.

Abb. 2: Die aus den Blöcken geschnittenen Siliziumscheiben werden zu Zellen weiterverarbeitet.
© BSW-Solar

Abb. 3: Fertigung von Si-Solarzellen im Reinstraum.
© BSW Solar

© BINE Informationsdienst

Abb. 4: Sägeschäden aus dem Drahtsägeprozess werden entfernt, die Wafer-Oberfläche texturiert.
© Solarworld

Abb. 6: In der Matrix-Unit werden die Strings zu einer Fläche aus 60 Solarzellen verbunden.
© Solarworld

Abb. 7: Produktionsanlage in Freiburg.
© Solarfabrik

Abb. 8: Rahmung der laminierten Sandwichs.
© aleo solar
3 / 17

Vom Quarzsand zum kristallinen Solarmodul

Der Weg vom Quarzsand über Siliziumaufbereitung und Waferherstellung zu einer Standard-Solarzelle und die weitere Verarbeitung zu einem laminierten Solarmodul mit Einscheiben-Sicherheitsglas und Tedlar-Rückseite verlaufen folgendermaßen:

Silizium-Herstellung

Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element in der Erdkruste, wo es in Form von Oxiden und Silikaten vorkommt. Aus Quarzgestein werden jährlich Millionen Tonnen metallurgisches Silizium bei einer Prozesstemperatur von über 2.000 °C in elektrischen Lichtbogenöfen für die Metall- und Kunststoff-Idustrie zum Preis von etwa 1 €/kg hergestellt.

Silizium-Reinigung

Für Halbleiteranwendungen darf das Silizium nur wenige Fremdatome enthalten. Während für die Mikroelektronik ein besonders hoher Reinheitsgrad erforderlich ist (sogenanntes electronic grade eg-Si hat einen Fremdatomanteil unter 1 ppb), sind die Anforderungen an solar grade sog-Si für die Photovoltaik deutlich geringer (99,99% bzw. 1 ppm). Derzeit werden pro Jahr etwa 100.000 t solar grade Silizium hergestellt. Zum Einsatz kommt meist das so genannte Siemens-Verfahren. Dabei reagiert metallisches Silizium mit Chlorwasserstoff bei 650 °C zu flüssigem Trichlorsilan, das über energieaufwendige Destillationsverfahren gereinigt wird. Anschließend wird es verdampft und mit Hilfe von Wasserstoff als polykristallines Silizium an heißen Siliziumstäben abgeschieden. Die dicker werdenden Stäbe müssen etwa im Wochenrhythmus ausgetauscht werden. Das gesamte Verfahren benötigt für die Reinigung eines Kilogramms Silizium zwischen 100 bis 160 kWh elektrische Energie.

Ein neues Wirbelschichtverfahren vermeidet diese Unterbrechungen und den Energieeinsatz beim Neustart des Prozesses. Bei dem von der Wacker Chemie in Burghausen entwickelten Granulatreaktor dienen heiße Siliziumkügelchen als Startmaterial für die Abscheidung des Siliziums. Sie wachsen auf einen Durchmesser von bis zu einem Millimeter an und können im laufenden Betrieb als Granulat entnommen werden. Nach Inbetriebnahme der Pilotanlage läuft bereits die Planung für einen Produktionsreaktor mit einer Jahreskapazität von 500 t.

Einen anderen Ansatz verfolgt das Verbundvorhaben SUNSIL 2010 der Firma Joint Solar Silicon. Hier erfolgt die kosten- und energieeffiziente Herstellung von Solarsilizium aus Monosilan. Das gereinigte Monosilan zerfällt in einem 800 °C heißen Rohrreaktor zu Siliziumpulver, das kontinuierlich entnommen werden kann. Alle Verfahrensschritte, wie die Pyrolyse des Silans, die Abscheidung des Siliziumpulvers, die mechanische oder thermische Nachbehandlung des Produktes sowie dessen universelle Einsetzbarkeit in den nachfolgenden Bearbeitungsschritten, werden untersucht. Eine erste Pilotanlage mit einer Jahreskapazität von 850 t wurde 2008 bereits realisiert.

