Von Anfang 2008 bis Ende 2012 konnten die Kosten für die Herstellung von PV-Modulen um bis zu 70 % reduziert werden. Gleichzeitig sind die durchschnittlichen Preise  solcher Module aber um über 80 % gefallen. Die Hauptgründe für diese dramatische Preisentwicklung waren Fortschritte in der Produktionstechnologie sowie der massive Ausbau chinesischer Produktions-Kapazitäten, welcher stark durch Investitionsmittel der chinesischen Regierung gefördert wurde. Hierdurch sind enorme Überkapazitäten im Weltmarkt entstanden. Da deutsche beziehungsweise europäische Unternehmen nicht über ähnlich güns­tige Finanzierungsmöglichkeiten verfügen und das sinkende Preisniveau den Cash Flow schmälerten, waren diese Hersteller nicht in der Lage, kontinuierlich in die Verbesserung ihrer Produktion zu investieren. In der Folge haben sie beim Skalierungswettlauf mit den chinesischen Unternehmen an Boden verloren und mussten mehrheitlich ihr Geschäftsmodell aufgeben.

Wenn auch die Anzahl der in der Photovoltaik-Branche direkt und indirekt beschäftigten Arbeitnehmer angesichts dieser Entwicklung in den letzten drei Jahren stetig – ja teilweise sogar drastisch – gesunken ist, so sind die hierzulande angesiedelten Forschungsinstitute, Maschinenhersteller und Materiallieferanten für die Solarindustrie global noch immer technologisch führend. Laut VDMA hat der deutsche Maschinen- und Anlagenbau einen Anteil von fast 50 % an der weltweiten Ausrüstung der Photovoltaik-Produktion. Nach wie vor sind auf diesem Sektor in Deutschland rund 100 Unternehmen tätig.

Die Idee der X-Gigawatt-Fabrik

Wie sich derzeit abzeichnet, werden durch die stark gesunkenen PV-Stromgestehungskosten in den nächsten drei Jahren neue, große und zunehmend nicht subventionierte Märkte in- und außerhalb Europas entstehen. Aus dieser Situation heraus wurde das Konzept für den Aufbau einer Gigawattskaligen Fertigung mit substanzieller technologischer Innovation entworfen und in einer durch das Land Baden-Württemberg finanzierten „Studie zur Planung und Aufbau einer X-GW-Fabrik zur Produktion zukunftsweisender Photovoltaik Produkte in Deutschland“ bewertet.

Demnach soll im Jahr 2017 eine hochintegrierte europäische PV-Fabrik der zweiten Generation für die Massenfertigung im Gigawatt-Maßstab den Weltmarkt beliefern, die PV-Technologie in Europa halten und als Beispiel für weitere derartige Fabriken basierend auf deutscher beziehungsweise europäischer Anlagentechnik weltweit dienen. Die hierbei wichtigsten Elemente sind eine fortgeführte Kostenreduktion durch die Nutzung von Zell-Technologie der nächsten Generation sowie einer flexiblen, hochautomatisierte Verbund-Produktion im Gigawatt-Maßstab mit reduzierten Personalkosten, höchster Produktionsqualität sowie bedeutenden Energie- und Materialeinsparungen gerade auch in der Produktionsinfrastruktur.

Der Aufbau einer Pilotlinie an einem zentral gelegenen Produktionsstandort in Europa soll dabei schnell und effizient auf Gigawatt-Größe erweitert werden. Der Südwesten Deutschlands bietet sich aufgrund der enormen Dichte an technologiegebenden Industrieunternehmen und Forschungsinstitutionen als ideales Zentrum für eine solche Pilotproduktion an.

Fokus auf die automatisierte Handhabung

Kernaufgaben der automatisierten Handhabung im innerbetrieblichen Materialfluss von PV-Wafern und Zellen am Beispiel der Automatisierungsplattform für Handhabung im Labor des Fraunhofer IPA.

© Fraunhofer IPA

Eine der Herausforderungen im Hinblick auf automatisierte Prozesse in der PV-Industrie ist der materialflusstech­nische Transport der Wafer durch au­tomatisierte Handhabung zwischen unterschiedlichen Produktionsschritten. Insbesondere Rohwafer sind aufgrund der inhomogenen Oberfläche durch den Sägeschnitt und die TTV (Total Thickness Variation) bruchempfindlich.

Eine manuelle Handhabung ist bei hohen Ausbringungsmengen nicht nur aufgrund des eventuell zeitlichen Verzuges unrentabel. Vielmehr noch besteht  die Gefahr, dass sich der Transport – bedingt durch die natürlich schwankende Qualität einer manuellen Handhabung – negativ auf die Ausbeute der Produktion auswirkt. Eine Rückführung von gebrochenen Wafern in die Zellproduktion – ähnlich etwa eines Spot-Repair bei Automobilkarossen – ist nicht möglich. Und auch ein Rework beziehungsweise Wiedereinschmelzen, indem der Siliziumbruch der reinen Siliziumschmelze zugeführt wird, ist nur selten vorgesehen.

