Lasergenerierte Mikrostrukturen in Glas für besseres Lichtmanagement in Solarmodulen

© Foto Fraunhofer CSP

Abbildung 1: Schema der Strukturerzeugung im Glas mit Femtosekunden-Laser.

Forscher am Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP und der Hochschule Anhalt haben ein Verfahren entwickelt, mit dem perspektivisch eine bessere Ausnutzung des auf ein Solarmodul fallenden Sonnenlichtes möglich wird. Ziel dieses so genannten Lichtmanagements ist es, den Anteil des Lichtes, der normalerweise z.B. auf die metallischen Kontakte oder die Zwischenräume zwischen den einzelnen Solarzellen eines Moduls trifft, auf die aktiven Flächen der Solarzellen umzuleiten. Dazu werden Femtosekunden-Laserpulse eingesetzt, die berührungslos und zerstörungsfrei optisch wirksame Strukturen unter die Oberfläche der Frontgläser von Solarmodulen einschreiben können.

Wie in Abbildung 1 schematisch gezeigt, wird der Laser dazu so ins Glasvolumen fokussiert, dass im Fokus des Laserstrahls die Brechzahl des Glases dauerhaft verändert wird, während die Oberflächen des Glases völlig unverändert bleiben. Bei richtiger Wahl der Laserparameter bleibt das Glas völlig transparent (keine Absorptionsverluste), und es entstehen auch keinerlei Mikrorisse, d.h. die mechanische Stabilität des Glases bleibt vollständig erhalten. Durch Scannen des Lasers über die Fläche lassen sich so grundsätzlich beliebige optische Strukturen erzeugen. Als Beispiel zeigt Abbildung 2 den Effekt eines einfachen, noch nicht optimierten Beugungsgitters (parallele Linien in 6µm Abstand) auf blaues Licht: rund 50 % des senkrecht eingestrahlten Lichts (hellster Punkt bzw. höchster Peak in der Mitte) werden auf andere Winkel umgelenkt.

Derzeit wird daran gearbeitet, die Strukturen auf ihre »Umleitungs«-Wirkung hin zu optimieren. Grundsätzlich bietet das Verfahren die Möglichkeit, fertige Solarmodule – auch nachträglich – zu bearbeiten, und damit deren Stromertrag zu verbessern: die starke Fokussierung des Lasers und der Verbrauch der Pulsenergie im Glas für die Strukturveränderung führen dazu, dass die unter dem Glas liegende Solarzelle beim Erzeugen der Lichtmanagement-Strukturen nicht beschädigt wird.

Diese Ergebnisse sind in Kooperation zwischen der Hochschule Anhalt und dem Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik (CSP) im Rahmen des vom BMBF geförderten kooperativen Forschungskollegs »StrukturSolar« entstanden. Das Forschungsprojekt wird dort auch noch weitergeführt.

Veröffentlichung:

Muchow, M.; Büchner, T.; Seifert, G.: Femtosecond Laser-induced optical microstructures inside glass volume for light management in solar modules. Proc. of 29th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (29th EU PVSEC), 22-26 September 2014, Amsterdam, The Netherlands. DOI: 10.4229/EUPVSEC20142014-1BV.6.57