Züchtung von Kristallen für die Photovoltaik-Industrie
Einem weltweit jährlich steigenden Energieverbrauch steht eine zunehmende Verknappung kostengünstiger konventioneller Energieträger gegenüber. Als Konsequenz steigen die Preise auf den internationalen Rohstoffbörsen, aber auch das Interesse an der Anwendung erneuerbarer Energieträger.
Ein Bereich der erneuerbaren Energien der nicht nur in den letzten Jahren stetig an Bedeutung gewonnen hat, ist die Photovoltaik.
Mehr als 90% der derzeitigen Solarzellen werden auf mono- und multikritallinen Silizium-Wafern produziert. Der Grundstoff einer jeden Solarzelle ist daher der nahezu unerschöpfliche verfügbare Quarzkiesel. Bevor jedoch die Wafer in einem anspruchsvollen Produktionsprozess zu den benötigten Solarmodulen verarbeitet werden können, erfolgt die Herstellung dieser Siliziumscheiben durch kontrolliertes Erstarren einer Siliziumschmelze. Für den Vorgang der Kristallzüchtung stehen die unterschiedlichsten Verfahren zur Verfügung:
Monokristalline Siliziumkristalle
- Czochralski-Verfahren
- Floating Zone-Verfahren
Multikristalline Siliziumkristalle
- Bänderverfahren (EFG, String Ribbon)
- Volumenverfahren (Bridgman-Verfahren, VGF, VB, HEM, Blockguss)
Um nur einige zu nennen.
Am Institut für Elektroprozesstechnik werden zurzeit zwei Verfahren in numerischen Simulationen untersucht.
Beim Blockguss Volumenverfahren wird flüssiges Silizium in einen Tiegel gegeben, der eine gerichtete Erstarrung, meist von unten nach oben, ermöglicht. Nichstationäre Magnetfelder sorgen dafür, dass das noch flüssige Silizium ständig in Bewegung bleibt, so als würde man einen Kochtopf rühren. Unter diesen Bedingungen wandern die Verunreinigungen in der Schmelze an die Tiegelränder, so dass der innere Kristallbereich frei von Verunreinigungen bleibt.
Beim Edge-defined Film-fed Growth werden aus einer nachchargierten Siliziumschmelze 6 bis 7m lange etwa 300um dicke hohle polygone Zylinder gezogen. In einem anschließenden Laserschnittprozess werden mechanisch hochfeste Wafer, mit einem Minimum an Prozessausschuss, geschnitten. Auf diese Weise können kostengünstig multikristalline Solarmodule mit einem Wirkungsgrad von derzeit 14,0% gefertigt werden.
