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Reingen/Entschichten Präzise und schnell reinigen mit dem Laserstrahl

| Autor: Stéphane Itasse

Jeder Mikrometer zählt: Wenn Solarmodule einen maximalen Ertrag bringen sollen, muss die Fläche bestmöglich ausgenutzt werden. Dabei kann der Laser seine Stärken bei den Reinigungs- und Entschichtungsprozessen in der Produktion ausspielen.

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In dieser Anlage werden Carrier für die Produktion von CIGS-Dünnschicht-Solarmodulen mit dem Laser gereinigt.
In dieser Anlage werden Carrier für die Produktion von CIGS-Dünnschicht-Solarmodulen mit dem Laser gereinigt.
(Bild: Itasse)

Es ist der größte Auftrag der Unternehmensgeschichte, an dem die Manz AG noch arbeitet. Im Januar 2017 orderten die Shanghai Electric Group Co., Ltd. und die Shenhua Group Co., Ltd. in Reutlingen eine Forschungs- und eine Produktionslinie zur Herstellung von CIGS-Dünnschicht-Solarmodulen (siehe Kasten). Insgesamt sieben Laserprozesse sind darin integriert, davon zwei für die Reinigung und Entschichtung.

Bei der Herstellung von CIGS-Dünnschicht-Solarmodulen werden mehrere funktionale Schichten – unter anderem Molybdän und CIGS (Kupfer, Indium, Gallium und Diselenid) – auf ein Glassubstrat aufgebracht. „Die Beschichtung während des Beschichtungsprozesses geht bis zum Rand des Glases und teilweise über diesen hinaus. Dieses Material muss dann in einem gewissen Abstand vom Rand des Substrates abgetragen werden, um beispielsweise Kurzschlüsse zu vermeiden“, sagt Dr. Dmitrij Walter, Leiter Laserprozesstechnik bei Manz, im Gespräch mit MM Maschinenmarkt. „Außerdem muss man auf der Glasplatte als Träger einen Rand unbeschichtet lassen, damit die Handwerker bei der Montage keine Stromschläge bekommen“, ergänzt Raul Moldovan, Senior Prozessentwickler Laserprozesstechnik. Schon die erste, 1 µm dicke Molybdänschicht muss genau der geforderten Geometrie entsprechen.

Reinigung von Solarcarriern mit dem Laser

Die Aufbringung der Aktivschicht (CIGS) findet im Vakuum in einem weiteren Beschichtungsprozess statt. Hier herrschen so hohe Temperaturen, dass die Glassubstrate für die Solarmodule weich werden. Damit der Prozess dennoch sicher und präzise ablaufen kann, liegen die Gläser für die Solarmodule auf Carriern aus Glaskeramik. Deren Oberfläche weist auf mikroskopischer Ebene eine gewisse Rauheit auf, sodass die Glasplatten sicher aufliegen, ohne zu verrutschen. Der Rauheitsgrad darf sich auch bei mehreren Durchläufen durch die Beschichtungsanlagen nicht verändern. Dazu werden die Carrier ebenfalls mittels Laser gereinigt, häufiger an den Rändern, wo die Träger über die Glasplatten der Solarmodule hinausragen, aber nach einer bestimmten Zahl von Durchläufen auch auf der eigentlichen Auflagefläche. „Wenn die Rauheit der Carrier nicht mehr ausreichend ist, fangen die Glasplatten an zu ‚schwimmen’. Das ist nicht nur schlecht für die Präzision im Beschichtungsprozess, sondern auch für nachfolgende Bearbeitungsschritte innerhalb der Produktionslinie“, erläutert Walter.

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Als Werkzeug zum Reinigen und Entschichten sprechen sich die Manz-Ingenieure eindeutig für den Laser aus: Er arbeitet berührungslos und ist hinsichtlich der Geometrien maximal flexibel. „Die Glasplatten für die Solarmodule sind nicht immer perfekt rechteckig, oft gibt es Abweichungen und Toleranzen von der geforderten Geometrie. Durch den Einsatz von in die Laserbearbeitungsmaschine integrierter Sensorik in Verbindung mit Galvanoscannern kann der Laserstrahl entlang der verformten Kanten präzise positioniert werden. Damit können wir entsprechend der Kantengeometrie entschichten und die aktive Fläche auf den Solarmodulen maximieren“, sagt Moldovan im Hinblick auf den ersten Reinigungsprozess.

In den Anlagen verbaut Manz ausschließlich Hochleistungslaser mit hohen Pulsspitzenleistungen und einer mittleren Leistung von mehreren Hundert Watt bis in den Kilowattbereich. Hierbei wurden im Vorfeld umfangreiche Untersuchungen mit Laserstrahlquellen unterschiedlicher Anbieter durchgeführt, bevor eine geeignete Laserstrahlquelle (Trumicro 7060 von Trumpf) für den Einsatz in der Massenfertigung ausgewählt wurde. Hinzu kommen spezielle Optiken, was wiederum die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht.

Laser schonender als Sandstrahlanlage

Deutlich wird der Vorteil im Vergleich zum Sandstrahlen, das früher als mögliches Verfahren ebenfalls infrage gekommen wäre. „Mit dem Laser erzielen wir mikrometergenaue Kanten und einen präzisen Materialabtrag. Auch in Bezug auf den Durchsatz weist der Laser Vorteile gegenüber dem Sandstrahlen auf, außerdem ist die Taktzeit schneller. Schließlich ist der Betrieb einer Laseranlage weniger aufwendig als der einer Sandstrahlanlage, wenn man bedenkt, was alles dazugehört – Strahlmittel, Behälter, Aufbereitung, Entsorgung – das braucht viel Platz“, erläutert Walter. Beim Laser hingegen werden die abgetragenen Produkte durch eine Absaugung innerhalb der Maschine einfach abgesaugt; und da die Glasplatten durchsichtig sind, kann der Laserstrahl in einem Durchlauf beidseitig das Material entfernen.

Des Weiteren spricht die mechanische Einwirkung der Sandkörner auf die Glasplatte gegen das Verfahren für die Solarmodulproduktion. „Beim Sandstrahlen können zum Teil Mikroschäden in der Glasplatte entstehen, das ist schlecht für die Lebensdauer der Solarmodule. Mit dem Laser haben wir einen Prozess entwickelt, der keine Schäden verursacht“, berichtet Moldovan.

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 Stéphane Itasse

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, MM MaschinenMarkt