Einführung
Der Übergang zur Perowskit-Solarzellenproduktion im Gigawatt-Maßstab hängt von der präzisen Laserbearbeitung ab, wobei die Strahlteilungstechnologie eine zentrale Rolle spielt. Durch die Aufteilung einer einzelnen Laserquelle in mehrere Strahlen ermöglicht diese Technik das gleichzeitige Strukturieren von P1- bis P3-Mustern und die Randisolierung (P4), was sich direkt auf Durchsatz, Totzonenkontrolle und Produktionskosten auswirkt. Aktuelle industrielle Ansätze umfassen hauptsächlich die mechanische Strahlteilung und diffraktive optische Elemente (DOEs), die jeweils spezifische Vorteile hinsichtlich der thermischen Empfindlichkeit und der Skalierbarkeitsanforderungen von Perowskit bieten.
Mechanische Strahlteilung: Stabilität für die großflächige Bearbeitung
Die mechanische Strahlteilung nutzt präzise ausgerichtete Spiegel und Optiken, um einen Laserstrahl in synchronisierte Teilstrahlen aufzuteilen. Der deutsche Anlagenbauer LPKF setzt dieses Verfahren in Systemen wie dem Allegro BK24 ein, der 12–24 Strahlen mit einer Genauigkeit von ±10 μm erzeugt. Die Robustheit der Technologie beruht auf minimalen Leistungsverlusten und der Unempfindlichkeit gegenüber thermischer Drift. Dies ist entscheidend für die Gewährleistung einer gleichmäßigen Abtragtiefe auf metergroßen Substraten (z. B. 1,2 m × 2,4 m großen Paneelen). LPKF berichtet von einer Verfügbarkeit von 98 % in GW-Fabrikanlagen, da mechanische Systeme die durch die Ausrichtungsgenauigkeit bedingte Empfindlichkeit vermeiden.
Der chinesische Hersteller Lecheng Intelligent verwendet ebenfalls eine mechanische 12-Pfade-Aufteilung und legt Wert auf eine Echtzeit-Fokusnachführung, um die Schnittfugengleichmäßigkeit bei Geschwindigkeiten von 2 m/s aufrechtzuerhalten.
DOE-basierte Aufteilung: Skalierbarkeit und Flexibilität
DOE-Systeme nutzen Mikrogitter zur Strahlteilung und ermöglichen so ein höheres Multiplexing (z. B. 36 Pfade) bei geringeren Hardwarekosten. Dies eignet sich für die Fertigung mit hoher Produktvielfalt, bei der Laserparameter (Wellenlänge, Pulsdauer) häufig angepasst werden müssen. Allerdings weisen DOEs einen Leistungsverlust von 15–20 % auf und erfordern eine präzise Kalibrierung, um Abweichungen in den feuchtigkeitsempfindlichen Perowskitschichten zu vermeiden. Neuere Entwicklungen integrieren adaptive Optiken, um Substratverformungen nach dem Tempern zu kompensieren – ein häufiges Problem, das eine Echtzeit-Trajektorienverfolgung notwendig macht.
Leistungskennzahlen: Durchsatz vs. Präzision
Die mechanische Spaltung zeichnet sich durch hohe Stabilität aus und erreicht durch synchrone Bewegungssteuerung Totzonen von ≤130 μm – dabei bleiben die Glassubstrate stationär, während sich die Laserköpfe bewegen, wodurch vibrationsbedingte Fehler reduziert werden. Im Gegensatz dazu priorisieren DOE-gesteuerte Systeme die Geschwindigkeit: Konfigurationen mit 36 Strahlen erreichen Ritzgeschwindigkeiten von 2.500 mm/s, erfordern jedoch eine Nachbearbeitung der Totzonenüberwachung, um eine Fehlausrichtung der P1-P3-Punkte aufgrund von Materialschrumpfung zu vermeiden.
Für die GW-Produktion reduzieren mechanische Systeme die Anzahl der benötigten Maschinen um 75 % im Vergleich zu Standard-8-Träger-Konfigurationen, wodurch Platzbedarf und Energieverbrauch drastisch verringert werden.
Zukunftsrichtungen: Hybridsysteme und KI-Optimierung
Lösungen der nächsten Generation zielen darauf ab, beide Technologien zu hybridisieren: mechanische Strahlteilung für die P1/P3-Grundstrukturierung und DOE-modulierte Strahlen für die dynamische P4-Kantenreinigung. KI-gestützte Bildverarbeitungssysteme werden eingesetzt, um den Linienabstand in Echtzeit zu erfassen und die Strahlpositionen automatisch anzupassen, um Toleranzen unter ±5 μm einzuhalten. Wie die GW-Prototypen von Lecheng zeigen, ist adaptive Strahlteilung der Schlüssel zur Realisierung von Totzonen unter 100 μm bei gleichzeitigem Durchsatz von über 500 MW pro Maschine.
Abschluss
Die Strahlteilungstechnologie ist ein entscheidender Faktor für die Industrialisierung der Perowskit-Photovoltaik und vereint Geschwindigkeit und Präzision. Während die mechanische Strahlteilung Zuverlässigkeit für die grundlegende Strukturierung bietet, ermöglichen DOE-basierte Verfahren Skalierbarkeit. Die Entwicklung hin zu intelligenten Hybridsystemen wird letztendlich die Kosten- und Effizienzstandards der Solarzellenfertigung der nächsten Generation bestimmen.
