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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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Wafer-Fertigung bei SolarWorld in Freiberg: Kontrolle des fertigen Wafers.
© SolarWorld
Waferfertigung für kristalline Solarzellen
Projektinfo 02/2017

Schema des Drahtsägeprozesses mit einer Multi-Wire-Säge.
© Fraunhofer IWM

Nach dem Sägen und Reinigen werden die Siliziumwafer geprüft und sortiert.
© SolarWorld

REM-Aufnahme eines benutzten Drahtes. Auszählen aller Diamanten (weiß, unten) ergibt die Belegungsdichte; die Zahl der freigelegten Diamanten (schwarze Punkte, Mitte) zeigt den Anteil der schneidenden Diamanten. Dies ist eine wichtige Kenngröße für die Schneideffizienz eines Drahtes.
© SolarWorld
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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% 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.

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Kristallisation: gerichtete Erstarrung

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.

Projektinfo 02/2017:
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Merkzettel

Adressen

Projektleitung, Weiterentwicklung von Quasimono-Technologie und Wafer-Herstellung
SolarWorld Innovations GmbH

Evaluierung von Hilfs- und Betriebsstoffen sowie Untersuchungen des Reinigungsprozesses
Fraunhofer ISE

Weiterentwicklung der Quasimono-Technologie
Leibniz-Institut für Kristallzüchtung

Herstellung von Quasimono-Siliziumkristallen
Fraunhofer IISB

Grundlagen Säge- und Vereinzelungsprozess für Quasimono-Silizium
Fraunhofer IWM

Entwicklung von Kühlschmierstoffen und Reinigungschemikalien
PETROFER CHEMIE

Modellexperimente für die gerichtete Kristallisation von Si-Blöcken
TU Freiberg, INEMET

Optimierung der Trenn- und Reinigungsprozesse
Fraunhofer CSP

Simulation von Spannungsverteilung und Versetzungsgeneration in Quasi-Mono-Silizium-Blöcken
ACCESS e.V.

Ultraschallmesstechnik für Modellexperimente zur gerichteten Erstarrung
TU Dresden, IEE

BINE-Projektinfo 02/2017
(PDF, 4 Seiten, 353 kB)

Links

Publikation
Richter, T.: Entwicklung hoch- und kosteneffizienter PV-Si-Wafer. Teilprojekt: Entwicklung einer quasimono-Kristallisationstechnologie in Verbindung mit einem spezifischen hocheffizienent Vielspalten-Sägeprozess. FKZ 0325646A. SolarWorld Innovations GmbH, Freiberg (Hrsg.). [2015]

Video
Frieder Braun, Universität Konstanz (2011): Herstellung einer Silizium-Solarzelle

Infotipps

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BINE-Projektinfo 08/2015

Monokristalline Halbleiter energiesparend produzieren
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Energie von tausend Sonnen
BINE-Projektinfo 02/2014

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.

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