Vakuumpumpen in der Photovoltaik-Herstellung: Der vollständige Leitfaden für die Solarmodul-Produktion

Der weltweite Übergang zur Solarenergie wird nicht nur vom Sonnenlicht vorangetrieben, sondern auch von der Präzisionstechnik hinter den Kulissen. Im Mittelpunkt der Herstellung hocheffizienter, zuverlässiger Solarmodule steht eine wichtige, aber oft übersehene Technologie: industrielle Vakuumsysteme. Von der Herstellung reinster Siliziumkristalle bis zur Versiegelung des endgültigen Moduls sind Vakuumprozesse in der gesamten Photovoltaik (PV)-Lieferkette unverzichtbar.

In diesem umfassenden Leitfaden wird erläutert, wie die Vakuumpumpentechnologie die moderne Solarfertigung ermöglicht. Dabei werden die Anwendungen und technischen Anforderungen detailliert beschrieben und erläutert, wie sich die Auswahl des richtigen Systems sowohl auf die Modulleistung als auch auf die Produktionsökonomie auswirkt.

Einleitung: Warum Vakuum für die PV-Herstellung von grundlegender Bedeutung ist

Die Herstellung von Solarmodulen erfordert eine extreme Kontrolle der Umweltschadstoffe. Selbst geringe Mengen an Verunreinigungen oder eingeschlossenen Gasen können die Umwandlungseffizienz und die langfristige Zuverlässigkeit einer Photovoltaikzelle drastisch beeinträchtigen. Die Vakuumtechnologie sorgt für die kontrollierten, sauberen Umgebungen, die für wichtige Prozesse erforderlich sind, und hat direkten Einfluss auf die Leistungsabgabe, die Haltbarkeit und letztlich auf die Stromgestehungskosten (LCOE) des Panels.

Die PV-Herstellungskette: Eine vakuumkritische Reise

1. Upstream: Silizium- und Waferproduktion

Die Reise beginnt mit der Herstellung des hochreinen Siliziumsubstrats.

• Prozess: Kristallwachstum (Czochralski-Methode)

• Rolle des Vakuums: Hochreines polykristallines Silizium wird in einem Quarztiegel geschmolzen. Zunächst wird eine Vakuumumgebung verwendet, um die Ofenkammer zu evakuieren und atmosphärische Gase (Sauerstoff, Stickstoff) zu entfernen, die Verunreinigungen einbringen würden. Anschließend wird häufig ein Inertgas (z. B. Argon) bei niedrigem Druck eingeleitet. Das Vakuumsystem hält diese kontrollierte Atmosphäre aufrecht, verhindert Oxidation und transportiert flüchtige Verunreinigungen, die während des Schmelzens freigesetzt werden, ab, was zu makellosen monokristallinen Barren führt.

• Vakuumanforderungen: Grober bis mittlerer Vakuumbereich. Pumpensysteme müssen anfänglich hohe Gaslasten und potenzielle Siliziumoxiddämpfe bewältigen.

• Prozess: Siliziumbarrenguss (für Multikristallin)

• Rolle des Vakuums: Ähnlich wie beim Kristallziehen wird Vakuum verwendet, um im Gießofen eine inerte, saubere Umgebung zu schaffen, um multikristalline Siliziumblöcke herzustellen und so die Reinheit des Materials sicherzustellen.

2. Midstream: Solarzellenfertigung – Wo Vakuum die Effizienz definiert

Dies ist die vakuumintensivste Phase, in der die elektrischen Eigenschaften der Zelle verändert werden.

• Prozess: Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) und chemische Gasphasenabscheidung (CVD)

• Antireflexionsbeschichtungen (SiNₓ): Aufgebracht mittels PECVD. Vakuum sorgt für eine gleichmäßige Beschichtung und präzise Filmeigenschaften, um die Lichterfassung zu maximieren.

• Passivierungsschichten (Al₂O₃, SiNₓ): Kritisch für PERC- und TOPCon-Zellen. Durch Vakuumabscheidung entstehen Schichten, die die Elektronenrekombination an der Siliziumoberfläche reduzieren.

• Transparente leitfähige Oxide (TCO): Unverzichtbar für HJT- und Dünnschichtzellen. Durch Sputtern (ein PVD-Verfahren) im Hochvakuum werden diese leitfähigen, transparenten Filme abgeschieden.

• Rolle des Vakuums: Dies sind die Grundprozesse zum Aufbringen von Dünnschichtschichten, die moderne Hochleistungszellen (PERC, TOPCon, HJT) definieren.

• Vakuumanforderungen: Hoch- bis Ultrahochvakuum (UHV). Diese Prozesse erfordern extrem saubere, partikelfreie Umgebungen mit Basisdrücken, die oft 10⁻⁶ mbar oder weniger erreichen. Pumpsysteme müssen ölfrei sein, um eine Kohlenwasserstoffverunreinigung zu verhindern, die die empfindlichen Filmeigenschaften und die Zelleffizienz beeinträchtigen würde.

• Prozess: Ätzen und Texturieren

• Rolle des Vakuums: Vakuum wird bei bestimmten Trockenätzverfahren (wie RIE) verwendet, um die mikroskopisch kleine strukturierte Oberfläche auf Siliziumwafern zu erzeugen, die mehr Licht einfängt.

3. Nachgelagert: Modulmontage und Laminierung

Vakuum gewährleistet die Haltbarkeit des Endprodukts für mehr als 25 Jahre im Feldeinsatz.