Hauptziele einer automatisierten Handhabung – nicht nur in einer künftigen X-GW-Fabrik – müssen daher zum einen ein höherer betrieblicher Durchsatz und zum anderen eine Reduzierung der Bruchrate der Wafer sein. Üblich sind hierbei bisher  unterschiedliche Methoden der Greifer-basierten, automatisierten Handhabung, bestehend aus einem Manipulator und einem ausgewählten Endeffektor. Die Zusammenhänge der Handhabungsprozesse sind allerdings komplex und die Wechselwirkungen der einzelnen Komponenten nicht immer offensichtlich und bekannt.

Vor diesem Hintergrund beziehungsweise mit dem Ziel, die Tauglichkeit von Handhabungsprozessen insgesamt bewerten zu können, ist am Fraunhofer IPA eine prototypische Anlage entstanden, welche die wesentlichen Handhabungsschritte der PV-Wafer-Produktion umfasst. Sie besteht aus mehreren Stationen und bietet durch eine produktionsnahe Realisierung die Möglichkeit, die automatisierte Handhabung von dünnen Wafern unter Realbedingungen zu untersuchen. Eine produktive Automatisierung von Handhabungsvorgängen in der industriellen Produktion von dünnen Siliziumsubstraten wie Wafern oder Solarzellen hängt von verschiedenen Indikatoren ab. Hierzu zählen die Positioniergenauigkeit der Handhabung, die Bruchrate während eines Handhabungsschrittes, der Luftverbrauch als wirtschaftliche Größe des Greifvorgangs und die erreichbaren betrieblichen Durchsätze.

Waferdicke als Kostentreiber

Das Rohmaterial in Form eines Wafers macht heute noch rund ein Drittel der Herstellkosten einer Solarzelle aus. Dies ist der Hauptgrund, weshalb möglichst dünne Wafer (160 µm bis 180 µm) industriell hergestellt und zu Solarzellen weiterverarbeitet werden.

Die ITRPV (International Technology Roadmap for Photovoltaic) geht allerdings davon aus, dass sich die Substratdicke in der Massenproduktion von Solarzellen weiter reduzieren wird. Laborentwicklungen und physikalische Berechnungen zeigen, dass sich die optimale Effizienz einer Solarzelle bei einer Substratdicke von etwa 50 µm einstellt.

'Stress' für den Wafer: Bei der Substrat-Aufnahme durch Ansaugen kommt es zu einer Durchbiegung (Mitte li.), nach Erreichen der Endposition in z-Richtung schlägt das Substrat am Endeffektor an (oben re.) um sich dann einzuschwingen (unten re.).

© Fraunhofer IPA

Problematisch wird die Dünne der Siliziumscheiben durch die Gegebenheit, dass Silizium ein spröder Werkstoff ist und nur geringen mechanischen Belastungen ausgesetzt werden darf. Dies verkompliziert die Realisierbarkeit von automatisierten Handhabungslösungen immens, weshalb die Branche technologiegetrieben die Entwicklung von innovativen Handhabungskonzepten fordert.

Bereits im Stadium der Planung einer zukünftigen X-GW-Fabrik sollte daher die Reduzierung der Waferdicke mitbetrachtet werden, da dies einen signifikanten Einfluss auf zukünftige Automatisierungslösungen haben wird. Diverse Versuchsreihen mit unterschiedlichen Parametervariationen, durchgeführt im Test- und Demonstrationszentrum für die Handhabung in der PV-Industrie des Fraunhofer IPA, haben gezeigt, dass sich die Substrate mit einer Dicke von weniger als etwa 120 µm nicht länger mit den konventionellen Greif- und Transportmechanismen prozesssicher handhaben lassen.

Bis zu dieser Grenze lässt sich das Substratverhalten während des Transports mit dem einer biegeschlaffen, steifen Platte vergleichen. Bei weitaus dünneren Substraten können wiederum Ansätze, wie sie von der Handhabung einer Folie bekannt sind, zum Einsatz kommen. Dazwischen jedoch beeinflussen verschiedene weitere Faktoren das Verhalten, wie zum Beispiel der Prozessierungszustand und die Temperatur. Ergo müssen die künftigen Automatisierungsansätze entsprechend an die jeweiligen Randbedingungen angepasst werden. Eine allgemein gültige Spezifikation ist hierbei nicht möglich.