Kristallwachstum

Gereinigtes poly-Silizium wird aufgeschmolzen, mit Bor dotiert und erstarrt in Form von bis zu mehreren hundert kg schweren quadratischen multikristallinen oder etwa 100 kg schweren zylindrischen einkristallinen Festkörpern. Diese Kristalle werden mechanisch zu Säulen von 156mm Kantenlänge weiterverarbeitet. Eine neue Versuchskristallisationsanlage ermöglicht es, multikristalline Silizium- Blöcke bis zu 1.000 kg schneller herzustellen. Fraunhofer ISE entwickelt in einer Anlage zur Kristallisation von multikristallinen Si-Blöcken neue Kristallisationsprozesse und verwendet dazu neuartige Silizium-Quellen: Das Institut testet physikalisch aufgereinigtes metallurgisches (upgraded metallurgical grade umg) Silizium – Ziel sind unter anderem stark dotierte Silizium-Wafer als Substrat für kristalline Siliziumdünnschichtsolarzellen, das so genannte Wafer-Äquivalentkonzept. Im Verbundprojekt SolarFocus – SolarSilizium-Forschungs-Cluster haben sich 24 Unternehmen und Forschungspartner zusammengeschlossen; sie untersuchen das aktuell genutzte Silizium, insbesondere im Hinblick auf den Einfluss von Verunreinigungen und strukturellen Defekten auf den Wirkungsgrad der Solarzellen.

Waferherstellung

Aus den Kristallsäulen werden mit Drahtsägen die Wafer,etwa 200 μm dünne Siliziumscheiben, herausgeschliffen. Noch wird der dabei anfallende Silizium-Schleifstaub (2010: 50.000 t) nicht recycelt, das deutlich wertvollere SiC hingegen schon. Verfahrensinnovationen sollen den Sägeverlust deutlich verringern. Angestrebt werden 100μm Sägespaltbreite und Kostenvorteile von bis zu 20% im Sägeprozess. Schott Solar bringt die Erfahrungen aus der (aufgegebenen) sägeverlustfreien EFG-Waferfertigung (edge defined film-fed growth) mit ein, um die Materialqualität von blockkristallisierten, multikristallinen Siliziumwafern zu verbessern. Die Solar World Innovations entwickelt mit der Universität Konstanz ein Folienziehverfahren, bei dem Wafer sehr schnell ohne Sägeprozesse direkt aus flüssigem Silizium gezogen werden.

Zelldesign und Zellherstellung

Zur Solarzellherstellung werden die Wafer gereinigt und durch einen Ätzschritt in der Regel mit einer Oberflächentextur versehen. Diese verringert die Reflexion des Sonnenlichtes und erhöht deutlich die Lichtabsorption, insbesondere im langwelligen Teil des Spektrums. In diese Wafer wird bei etwa 900 °C eine hohe Phosphorkonzentration bis in eine Tiefe von etwa 0,3 μm eingetrieben; so entsteht an den Oberflächen ein so genannter pn-Übergang aus einer mit Bor dotierten p-Basis und einem mit Phosphor dotierten n-Emitter, der aus dem Si-Wafer nun eine großflächige Halbleiterdiode macht. Um diese Solarzelle weiter zu verbessern, wird auf der Vorderseite in einem PECVD- Verfahren (plasma enhanced chemical vapour deposition) eine wasserstoffhaltige, etwa 70 nm dünne Siliziumnitridschicht abgeschieden, die als Antireflexschicht dient und die Solarzelle blau erscheinen lässt. Durch positive Raumladungen und Wasserstoffgehalt im Nitrid wird der n-typ Emitter besonders gut passiviert, d. h. nur wenige der photogenerierten Ladungsträger gehen an der Frontseite der Solarzelle verloren. Bei der heutigen Standard- Metallisierung werden metallhaltige Pasten im Siebdruck- Verfahren auf Vorder- und Rückseite gebracht und in einem gemeinsamen Schritt zu stabilen Kontakten gefeuert. Auf der Vorderseite wird ein Finger- und Busbargrid aus Silber und auf der Rückseite eine ganzflächige Metallisierung aus Aluminium verwendet, die zu einem Al-dotierten Back Surface Field (BSF) führt. Zusätzlich werden auf der Rückseite lötfähige Silberpads aufgedruckt.

