
CIGS-Fab und CIGS-Lab
Ein Konsortium der chinesischen Shanghai Electric Group und der Shenhua Group bestellte eine CIGS-Fab mit einer Kapazität von 306 Megawatt sowie ein CIGS-Lab, eine Forschungslinie mit einer Kapazität von 44 Megawatt. Beide Fabriken sollen im Sommer 2019 mit der Modulproduktion starten.
Bei kristallinen Solarmodulen mit Siliziumwafern werden die einzelnen Solarzellen verlötet und zwischen einer Glasscheibe und einer Folie montiert. Die Wafer sind bis zu 100-mal dicker als die Halbleiterschicht CIGS (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid) in einem Dünnschichtmodul. Diese wird in einer Vakuumanlage – in nur einem Prozessschritt – direkt auf eine Glasscheibe aufgedampft.
Bernd Sattler, Abteilungsleiter für Bildverarbeitung bei der Manz AG in Reutlingen, erläutert: „Die CIGS-Absorberschicht hat eine Dicke von nur rund zwei Mikrometern. Sie ist etwa 40- bis 50-mal dünner als ein menschliches Haar. Die positiven Auswirkungen auf die Herstellkosten durch die Einsparung des Materials und durch weniger Prozessschritte liegen auf der Hand.“
Höchste Präzision gefordert
Der Herstellungsprozess der 600 mal 1.200 Millimeter großen Solarmodule bei Manz erfordert deshalb höchste Präzision. Die wesentlichen Schritte beschreibt Bernd Sattler: „Das Trägermaterial wird in mehreren Prozessen beschichtet und strukturiert. Die gesamte Fläche muss dabei in kleinere Zellen unterteilt werden, da auf der Gesamtfläche sehr viel Strom anfällt. Durch eine Reihenschaltung dieser kleinen Zellen kann die Spannung von etwa 0,6 Volt pro Zelle auf beispielsweise rund 80 Volt pro Modul erhöht werden.“ Erforderlich sind dafür drei Auftrennschritte: zwei mit einem Bearbeitungslaser und einer mit einem speziellen Gravierstichel.
Für die korrekte Funktion jedes Moduls ist es essenziell, dass die Strukturen zur Verschaltung der Zellendioden fehlerfrei aufgebracht werden. Aus wirtschaftlichen Gründen macht es Sinn, diese Strukturierungslinien nach jedem der drei Auftrennschritte zu überprüfen, um fehlerhafte Module frühzeitig zu erkennen, sofort aus dem Prozess zu nehmen und keine unnötigen Kosten zu verursachen.
Dead Area minimieren
Vermessen werden die Breiten und Abstände der Strukturierungslinien, die sogenannte Dead Area, sowie die Strukturierungsabstände. Exakte Messergebnisse haben direkten Einfluss auf die Qualität der produzierten Solarmodule: Als Dead Area bezeichnet man die Flächen, die zur Strukturierung erforderlich sind, jedoch keinen Strom erzeugen.
Je kleiner diese Bereiche gefertigt werden, desto höher ist der Wirkungsgrad des Solarmoduls. Mit den gemessenen Ergebnissen werden die Strukturierungsanlagen eingestellt, die Abstände konstant gehalten und somit wird letztendlich der Wirkungsgrad optimiert.
Die als P1 und P2 bezeichneten Strukturierungslinien werden von einem Festkörper-Bearbeitungslaser im infraroten Bereich erzeugt. Vor allem bei der Einbringung der P2-Linie kommt der Laserbeleuchtung besondere Bedeutung zu: Um die Dead Area zu minimieren, wird während der Einbringung der zweiten Linie (P2-Struktur) die Position des Lasers aktiv geregelt, um diese möglichst nahe und parallel zur bereits vorhandenen P1-Struktur zu erzeugen.
Hohe Anforderungen an die Optik
Bernd Sattler beschreibt, wie sein Team diese Aufgabe letztlich gelöst hat: „Der Bearbeitungslaser für den P2-Prozess wird mittels einer sehr schnellen Matrix-Kamera positioniert.“ Sie misst die P1-Linie mit einer Frequenz von 1.000 Hertz und einer Genauigkeit von weniger als fünf Mikrometer im Vorlauf zum Bearbeitungslaser ein. Die so erfassten Daten werden direkt an den Laserscanner übertragen, welcher eine zweite Linie parallel zur ersten Linie schreibt.