Das Thema Positionier­genauigkeit

Entscheidend für die Qualität der Handhabung ist insbesondere die Positioniergenauigkeit des Handhabungsvorganges. Sie ist per Definition die Differenz zwischen einer Soll-Position und der aktuellen Ist-Position eines Wafers nach der  Handhabung. Wesentlichen Einfluss hat der Greifer selbst als direkt ausführende Komponente. Das Wirkprinzip des Greifers, die geometrische Auslegung, das Kontaktmaterial und die technische Spezifikation sind in Bezug auf den Endeffektor charakteristisch. Ein weiterer Einflussfaktor auf die Positioniergenauigkeit ist die Genauigkeit des übergeordneten Systems, die sich aus der Maschinengenauigkeit und der Genauigkeit des Messsystems zusammensetzt. Die Betriebsparameter stellen den dritten wesentlichen Einflussfaktor auf die Positioniergenauigkeit bei der Handhabung dar.

Untersuchungen hinsichtlich möglicher Grenzdurchsätze bei der automatisierten Handhabung von Siliziumsub­straten haben gezeigt, dass die Positioniergenauigkeit aufgrund der Betriebsparameter sehr unterschiedlich ausfallen kann. Einflussnehmende Faktoren/Parameter sind hierbei hauptsächlich:

• Betriebs- beziehungsweise Versorgungsdruck der Druckluft am Greifer
• Endgeschwindigkeit der Manipulatorachsen
• Beschleunigung der Manipulatorachsen
• Aufnahmehöhe beziehungsweise Abstand zwischen Endeffektor und Substrat vor der Aufnahme
• Ableghöhe beziehungsweise Abstand zwischen Endeffektor und Substrat bei der Ablage
• Zeitspanne zwischen Aktivierung des Endeffektors und dem Start der Bewegung
• Zeitspanne zwischen Deaktivierung des Endeffektors und nachfolgender Bewegung am Ablageort

Nicht zuletzt bedingt auch der sich momentan abzeichnende Wechsel von front- und rückseitenkontaktierten Zellen hin zu effizienteren Technologien, basierend auf reiner Rückseitenkontaktierung, eine Anpassung der Prozess- und Automatisierungstechnologien. Diese neuen Zelldesigns und damit einhergehende engere Toleranzen bei der Kontaktierung der Zellen in der Modulfertigung erhöhen die Komplexität in der Produktion, vor allem im Sinne der Positioniergenauigkeit. In der Folge werden die Toleranzen beim so genannten 'Lay-up' der Zelle engeren Grenzen genügen müssen. Dies wiederum wird direkten Einfluss auf die Konzep­tionierung des gesamten Automatisierungssystems haben, bestehend aus optischer Bildverarbeitung, Manipulator und Endeffektor.

Standardisierung in den Kinderschuhen

Gerade im Bereich der Automatisierung steckt die Standardisierung in der PV-Branche an vielen Stellen noch in den Kinderschuhen. Als Beispiel sei hier der Standard PV2 genannt, welcher bereits im Jahr 2009 die Datenschnittstelle einer Anlage hin zu einem übergeordneten Produktionsplanungs- und leitsystem beschreibt. Obwohl er seit einigen Jahren besteht, beachten ihn nur sehr wenige Firmen bei der Implementierung der Maschinenintegration. Andere Branchen wie zum Beispiel die Halbleiter- aber auch die Automobilindustrie sind hier um vieles weiter. Dabei wäre die Einhaltung von standardisierten Abläufen, Kommunikationsmitteln und Datenströmen ein wichtiger Faktor zur Reduzierung der Kosten innerhalb des gesamten Fertigungszyklus. Der neu definierte Standard PV35 beschreibt nun auch die direkte Kommunikation von Daten zwischen benachbarten Anlagen, ohne die Einbindung eines übergeordneten Systems.

Gerade in diesem Bereich könnte die geplante X-GW-Fabrik Kostensenkungspotenziale erschließen. Denn insbesondere beim Einsatz neuer IT-Technologien und einer damit möglichen wissens- und informationsbasierten Fertigung können unter Einhaltung der relevanten, für die Massenfertigung tauglichen Standards neue Erkenntnisse schneller und effizienter vom Labor in die Fertigung und auch wieder zurück gespiegelt werden.

Neben der Auswahl geeigneter Zell- und Modultechnologien werden nicht zuletzt die Optimierung produktionstechnischer sowie fabrikplanerischer Aspekte ausschlaggebend für den Erfolg eines X-GW-Vorhabens sein. Die Optimierung der notwendigen Automatisierungsansätze als ganzheitlicher Ansatz parallel zur Entwicklung neuer Zellkonzepte kann – zusätzlich zu den Skaleneffekten – dazu beitragen, wichtige Einsparpotenziale zu heben.

Autoren:
Tim Giesen ist Projektleiter im Bereich der automatisierten Handhabung fragiler, kontami­nationskritischer Substrate am Fraunhofer IPA;
Roland Wertz ist Leiter der Gruppe 'Auslegung und Steuerung reiner Fertigungen' der Abteilung Reinst- und Mikroproduktion am Fraunhofer IPA.