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In diesem Beitrag lernst du den Herstellungsprozess einer Standard-Solarzelle kennen – Vom Sand über Ingot und Wafer bis hin zur stromproduzierenden Solarzelle. Los geht’s!
Herstellung von Polysilizium
Für jede Solarzelle ist Silizium der Ausgangpunkt. Als zweithäufigstes Element der Erde1 nach dem Sauerstoff kommt es in der Natur nicht in Reinform vor, sondern hauptsächlich als Siliziumoxid, bekannt auch als Quarzsand.
Im ersten Schritt der Herstellung wird das Silizium in einem Lichtbogenofen2 unter Zugabe von Kohle und elektrischer Energie bei etwa 1800°C reduziert. Durch diesen Prozess erhält man metallurgisches Silizium (Metallurgical Grade: MG-Si):
SiO2 + 2C -> Si + 2CO
Das MG-Si hat eine Reinheit von etwa 98%. Dieses kann in dieser Form bereits in der Stahlherstellung verwendet werden; Für den Einsatz in Solarzellen muss es jedoch weiter gereinigt werden. Das geschieht in dem Silan-Prozess3. Hierbei wird das klein gemahlene Silizium in einem Wirbelschichtreaktor4 mit Salzsäure (Chlorwasserstoff, HCI) vermischt, so dass in einer exothermen Reaktion flüssiges Trichlorsilan (SiHCI3) und Wasserstoff entstehen:
Si + 3HCI -> SiHCI3 + H2
Im nächsten Schritt wird das Trichlorsilan durch wiederholte Destillation weiter gereinigt. Anschließend wird das Silizium in dem sog. Siemens-Reaktor5 rückgewonnen, indem das gasförmige Trichlorsilan zusammen mit dem Wasserstoff an einem dünnen Siliziumstab bei 1350°C vorbeigeführt wird. Dabei scheidet sich das Silizium als hochreines Polysilizium an dem Stab ab.
Abb. 1: Herstellung von MG-Si | Verarbeitung zu hochreinem Polysilizium (Mertens 2015, S. 122)
Um als Solar-Grade-Silizium (SG-Si) bezeichnet werden zu können, muss das Polysilizium einen Reinheitsgrad von mindestens 99,999% aufweisen.
Für die Produktion von Computerchips in der Halbleitertechnik muss der Reinheitsgrad bei 99,999999% (Electronic Grade, EG-Si) liegen.
Herstellung von monokristallinem Silizium
Monokristallines Silizium wird im hauptsächlich im Czochralski-Verfahren6 hergestellt. Hierbei werden Polysiliziumbrocken in einem Tiegel bei 1450°C geschmolzen und ein an einem Metallstab angebrachter Impfkristall7 wird von oben in die Schmelze herabgelassen. Anschließend wird dieser bei langsamer Drehung nach oben gezogen, sodass sich flüssiges Silizium an ihm anlagert und kristallisiert. Es entsteht ein so genannter Ingot8, ein einkristalliner Siliziumstab.
Abb. 2: Herstellung von monokristallinen Siliziumstäben mittels Czochralski-Verfahren (Mertens 2015, S. 123)
Der Durchmesser eines Ingots lässt sich mittels Variation vom Temperatur und Ziehgeschwindigkeit beeinflussen. Für die Photovoltaik sind Durchmesser von 12,5-15cm typisch.
Möchte man eine höhere Qualität erreichen, setzt man das deutlich teurere Zonenschmelz-Verfahren (Float-Zone-Verfahren) ein, bei dem eine Induktionsspule über den Polysiliziumstab nach oben geschoben wird. Dabei wird das Silizium nur dort geschmolzen, wo die Induktionsspule sich befindet, sodass sich der Einkristall von unten nach oben bildet und Unreinheiten mit der Schmelze nach oben getrieben werden.
Abb. 3: Prinzip des Float-Zone-Verfahrens (Mertens 2015, S. 123)
Das FZ-Si ist durch den hohen Reinheitsgrad deutlich teurer in der Herstellung und findet deshalb in der Photovoltaik seltener Anwendung.