Neben der Genauigkeit und der Frequenz bestand die wesentliche Herausforderung darin, den für die Beleuchtung eingesetzten Laser sicher vom Bearbeitungslaser zu trennen, sodass der Bearbeitungslaser weder die Kamera noch den Beleuchtungslaser beschädigt. „Die Integration in den optischen Pfad der Laserkomponenten konnten wir nur durch eine sehr enge Zusammenarbeit mit unserer Laser-Prozessgruppe und der mechanischen Konstruktion realisieren“, urteilt der Abteilungsleiter.
Keine einfache Auswahl
Auch die Auswahl der optimalen Laserbeleuchtung war nicht einfach, erinnert sich Sattler: „Wir benötigten dafür eine Wellenlänge von über 1.000 Nanometern, da die verwendete CIGS-Schicht der Solarzellen ab da beginnt, transparent zu werden, und die geeignete CMOS-Kamera in diesem Bereich noch empfindlich genug ist, um ein verwertbares Bild zu erzeugen.“
Während der Designphase der Anlagen verwendeten Sattler und seine Kollegen einen eigens entwickelten Prototyp für die Beleuchtung mit einer Laserdiode, die die benötigten Eigenschaften aufwies.
Als es dann ans Seriendesign ging, suchten sie nach einem Partner, der mehr Expertise für Laserdioden hatte. Nach der Überprüfung verschiedener Optionen entschied sich Sattler für den Freiburger Hersteller Z-Laser Optoelektronik: „Das Angebot von Z-Laser war für uns die sicherste und interessante Variante“, erzählt Sattler.
Präzise Vermessung
Die Hardwarekosten waren zwar etwas höher als von ihm kalkuliert. Doch das konnten die Ingenieure dadurch kompensieren, dass die Module von Z-Laser sehr exakt gefertigt und vorjustiert waren. „Die Justage-Zeiten in den Maschinen waren dadurch deutlich geringer als ursprünglich geplant“, erläutert der Experte.
Auch die Baugröße bereitete den Manz-Entwicklern zu Beginn noch Kopfzerbrechen. „Diese Herausforderung konnten wir jedoch mit einigen guten Ideen in der mechanischen Konstruktion meistern.“
Exakte Vorgaben eingehalten
Sattler nennt ein weiteres wichtiges Argument, um mit Z-Laser zusammenzuarbeiten: „Die für diese Vermessung benötigte Laserdiode wurde exakt von uns vorgegeben. Unser Partner hatte bereits ein Lasermodul zur Verfügung, in dem diese Laserdiode mit geringem Aufwand eingesetzt werden konnte.“
Die weitere Zusammenarbeit lief sehr gut: „Schon der erste Prototyp und auch die späteren Serienmodelle, die wir über Z-Laser erhielten, haben auf Anhieb funktioniert“, berichtet der Experte.
Die Lernkurve, die man typischerweise mit neuen Lieferanten und Komponenten hat, war deutlich kürzer als üblich. „Z-Laser konnte uns sehr schnell eine Lösung für unsere anspruchsvolle Herausforderung bieten.“
Volle Kontrolle bei hohem Durchsatz
Auch bei der Qualitätsinspektion der Module nach jedem der drei Prozessschritte sorgen Lasermodule im Durchlicht für eine optimale Beleuchtung, um perfekte Kamerabilder zu ermöglichen. In einem zweiten Messsystem wird in der finalen Qualitätsinspektion das ganze Substrat mit einem Contact-Image-Sensor gescannt.
Dieser Schritt stellt sicher, dass die Linien des dritten Strukturierungsprozesses vollständig sind. Zudem werden Beschädigungen erkannt. „Die Lasermodule von Z-Laser spielen bei allen drei Vermessungsschritten eine entscheidende Rolle“, resümiert Bernd Sattler.
In jeder CIGS-Fab sind mehrere der beschriebenen Systeme im Einsatz. Sattler schließt: „Nur so können wir sicherstellen, dass beim geplanten Durchsatz eine vollständige Kontrolle erfolgt und ausschließlich fehlerfreie Substrate die Anlage verlassen.“
Oxford PV/Meyer Burger
Maschinen für schlüsselfertige Perowskit-Fabrik in Brandenburg an der Havel bestellt
Oxford PV aus Brandenburg an der Havel hat Maschinen für eine neue Fabrik geordert, in der ab Ende 2020 die ersten Solarmodule mit Perowskit-Zellen von den Bändern laufen sollen. Lieferant ist der Schweizer Maschinenbauer Meyer Burger, der auch Anteile an Oxford PV hält. Das neue Werk soll in der ersten Ausbaustufe pro Jahr rund 100 Megawatt Solarleistung liefern.