Zu allen Teilprozessen der Zellherstellung laufen intensive Forschungsarbeiten. Beispielsweise entwickelt das Labor- und Servicecenter Gelsenkirchen des Fraunhofer ISE mit Industriepartnern ein neues Verfahren für hohe Wirkungsgrade bei dünnen Siliziumwafern (d < 180 μm). Kernaufgabe ist eine Rückseitenpassivierung durch einseitige Ätz- und Reinigungsprozesse und mittels PECVD erzeugte dielektrische Schichten und Schichtsysteme, die bei der Metallisierung nicht geschädigt werden.

Die Universität Konstanz arbeitet daran, neue Prozesse für die Solarzellenrückseite in die Fertigungslinien zu überführen. Hierzu gehören zum Einen die Passivierung mit einem Dielektrikum und das Bor-Back Surface Field und zum Anderen die Definition von lokalen Kontaktbereichen. Die Frontseite wird nach industriellem Standard mit Hilfe von Siebdruckmetallisierung ausgeführt, um die Einführung in die Fertigungslinien zu erleichtern.

Solarzellen optimieren

Heutige Standardsolarzellen aus industrieller Fertigung erreichen Wirkungsgrade zwischen 14 und 17%. Die Forscher unterscheiden demzufolge je nach Leistungsgrad zwischen höher- (17 bis 20%) und höchsteffizienten (> 20%) Solarzellen. Laborzellen erreichen inzwischen 25% Wirkungsgrad. Das Fraunhofer ISE arbeitet an höchsteffizienten Zellen, für die unter anderem Materialien und Verfahren aus der Mikroelektronik eingesetzt werden. Inzwischen arbeiten alle deutschen Zellhersteller an Hochleistungskonzepten für Solarzellen mit 20% Wirkungsgrad und darüber. Das Fraunhofer ISE entwickelt Prozesse für die industrielle Herstellung von Solarzellen auf der Basis von PERC- und MWT-PERC-Strukturen (Metal Wrap Through – Passivated Emitter and Rear Contact). Entscheidend wird sein, eine sehr hochwertige Passivierung und sehr feine Metallisierungs- und Dotierstrukturen zu erreichen. Darüber hinaus sollen Module mit Wirkungsgradzielen von 17,5% für PERC und 18% für MWT-PERC hergestellt werden. Q-Cells entwickelt eine hocheffiziente Emitter-Wrap-Through (EWT)-Solarzelle für die Massenfertigung auf industriellem polykristallinem 6-Zoll-Siliziummaterial mit einem angestrebten Zellwirkungsgrad von 18,5%. Des Weiteren soll die Einsetzbarkeit von upgraded metallurgical grade (umg-) Si für den EWT-Hocheffizienzprozess untersucht werden. Q-Cells arbeitet an einer zweiten Generation von rückseitensammelnden monokristallinen Siliziumsolarzellen für die industrielle Großproduktion und der dafür notwendigen elektrischen Verschaltung im Modul; angestrebt wird ein Modulwirkungsgrad von 18%.

