Kristalle optimiert züchten und sägen

Forscher haben ein neues tiegelfreies Kristallzüchtungsverfahren für quasi monokristallines Silizium entwickelt. Zellen aus diesem Material erreichen einen Wirkungsgrad von 21 Prozent, der vergleichbar zu dem üblicher monokristalliner Standardzellen ist. Aber die Produktionskosten sind geringer als bei diesen. Auf dem Weg vom Silizium zum Solarmodul werden die Siliziumblöcke in dünne Wafer gesägt. Dabei hat sich ein neuartiger Diamantdraht mit speziell angepasster Kühlflüssigkeit bewährt. Damit war es möglich, die Wafer schneller und mit deutlich geringeren Materialverlusten zu sägen. Außerdem lässt sich mit diesem System die Waferdicke reduzieren, von derzeit 180 µm auf künftig 100 µm.

Der Markt für Photovoltaikanlagen ist hart umkämpft. Um höhere Wirkungsgrade zu erreichen und die Kosten zu senken, optimieren die Hersteller kontinuierlich die Produktionsprozesse.

Solarzellen günstiger produzieren

Auf dem Markt für Photovoltaik-Anlagen herrscht ein intensiver Wettbewerb. Mit ständig neuen Innovationen senken die Hersteller ihre Produktionskosten und steigern den Wirkungsgrad der Zellen und Module. Dafür verbessern sie die Produktionsprozesse entlang der Kette vom Silizium bis zum Modul. Gemeinsam arbeiten Firmen und Forschungseinrichtungen daran, hochwertige Siliziumkristalle und Wafer möglichst materialsparend herzustellen. Sie verbessern die Materialqualität durch ein neuartiges Erstarrungsverfahren für ein quasimonokristallines Silizium. Mit einem neuen Trennverfahren produzieren sie aus der gleichen Menge Silizium mehr Wafer.

Für Solarzellen auf Siliziumbasis werden meist Wafer aus monokristallinem oder aus multikristallinem Silizium eingesetzt. Multikristallines Silizium entsteht kostengünstig im Blockguss, erreicht jedoch nicht den Wirkungsgrad von monokristallinem Standard-Silizium, das aufwendig nach dem Czochralski-Verfahren gezogen wird. Die hier üblichen Zell-Wirkungsgrade von über 21 Prozent lassen sich auch mit dem neu entwickelten Quasimono-Silizium erreichen, das Forscher von SolarWorld mit einem neuen tiegelfreien Kristallzüchtungsverfahren günstiger herstellen können. Mit ihm ersetzen sie den für mikrokristalline Silizium-Zellen üblichen Blockguss, bei dem der Tiegel und seine Beschichtung Quelle von Verunreinigungen und störende Fremdkeimbildner sind. Mit dem neuen Verfahren können sie ein monokristallines, versetzungsfreies und sauerstoffarmes Silizium produzieren.

Im nächsten Schritt wird der Kristall in feine Scheiben, sogenannte Wafer, geschnitten. Zur Verbesserung dieses Produktionsschrittes ersetzen die Forscher die bisher übliche Läppmittel-basierte Sägetechnologie durch Diamantdrahttrennen und speziell angepasste Kühlflüssigkeit. Diamantsägen können die Kristalle schneller und mit weniger Materialverlusten in Wafer vereinzeln. Diese sind aktuell noch etwa 180 µm dick. Hier sind noch deutliche Materialeinsparungen möglich, innerhalb der nächsten zehn Jahre wollen die Forscher 100 µm erreichen. Zum Vergleich: ein Blatt Papier ist etwa 80 µm dick.

Bevor die Wafer zu Solarzellen weiterverarbeitet werden können, müssen sie gereinigt werden. Mit neu entwickelten Verfahren werden Reste des Kühl- und Schmiermittels sowie organische Anhaftungen und Partikel entfernt.

Die gerichtete Erstarrung ist der etablierte Prozess für die großtechnische Produktion von multikristallinen Siliziumblöcken für Solarzellen. Neue Erstarrungskonzepte zielen darauf ab, quasi-monokristalline Siliziumblöcke herzustellen, die höhere Wirkungsgrade und weniger die Lebensdauer des Moduls reduzierende Defekte haben. Hierbei kommen auch Wandermagnetfelder zum Einsatz. Sie ermöglichen es, die Schmelzströme, die hauptsächlich von durch die Widerstandsheizer erzeugten Magnetfeldern beeinflusst werden, an der fest-flüssigen Wachstumsfront gezielt einzustellen und dadurch den Erstarrungsprozess zu verbessern. Ein mit der TU Freiberg erarbeitetes Messverfahren für solche Strömungsstrukturen bestätigt die Ergebnisse der im Forschungsprojekt durchgeführten numerischen Simulationen.

Die Forscher entwickelten das aktuelle Verfahren auf Basis eines vorhergehenden Projekts, bei dem sie polykristallines Silizium im Tiegel aufschmolzen, um Quasimono-Material herzustellen. Dafür legten sie den Boden des Schmelztiegels mit monokristallinem Silizium aus und ließen von dort aus den Kristall wachsen und senkten dann die Temperatur langsam von unten nach oben. Der Prozess erfordert eine sehr genaue Temperaturführung, er ist komplizierter als die Herstellung von polykristallinem Material, da die monokristallinen Kristallisationskeime nur leicht anschmelzen dürfen.

Da bei diesem Verfahren noch Störungen in der Kristallstruktur und Verunreinigungen aus dem Tiegel den erreichbaren Wirkungsgrad einschränken, entwickelten die Forscher den tiegelfreien Quasimono-Prozess. Mit diesem erreichen sie neben einer besseren strukturellen Qualität der Kristalle mit weniger Versetzungen und geringfügigeren rekombinationsaktiven Korngrenzen auch eine erheblich niedrigere Konzentration an Verunreinigungen wie Sauerstoff, Kohlenstoff und Metallen. Dadurch verbessert sich der Wirkungsgrad der prozessierten Solarzelle.

Im Rahmen der experimentellen Arbeiten setzten sie verschiedene Rohstoffschüttungen und Keimvorlagen ein und variierten gezielt Prozessparamater, wie z. B. die Heizerleistungen oder die Wachstumsgeschwindigkeit. Um den Herstellungsprozess und den Ofen weiter zu verbessern, nutzten die Forscher eine für die tiegelfreie Technologie neu entwickelte Simulationssoftware sowie ein neues Mess-System. Mithilfe dieses Modells können sie durch thermomechanische Spannungen verursachte Versetzungen und Versetzungscluster vorhersagen, ebenso die Verteilung von Restspannungen im abgekühlten Kristall.

Da die Silizium-Photovoltaik weit verbreitet ist, lassen sich optimierte Herstellungsprozesse zur Kristallisation und zum Wafering gut in bestehende Produktionslinien integrieren. Die SolarWorld Innovations GmbH (SWIN) hat das Projekt gemeinsam mit Partnern aus der Wissenschaft durchgeführt.

Quelle: Leibniz-Institut für Informationsinfrastruktur GmbH (FIZ)