Forscher des Fraunhofer-Instituts für integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) in Erlangen haben eine Lösung gefunden, mit der die Verunreinigungen im polykristallinen Silizium verringert werden können. Ziel ihrer Forschung war es, durch einen geringeren Grad der Verunreinigung des Solarsiliziums weiteres Potential zur Steigerung des Wirkungsgrades bei preisgünstigen multikristallinen Solarzellen zu heben.
Experimentieranlage entwickelt
Dazu haben die Erlanger Wissenschaftler eine Experimentieranlage entwickelt, mit der sie verschiedene Materialien für die Schmelztiegel und deren Beschichtung testen. Solche Tiegel kommen bei der sogenannten gerichteten Erstarrung von Silizium für die Herstellung von Solarwafern zum Einsatz. Die Anlage ist so ausgelegt, dass die Forscher in einer Gasatmosphäre kleine Brocken aus Rohsilizium auf einem Trägersubstrat schmelzen können. Dabei sind sie in der Lage, die thermischen Bedingungen, unter denen der Schmelzprozess passiert, gezielt zu kontrollieren. Die Erlanger können in ihrer Anlage auch den Flüssigkeitstropfen, der sich bei der Schmelze ausbildet, kontrolliert erstarren und diesen Prozess genau beobachten. Damit können sie wiederum die Wechselwirkung zwischen Tiegel, Beschichtung und Silizium mit Blick auf die Stabilität der Beschichtung und den Grad der Verunreinigung des Siliziums während des Herstellungsprozesses genau untersuchen.
Dünne aber hoch reine Beschichtung
Als wichtigstes Ergebnis ihrer Forschungsarbeit haben die Erlanger herausgefunden, dass durch eine Kombination aus einer sehr dünnen aber hoch reinen Beschichtung auf ebenso hoch reinem Quarzglassubstrat die Verunreinigungen im Silizium drastisch reduziert werden können. In der Regel nutzen die Hersteller derzeit Quarzguttiegel mit einer Beschichtung aus Siliziumnitrid. Diese Beschichtung wirkt als Trennschicht zwischen Siliziumschmelze und Tiegel. Sie verhindert, dass die Siliziumschmelze am Quarzguttiegel haften bleibt. Denn wenn dies passiert, kommt es zu Rissen im abgekühlten Siliziumkristall, was den Grad der Verunreinigung weiter erhöht.
Zudem würde der Tiegel dann nicht lange halten. Deshalb haben die Forscher auch untersucht, wie das flüssige Silizium auf unterschiedliche Beschichtungen wirkt. Dabei konnten sie nachweisen, dass das Tiegelmaterial vom flüssigen Silizium nicht stärker angegriffen wird, wenn sie die Dicke der Beschichtung um die Hälfte reduzieren.
In den Produktionsprozess überführen
Die Erkenntnisse sollen jetzt in die industrielle Herstellung von polykristallinem Silizium überführt werden. Dazu haben die Industriepartner im Verbundprojekt unterschiedliche Kombinationen aus Tiegel- und Beschichtungsmaterialien zur Verfügung gestellt. Diese wurden in der neu entwickelten Laboranlage am Fraunhofer IISB getestet und mit Blick auf den den Grad der Verunreinigung im Silizium durch die Verbundpartner erprobt.
Die Ergebnisse sind entscheidend für die Weiterentwicklung des Herstellungsprozesses von polykristallinem Silizium. Denn die Tiegel und die Beschichtungen sind die Hauptquelle der Verunreinigungen im Material aus dem später die Solarzellen hergestellt werden. Diese Verunreinigungen werden vor allem während der Kristallisation des flüssigen Siliziums im Tiegel eingetragen. Sie lagern sich an Fehler im Siliziumkristall an und senken die Stromausbeute und damit auch den Wirkungsgrad der Solarzellen, die aus dem Kristall geschnitten werden. (Sven Ullrich)
