Solarzellen haben einen Multischichtaufbau aus unterschiedlichen Materialien. Aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten von Silizium und Schichtmaterialien kommt es zu einer dauerhaften Verwölbung der Solarzelle. Die Produktionspraxis zeigt, dass Solarzellen mit Verwölbungen ab etwa 2 mm in den Produktionsmaschinen nicht mehr prozessiert werden können. Um die Ausbeute in der Produktion zu erhöhen, untersuchen wir das mechanische Verhalten und insbesondere die Verwölbung von Solarzellen mit unterschiedlichem Elektrodendesign und beschreiben diese numerisch, um neue Schichtaufbauten bei Solarzellen bewerten und bezüglich minimierter Verwölbung optimieren zu können.

Minimierung der Verwölbung dünner Solarzellen. (PDF)

Reduzierung von Bruchraten in der industriellen Solarzellenfertigung. (PDF)

Beim Drahtsägen von Siliziummaterial in Wafer für Solarzellen geht ein beträchtlicher Teil des mit hohem Energieeinsatz gereinigten und kristallisierten Siliziums in Form von nicht recycelbarem Siliziumstaub verloren. Ein zentrales Forschungsthema ist daher die Reduzierung der Spaltbreiten beim Sägen. Wir arbeiten an der Erforschung der Grundlagen des Materialabtrags durch Untersuchungen im Einzelsägespalt-Prozess. Die Arbeiten beinhalten experimentelle und numerische Untersuchungen zu neuen Draht-, Abrasiv- und Trägermaterialien sowie zu Abtragsmechanismen und Sägeparametern. Untersucht werden Abrieb von Drähten und mechanische Eigenschaften der erzeugten Oberflächen mit dem Ziel der Identifizierung aussichtsreicher Draht-Slurrysysteme für den industriellen 100 µm-Sägeprozess.

Solarzellenfertigung: Prozessgrundlagen für den Einsatz dünner Drähte zum Sägen von Siliziumblöcken. (PDF)

Die bei der Heißformgebung von Glas auftretenden Prozesstemperaturen von 500 °C bis 700 °C und die optischen Qualitätsanforderungen stellen an das Formenmaterial extrem hohe Anforderungen. Als geeignete Materialien kommen nur wenige, meist einkristalline oder amorphe Materialien in Frage, da sich bei polykristallinen Materialien die Kornstruktur meist nachteilig auswirkt. Als Formenmaterial geeignetes Material wie einkristallines Silizium stellt jedoch hohe Anforderungen an die Mikrozerspanung. Um bei der Bearbeitung des spröden Materials Silizium die erforderliche Oberflächenqualität in wenigen Bearbeitungsschritten zu erreichen, muss sichergestellt sein, dass die zum Abtrag notwendigen Trennrisse ausschließlich im abgetragenen Silizium und nicht im verbleibenden Grundmaterial auftreten.
Dies ist mit der duktilen, spanenden Oberflächenbearbeitung mit Einkorn-Diamantschneiden möglich. Hierzu nutzen wir die Plastifizierung des Materials durch die Einwirkung der lokal sehr hohen Druckkräfte unter der Diamantschneide, die eine duktile Bearbeitung des glasartig spröden Materials erlauben.

Ultrapräzisionsdrehen von Formwerkzeugen zum Heißumformen optischer Gläser. (PDF)

Ein Schlüssel zu hoher Produktqualität bei der Glasverarbeitung ist das Schneiden. Beim konventionellen Verfahren zum Trennen von Flachglas wird mit einem kleinen Rädchen eine Linie auf das Glas geritzt. Anschließend wird das Glas entlang dieser Linie belastet, so dass es bricht. Dabei platzen Glassplitter ab und es entstehen Fehler, die Mikrorisse. Daher müssen die Gläser aufwändig nachbearbeitet werden, durch Schleifen und Polieren. Trotzdem können Spannungen im Glas zurückbleiben, die die Festigkeit vermindern.
Wir entwickeln Verfahren, um Glas schädigungsarm, verlustfrei und konturgenau zu trennen. Unser im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF geförderten Projekts entwickelte Laser-induzierte Spannungstrennverfahren für Flachglas wurde mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2008 ausgezeichnet. Die Herausforderung und die Lösung zum Trennen von Glas besteht darin, mittels thermisch erzeugter Spannungen, einen Trennriss gezielt durch das Glas zu treiben. Anschließend wird der so in die Oberfläche eingebrachte thermische Anritz durch Biegebruch geöffnet.

Schädigungsarme Trenntechniken für Flachglasprodukte. (PDF)

Fraunhofer-Preis 2008

Dr. Rainer Kübler vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM wird für die Entwicklung eines neuartigen Trennverfahren für Glas mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis ausgezeichnet.