Herstellung von Solarzellen

Herstellung von Polysilizium als Ausgangsmaterial für monokristalline Wafer

Zunächst wird auf die Herstellung von Polysilizium eingegangen, da dieses das Ausgangsmaterial für mono- und multikristalline Wafer darstellt.

Quarzsand (SiO2) wird im Lichtbogenofen bei 1800°C zu metallurgischem Silizium (98%) reduziert.

Bei einem Lichtbogenofen entlädt sich ein Lichtbogen zwischen dem Schmelzbad und der Elektrode.

Alternativ wird auch der Schmelz-Reduktionsofen verwendet. Hier taucht die Elektrode in die Schlacke ein. Die Heizleistung entsteht vor allem durch den Stromfluss durch die als elektrischen Widerstand wirkende Schlacke.

Im nächsten Produktionsschritt wird das MG-Silizium Silanprozess zu Polysilizium (99,999%, 5N, SoG-Si) gereinigt.

5N-Silizium: Solar-Grade –Silizium (SoG-Si) | 9N: Halbleiter, Electronic Grade (EG-Si) |  (9N heißt Verunreinigungen < 10-9)

MG-Silizium wird fein gemahlen und mit Salzsäure vermischt. Daraus entsteht im Wirbelschichtreaktor in einer exothermen Reaktion Trichlorsilan (SiHCl3, Siedepunkt bei 31,8°C). Das Gasförmiges Trichlorsilan wird zusammen mit Wasserstoff an einem 1350°C heißen Siliziumstab vorbeigeführt => hochreines Polysilizium scheidet sich ab (2m, 30 cm Durchmesser).

Herstellung von monokristallinem Silizium

Hier sind das Czochralski-Verfahren und Zonenschmelz-Verfahren zu nennen.

Czochralski-Verfahren:

• Polysilizium-Brocken werden bei 1450°C geschmolzen
• Metallstab mit Impfkristall wird in die Si-Schmelze eingebracht
• Unter leichtem Drehen und Ziehen kristallisiert flüssiges Si am Stab
• Der Fertige Ingot für PV hat einen Durchmesser von 12,5-15 cm

Zonenschmelz-Verfahren (float zone):

Das Zonenschmelzverfahren wird für Solarzellen mit höchsten Wirkungsgraden (>20%) angewendet. Das Ausgangsmaterial sind die Polysiliziumstäbe, die zuvor nicht erst zerkleinert und eingeschmolzen werden müssen.

• Am hängenden Polysiliziumstab wird unten ein Impfkristall angesetzt.
• Eine Induktionsspule wird anschließend langsam von unten nach oben geschoben.
• Nur jeweils eine Zone wird geschmolzen, die Unreinheiten werden dabei nach oben getrieben.
• Dies führt zu einer höheren Qualität, der Herstellungsprozess ist jedoch kostenintensiver.

Waferherstellung aus mono- und multikristallinem Silizium

Wafer heißen die maximal 0,2 mm dicken bis zu 30 cm x 30 cm großen Siliziumscheiben, die die Basis für Solarzellen, aber auch für Halbleiterchips (für Prozessoren und Festspeicher) bilden. 

• Der Multikristalline Ingot wird mit einer Drahtsäge (Drahtdicken von 100-140μm) mit hoher Geschwindigkeit bearbeitet.
• Der Draht läuft durch eine Paste aus Glykol und Siliziumkarbid-Körnern (Slurry).
• Die Sägeverluste sind bei dieser Technik ungefähr genauso groß wie der genutzte Anteil.

Fertigungstechnisch handelt es sich genau genommen nicht um einen Sägeprozess, sondern um einen Schleif- oder Läpp Prozess. (Läppen: Fertigungsverfahren zur Glättung von Oberflächen. Das Schneidkorn ist ungebunden.) 

Weil das Sägen der Wafer sehr aufwändig und verlustreich ist, ist man immer noch auf der Suche nach alternativen Prozessen, z.B. auf Basis von Foliensilizium:

• Wafer aus Foliensilizium werden direkt aus der Schmelze gezogen => hierbei treten keine Materialverluste auf
• Durch Kapilarkräfte steigt flüssiges Silizium durch einen Spalt zu einem angedockten länglichen Impfkristall auf.
• Die Wandstärke beträgt hierbei etwa 300μm.

String-Ribbon-Verfahren: Das Foliensilizium wird wie eine Seifenhaut zwischen zwei heißen Drähten aus der Schmelze gezogen (geringster Energiebedarf aller Verfahren). 

Alle oben gezeigten Prozessschritte werden im Film der Uni Konstanz und im "Mausfilm" anschaulich und ausführlich dargestellt.

Film der Uni Konstanz: 

Herstellung einer Silizium-Solarzelle - YouTube

Film mit der Maus:

Solarmaus - Die Seite mit der Maus - WDR (wdrmaus.de)