• Prozess: Laminierung

• Rolle des Vakuums: Die zusammengesetzte Zellmatrix (Stränge) wird zwischen Schichten aus EVA und Glas/Rückseite eingelegt. Dieses „Layup“ wird in einen Laminator gelegt. Die Kammer wird auf ein Grobvakuum (~1–10 mbar) evakuiert, um alle Luftblasen und Feuchtigkeit zu entfernen, bevor Wärme zum Aushärten des EVA angewendet wird. Ein perfektes Vakuum ist entscheidend, um Delamination, Feuchtigkeitseintritt und Hotspots zu verhindern, die die Hauptursachen für Modulausfälle sind.

• Vakuumanforderungen: Grobes Vakuum, aber mit sehr hoher Pumpgeschwindigkeit, um den Zieldruck schnell über eine große Kammerfläche zu erreichen und so kurze Zykluszeiten und hohen Durchsatz zu gewährleisten.

Auswahl der richtigen Vakuumpumpe für die PV-Herstellung

Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen in der gesamten Kette gibt es keine „Einheitspumpe“, die für alle passt. Hier ist eine Aufschlüsselung nach den wichtigsten Prozessphasen:

Der Wordfik-Vorteil: Entwickelt für Solar-Exzellenz

Wir bei Wordfik wissen, dass die Vakuumleistung bei der PV-Herstellung direkt mit Ihren Schlüsselkennzahlen verknüpft ist: Zelleffizienz (%), Modulausbeute (%) und Produktionskosten ($/W).

• Prozessoptimierte Lösungen: Wir liefern nicht nur Pumpen; Wir bieten Vakuumsysteme an, die auf die spezifischen Gaslasten, Druckprofile und Sauberkeitsanforderungen beim Kristallwachstum, bei der Beschichtung oder Laminierung zugeschnitten sind.

• Maximierung der Betriebszeit, Minimierung der Gesamtbetriebskosten: Unsere Trockenvakuumtechnologien (Schraube, Klaue) sind darauf ausgelegt, in anspruchsvollen Umgebungen eine hohe Zuverlässigkeit zu bieten, ungeplante Ausfallzeiten zu reduzieren und die Kosten und Umweltbelastung durch Prozessöl zu eliminieren.

• Globaler Support für eine globale Industrie: Unabhängig davon, ob sich Ihre Fabrik in einem etablierten Solarzentrum oder in einer aufstrebenden Produktionsregion befindet, ist unser technisches Support-Netzwerk so strukturiert, dass es schnelle, fachkundige Unterstützung bietet, damit Ihre Produktionslinie mit höchster Effizienz läuft.

Fazit: Mehr als nur eine Pumpe – ein Schlüssel zur Zukunft der Solarenergie

Da die Photovoltaiktechnologien mit TOPCon-, HJT- und Perowskit-Tandems zu höheren Wirkungsgraden voranschreiten, werden die Anforderungen an Vakuumpräzision und -reinheit nur noch strenger. Die Wahl des Vakuumtechnologiepartners ist eine strategische Entscheidung, die sich auf die Produktleistung, die Herstellungskosten und die Skalierbarkeit auswirkt.

Die Investition in eine Vakuumlösung, die für die spezifischen Anforderungen der Solarfertigung entwickelt wurde, ist eine Investition in die Qualität, Zuverlässigkeit und Wettbewerbsfähigkeit Ihrer Solarmodule auf dem Weltmarkt.

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

F1: Warum sind ölfreie Vakuumpumpen für Solarzellenbeschichtungsprozesse (PVD/CVD) von entscheidender Bedeutung?
Selbst Spuren von Kohlenwasserstoffen, die von ölgeschmierten Pumpen zurückströmen, können die Abscheidungskammer verunreinigen. Dadurch entstehen Defekte in den nanoskaligen Dünnfilmen, die deren Passivierungs- bzw. Leitfähigkeitseigenschaften und damit die Umwandlungseffizienz der Zelle drastisch reduzieren. Ölfreie Pumpen eliminieren dieses Risiko vollständig.

F2: Ist bei einem Solarmodul-Laminator eine schnellere Pumpgeschwindigkeit immer besser?
Während Geschwindigkeit für die Zykluszeit entscheidend ist, ist die Gleichmäßigkeit der Evakuierung über die gesamte Laminatfläche gleichermaßen wichtig. Ein falsch konzipiertes System kann Druckgradienten erzeugen, die zu einer unvollständigen Luftentfernung und lokalisierten Blasen führen. Die optimale Lösung vereint hohe Geschwindigkeit mit effektivem Kammer- und Rohrleitungsdesign.

F3: Welchen Beitrag leistet die Vakuumtechnologie zu Solarzellen der nächsten Generation wie Perowskiten?
Perowskit-Solarzellen reagieren äußerst empfindlich auf Feuchtigkeit und Sauerstoff. Ihre Abscheidung erfordert häufig in Gloveboxen integrierte Vakuumsysteme oder eine stark kontrollierte Inertatmosphärenverarbeitung, bei der Vakuumpumpen für die anfängliche Evakuierung der Kammer und die Aufrechterhaltung der Reinheit unerlässlich sind. Die Weiterentwicklung der Vakuumtechnologie wird der Schlüssel sein, um diese vielversprechenden Zellen kommerziell nutzbar zu machen.