Forscher vom Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik (CSP) in Halle haben das sogenannte Float-Zonen-Verfahren zur günstigen Herstellung besonders reiner Siliziumkristalle bis zur Serienreife verfeinert. Das Verfahren ist zwar nicht neu. Immerhin ist es schon seit etwa 50 Jahren bekannt. Aber die Wissenschaftler in Halle haben mit ihrer Forschung die Technologie so weit vorangetrieben, dass sie jetzt auch für die Photovoltaik interessant werden könnte.
Kein Kontakt zum Schmelztiegel
Bei der Züchtung im Float-Zonen-Verfahren wird der Siliziumkristall nicht nicht wie beim bisher angewandten Czochralski-Verfahren an einem Kristallisationskeim aus der Siliziumschmelze gezogen. Statt dessen wird ein Ende eins polykristallinen Siliziumkristallstabs, einem sogenannten Vorratsstab, in einer Schutzatmosphäre durch eine Induktionsheizung aufgeschmolzen. Der Stab dreht sich dabei, damit er gleichmäßig aufschmilzt. Die aufgeschmolzene Zone wird dann mit einem monokristallinen Impfkristall in Berührung gebracht und sie wächst an diesen an. Dabei nimmt er dessen Kristallstruktur an. Jetzt wird die Schmelzzone langsam durch den gesamten Stab bewegt. In der Zwischenzeit erstarrt die erkaltende Stelle des Kristallstabes langsam mit einer einheitlichen Kristallstruktur. Am Ende der Verfahrens entsteht hinter der Schmelzzone der gewünschte Einkristall. Fremdatome verbleiben weitestgehend in der Schmelzzone und lagern sich schließlich am Ende der Säule an, die nach dem Erkalten entfernt wird. Wenn der Kristallstab dieses Verfahren mehrmals durchläuft, kann die Reinheit weiter gesteigert werden. Außerdem ist es möglich, Dotierungen in relativ konstanter Konzentration in den Kristall einzubauen. Der Vorteil ist, dass die Schmelzzone ist nur wenige Zentimeter hoch ist. Damit spart das Verfahren erhebliche Energiemengen, da nicht der gesamte Schmelztiegel auf 1.500 Grad Celsius erhitzt werden muss. Außerdem kommt der Kristall nie mit dem Schmelstiegel, der in der Regel aus Quarz besteht, selbst in Berührung, da die Schmelzzone sozusagen schwebt. Damit umgeht man die Hauptursache für die Sauerstoffverunreinigung im Kristall.
Vorratsstab selbst gezüchtet
Das Verfahren ist aber auch nicht ganz ohne Probleme. Denn der Vorratsstab aus Silizium muss hinsichtlich Geometrie, Rissfreiheit und Oberflächenqualität enge Vorgaben einhalten. Deshalb war bisher die Herstellung dementsprechend zeitaufwändig und teuer. „Jeder Bearbeitungsschritt, beispielsweise das Schleifen, ist nicht nur zeitraubend, sondern kann auch wieder Verunreinigungen und Risse mit sich bringen“, erklärt Peter Dold, der das Projekt am Fraunhofer CSP leitet. Unter seiner Leitung haben die Wissenschaftler des Fraunhofer CSP jetzt eine Methode entwickelt, mit der sie den Vorratsstab direkt in einer Kristallisationsanlage heranzüchten können, ohne ihm in mehreren mechanischen Schritten zu Leibe rücken zu müssen. Mit dieser Technologie schaffen sie es, die Sauerstoffeinschlüsse im Kristall auf weniger als ein Hundertstel der bisherigen im Float-Zone-Verfahren hergestellten Kristalle zu verringern. Damit sind die in Halle hergestellten Kristalle nicht nur für die Leistungselektronik interessant, wo immer höhere Ströme auf immer kleineren Flächen gehandhabt werden. Die Branche sucht schon händeringend nach durchschlagsfesten und damit verlustärmeren Materialien. Sondern auch für die Solarzellen können die neuen Kristalle einen Durchbruch bei der Langlebigkeit bedeuten. Denn die Sauerstoffeinschlüsse im Kristall sind unter anderem verantwortlich für die Abnahme der Leistung der Zellen nach längerem Betrieb. (Sven Ullrich)