Am Beispiel einer neuen bifacialen Rückkontaktsolarzelle zeigt das Institut für Solarenergieforschung in Hameln, ISFH, das Wirkungsgradpotenzial neu entwickelter Technologien für die Herstellung von Industriesolarzellen. Eingesetzt werden lokales Ätzen und Deponieren funktionaler Schichten, Niedertemperatur-Oberflächenpassivierung, Metallisieren beider Kontakte in einem Aufdampfschritt und Durchfeuern der Metallisierung bei niedrigen Temperaturen unterhalb von 300 °C. Diese berührungslosen Techniken verringern die mechanischen Belastungen, es wird weniger Material verbraucht und das Metallisieren wird von drei Schritten auf einen vereinfacht.

Solar World konnte den Laborwirkungsgrad monokristalliner Solarzellen von über 18% weiter ausbauen. Selektive Emitterstrukturen, BSF-Herstellung, Passivierung und Metallisierung wurden fertigungsreif weiterentwickelt. So konnten Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 18,8% produziert werden. Dasselbe Zellkonzept erreicht bei n-Typ Silizium stabile hohe Wirkungsgrade bis zu 18,3%. Mit dem Ziel dünner Rückseitenkontaktsolarzellen wurde ein kostengünstiger Herstellungsprozess mit reiner Siebdruckmetallisierung entwickelt und erste 125x125mm RSK-Solarzellen mit bis zu 12% Wirkungsgrad damit produziert. Das International Solar Energy Research Center ISC Konstanz entwickelt eine 156x156 mm große beidseitig kontaktierte n-Typ Solarzelle mit selektivem Emitter und selektivem oder lokalem BSF mit einem stabilen Wirkungsgrad von über 20% für die industrielle Pilotfertigung. ISFH und Helmholtz-Zentrum Berlin HZB wollen mit vier Industriepartnern Konzepte für Heteroübergang- Solarzellen erarbeiten, mit denen Laborzellen einen Wirkungsgrad von mindestens 21% erreichen. Eine Übertragung auf industrierelevante Flächen soll die spätere wirtschaftliche Nutzung technologisch absichern.

Moduldesign, Herstellung und Recycling

Die elektrische Serienverschaltung von Solarzellen erfolgt im Standarddesign durch Auflöten von Kupferbändchen. Dadurch werden Vorder- und Rückseite von aufeinander folgenden Zellen miteinander verbunden. Diese so genannten Strings werden in einem Sandwich aus Einscheiben- Sicherheitsglas/EVA-Folie (Ethylvinylazetat)/Zellstring/EVA/Rückseitenfolie (Tedlar) wetterfest verkapselt. Anschlussdose und Rahmen vervollständigen das konventionelle Modul. Ein alternatives Modul wird am Fraunhofer ISE entwickelt. Es nutzt ein Verfahren aus der Baubranche zur automatischen Randversiegelung von Doppelglasscheiben; dieses ermöglicht deutliche Materialeinsparungen sowie ein einfaches Konzept zum Zellrecycling.

Mit einer neuen Methode können dünne Rückseitenkontaktzellen simultan von einer einzigen Seite kontaktiert werden, dadurch ergibt sich eine höhere Packungsdichte sowie eine wirtschaftlichere und schonendere, abschattungsfreie Zellverbindung.

Mit modernster Technologie lassen sich jetzt Produktionsabfälle, komplett ausgediente sowie gebrochene Module wiederaufbereiten und dabei Recyclingraten von über 95% erzielen (s. BINE-Projektinfo 2/2010 „Recycling von Photovoltaik-Modulen”). Zum Aufbau eines EU-weiten, flächendeckenden Systems zur Wiederverwertung hat die Solarindustrie als gemeinsame Initiative den Verband PV CYCLE gegründet.

Merkzettel

Downloads

Liste der BMU-Forschungsvorhaben
(pdf, 3 Seiten, 402 kB)

Mehr von BINE

Recycling von Photovoltaik-Modulen
BINE Projektinfo 02/2010

Photovoltaik
BINE basisEnergie Nr. 03

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesen Projekten:

0325006A
0325043A
0325120A
0327625
0327650E
0327662A
0327693A
0329849A
0329866A