Basiszelle aus Silizium
Die neuartigen Zellen bestehen aus einer Basiszelle aus kristallinem Silizium. Als Tandemzelle wird obenauf eine hauchdünne Perowskit-Zelle aufgetragen. Die Perowskite sind eine Materialklasse aus der Mineralogie, die eine ganz typische Kristallstruktur aufweist. Ein deutscher Forscher hat sie um 1840 aus Fundstücken aus dem Ural klassifiziert und nach seinem russischen Kollegen Lew Perowski benannt. Die Perowskite, wie jetzt in der Photovoltaik genutzt,gehören zu den Halbleitern, speziell zu den Verbindungshalbleitern, wie beispielsweise CIGS oder Cadmiumtellurid. Etwa 2009 wurden sie erstmals als Solarmaterial untersucht, seinerzeit in Japan. Mittlerweile beschäftigen sich weltweit sehr viele Forschergruppen mit diesem Thema.
Ein Hybrid aus der Mineralogie
Ursprünglich war das Material ein Methylammoniumbleijodid, also ein Hybrid aus organischem Methylammonium und anorganischem Bleijodid. Weil sie Hybride sind, unterscheiden sich Perowskite beispielsweise von CIGS, das rein anorganisch ist. Mittlerweile gibt es eine große Familie von Perowskiten, die zum Beispiel mit Cäsiumbleijodid auch rein anorganische Materialien umfasst. Solche Halbleiter weisen eine große Bandlücke auf. Sie nutzen den grünen bis ultravioletten Anteil des Sonnenspektrums sehr gut aus, Siliziumzellen oder CIGS eher den rötlichen Anteil. Auf diese Weise erreichen solche Tandemzellen im Labor einen Wirkungsgrad von derzeit bis 28 Prozent.
250 Megawatt bis Ende 2020
Das Werk in Brandenburg an der Havel ist eine der ersten Fabriken für die neuen Module. Sie wurden in Japan und in Oxford entwickelt, Oxford PV ist eine Ausgründung der bekannten britischen Universität. In mehreren Finanzierungsrunden wurde ausreichend Kapital eingesammelt. Die erste Fertigungsstraße wird nun aufgebaut. Bis Ende 2020 soll das Werk eine Kapazität von 250 Megawatt erreichen. Der Produktionsstart ist Ende 2020 geplant.
Wiedergeburt der Solarindustrie in Brandenburg
Ursprünglich war das Werk als Johanna Solar kurz nach der Jahrtausendwende an den Start gegangen. 2009 übernahm Bosch die Fabrik, um dort CIS-Dünnschichtmodule zu fertigen (Bosch Solar CIS-Tech). 2016 zog sich Bosch wiederum aus dem Solargeschäft zurück. Nun steht die Fabrik vor einer Renaissance. Oxford PV hat das Areal übernommen und stellt neue Mitarbeiter ein. Brandenburg an der Havel liegt in einer strukturschwachen Region südöstlich der Landeshauptstadt Potsdam.
Der Autor
Peter Stiefenhöfer
war nach Abschluss seines Studiums der Fertigungstechnik 1994 in Erlangen mehr als fünf Jahre als Redakteur tätig, bevor er 1999 zu Stemmer Imaging kam. Dort war er bis Dezember 2016 für Marketing und PR des Unternehmens verantwortlich. Im Januar 2017 gründete er seine eigene Firma PS Marcom Services, eine PR-Agentur mit Schwerpunkt auf Machine-Vision-Technologie.
In der P2-Strukturierungsmaschine werden zwei Laserköpfe zur Bearbeitung parallel betrieben. Deshalb kommen zwei Beleuchtungslaser zum Einsatz.
Der Bearbeitungslaser als einzelne Komponente, die in die Fertigungslinie integriert wird.
Bei der Überprüfung der Linien, die in den ersten beiden Strukturierungsprozessen entstehen, sorgen die Lasermodule des Typs Z-Laser Z-Q1 für optimale Beleuchtung.
Vergleich der CIGS-Absorberschicht mit einem menschlichen Haar (links).
