Kristallisations- und Trennverfahren für Silizium-Wafer / 31.01.2017

Solarzellen günstiger produzieren

Wafer-Fertigung bei SolarWorld in Freiberg: Kontrolle des fertigen Wafers. ©SolarWorld

Die Hersteller von Solarzellen und Photovoltaik-Anlagen entwickeln ständig neue Lösungen, um sie die Produktionsprozesse entlang der Kette vom Silizium bis zum Modul zu verbessern. Ihr Ziel ist es, den Wirkungsgrad der Zellen und Module zu steigern und Produktionskosten zu senken.


Gemeinsam arbeiten Firmen und Forschungseinrichtungen daran, hochwertige Siliziumkristalle und Wafer möglichst materialsparend herzustellen. Sie verbessern die Materialqualität durch ein neuartiges Erstarrungsverfahren für ein quasi monokristallines Silizium. Mit einem neuen Trennverfahren produzieren sie aus der gleichen Menge Silizium mehr Wafer.

Hochwertige Wafer günstiger produzieren

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

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, werden sie intensiv gereinigt. Mit neu entwickelten Verfahren werden Reste des Kühl- und Schmiermittels sowie organische Anhaftungen und Partikel entfernt.

Herstellung von quasi-mono Silizium

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 Forscher entwickelten einen 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.

Diamantdraht zerteilt die Säule in dünne Wafer

Die Produktivität steigt, wenn dünnere Diamant-Drähte eingesetzt werden. Der Schnittverlust sinkt, aus einem Siliziumstab lassen sich mehr Wafer erzeugen. Durch eine Reduzierung des Drahtdurchmessers von 120 auf 70 µm lassen sich fast 20% mehr Wafer produzieren. ©SolarWorld

Im nächsten Schritt werden die Siliziumsäulen in viele dünne Siliziumscheiben geschnitten – die Wafer. Standardmäßig nutzt die Industrie für diesen Sägeprozess dünnen Stahldraht, kombiniert mit einer Siliziumcarbid-Suspension als abrasives Medium in der Kühlflüssigkeit. Dabei zerteilen viele Drahtschlaufen den Kristallblock innerhalb eines Sägeschritts. Während bisher dafür ein glatter Draht genutzt wird, setzen die Entwickler nun einen optimierten, mit Diamantkörnern bestückten Sägedraht mit einer neu entwickelten Schmier- und Kühlflüssigkeit ein. Der Diamantdraht besteht aus einem stählernen Kerndraht, auf den die Diamantpartikel durch Metall- oder Kunstharzabscheidungen befestigt werden. Der Kerndraht ist mit einem Durchmesser von 100 – 120 µm etwa so dick wie ein menschliches Haar, die verwendeten Diamantkörner sind 5 – 25 μm klein. Mit Diamantdraht lässt sich der Drahtsägeprozess beschleunigen. Die benötigte Schnittzeit beträgt nun unter 3 Stunden, im Vergleich zu vorher über 6 Stunden. Für das neue Trennverfahren entwickelten die Forscher in Kooperation mit dem Hersteller spezielle Schmier- und Kühlmittel aus einem Wasser-Tensid-Gemisch.

Herstellung von mono- und polykristallinem Solar-Silizium

Die Mikroskop-Aufnahme zeigt, wie spezielle Ätzprozesse störende organische Kontaminationen der Waferoberfläche sichtbar machen. Links ein unzureichend gereinigter, rechts ein ausreichend gereinigter Wafer. ©SolarWorld

Die Herstellung von monokristallinem Silizium ist aufwendig. Sie geschieht meist im sogenannten Czochralski-Verfahren. Dabei wird ein Impfkristall in die flüssige Siliziumschmelze gegeben. Beim langsamen Drehen und Herausziehen dieses Impfkristalls bildet sich ein Einkristall mit homogener Struktur. Monokristallines Silizium erreicht einen Wirkungsgrad von gut 25%, in der industriellen Produktion circa 21%.

 

Poly- bzw. multikristallines Silizium wird in der Regel in einem kontrollierten Schmelz- und Kühlprozess durch Blockguss in einem beschichteten Tiegel aus hochreinem Quarzgut hergestellt. Dabei wachsen vom Boden des Tiegels aus Kristalle nach oben. Größe, Struktur und Reinheit der Kristalle beeinflusst die Leistungsfähigkeit der späteren Solarzellen. Es lässt sich kostengünstiger produzieren, doch die Industrie- und Labor-Wirkungsgrade bleiben um etwa 2% unter denen von einkristallinem Silizium.

 

Das neue Quasimono-Verfahren nimmt quasi eine Mittelstellung zwischen Blockguss und Czochralski ein. Es funktioniert ohne Tiegel, so können bei der Kristallisation aus diesem auch keine Verunreinigungen eindiffundieren. Im Ofen tropft geschmolzenes Silizium auf eine rotierende monokristalline Platte und wächst zu einer Quasi-Monokristallsäule auf. Damit lässt sich ein Zell-Wirkungsgrad von über 21% erreichen.

Mehr zum Projekt

Verbundvorhaben

Entwicklung hoch- und kosteneffizienter PV-Si-Wafer - ENOWA II

Förderkennzeichen:

0325805A-K

Laufzeit:

2015 - 2016

Projektbeteiligte

Projektleitung, Quasimono-Technologie und Waferherstellung
SolarWorld Innovations GmbH

Hilfs- und Betriebsstoffen
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Quasimono-Technologie
Leibniz-Institut für Kristallzüchtung IKZ

Herstellung von Quasimono-Si
Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB

Sägeprozess
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Kühlschmierstoffe
Petrofer Chemie

Modellexperimente Kristallisation
Technische Universität Bergakademie Freiberg

Trenn- und Reinigungsprozesse
Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP

Simulation von Spannungsverteilung
ACCESS

Ultraschallmesstechnik
Technische Universität Dresden

Service

Solarzellen günstiger produzieren
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 hocheffizient Vielspalten-Sägeprozess. FKZ 0325646A. SolarWorld Innovations GmbH, Freiberg (Hrsg.). [2015]

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

Infotipps

Solarzellen mit Laser bearbeiten.
BINE-Projektinfo 08/2015

Monokristalline Halbleiter energiesparend produzieren.
BINE-Projektinfo 01/2015

Energie von tausend Sonnen.
BINE-Projektinfo 02/2014

Forschungsförderung

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