Herstellung von multikristallinem Silizium
Multikristallines Silizium ist in der Herstellung deutlich einfacher als das monokristalline. In einem Graphittiegel werden Polysiliziumbrocken durch eine Induktionsheizung zum Schmelzen gebracht. Anschließend lässt man den Tiegel von unten nach oben erkalten, indem die Heizstäbe sequentiell abstellt werden, so dass sich am Boden an verschiedenen Stellen kleine Einkristalle bilden und diese so lange wachsen, bis sie seitlich aneinanderstoßen. Bedingt durch den Abkühlungsprozess entstehen säulenartige Kristalle (kolumnares Wachstum). Nach der Kristallisation wird der Siliziumblock (Ingot) in Bricks zerteilt. Diese haben eine Kantenlänge von etwa 5-6 Zoll.
Abb. 4: Herstellung von multikristallinen Ingots (Mertens 2015, S. 124)
Unterschied zwischen poly- und multikristallinem Silizium
Polykristallines Silizium ist von schlechterer Kristallqualität als das multikristalline, da der Durchmesser der enthaltenen Einkristalle im Mikro- bis Millimeterbereich liegt. Multikristallines Material enthält Einkristalle im Millimeterbereich bis hin zu zehn Zentimetern. Von monokristallinem Silizium spricht man bei Einkristallen ab einem Durchmesser von 10cm.9
Waferherstellung
Zur Waferherstellung müssen die Bricks mittels Drahtsäge in einzelne Scheiben zersägt werden. Die Drahtsäge besteht aus mehreren Drähten mit einer Dicke von 100-140µm, welche zuerst mit hoher Geschwindigkeit durch eine Paste aus Glykol und extrem harten Siliziumcarbid-Körnern laufen und diese anschließend mit in den Sägespalt im Silizium Block bringen. Dadurch wird ein Schleifprozess initiiert, welcher einen Spalt von ca. 120µm hervorbringt und so einen Wafer vom Block trennt.
Abb. 5: Herstellung von multikristallinen Wafern (Mertens 2015, S. 126)
Bei der oben beschriebenen Methode sind die Sägeverluste fast genauso groß wie der genutzte Anteil, da die Sägespäne inkl. der Paste sich nicht in ausreichender Reinheit zurückgewinnen lassen. Hier wird noch an Methoden gearbeitet, welche die Verluste minimieren sollen.10
Herstellung von Standard-Solarzellen
Die Fertigung einer typischen Si-Solarzelle erfolgt in mehreren Schritten. Zuerst wird der Wafer in ein Ätzbad getaucht, um Kristallschäden und Verunreinigungen zu beseitigen. Das nennt sich Damage-Etching. Darauf folgt die Oberflächentexturierung mittels Kali-Lauge.
Ein sehr energieintensiver Prozess ist die Bildung des pn-Übergangs mittels Phosphordiffusion, welche für die Bildung des n+-Emitters verantwortlich ist. Hierfür werden Temperaturen um 900°C genutzt.
Darauf folgt die Abscheidung der Antireflexbeschichtung aus Siliziumnitrid, wodurch eine Passivierung der Oberfläche erreicht wird.
Anschließend werden die Kontakte im Siebdruckverfahren aufgebracht. Dafür wird eine spezielle Maske auf die Zelle aufgelegt und Metallpaste darübergestrichen. Der Rückseitenkontakt wird einerseits durch das Aufbringen von Lötkontaktflächen aus Silberpaste gebildet und andererseits durch die vollständige Bedeckung der Rückseite mit Aluminium. Für den Vorderseitenkontakt wird ebenfalls Silberpaste eingesetzt.
Im letzten Schritt, dem Kontaktfeuern der Zelle bei 800°C, erfolgt die Aushärtung der Pasten sowie ein Einbrennen der Antireflexschicht zwischen Frontkontakt und Emitter. Zusätzlich sorgt dieser Schritt für eine Diffusion der Al-Atome aus dem Rückseitenkontakt in die Basis, um die für das Back-Surface-Field notwendige p+-Schicht zu erzeugen.
Abb. 6: Prozessschritte zur Herstellung von Standard-Solarzellen (Mertens 2015, S. 127)
Da durch die Phosphordiffusion die Randbereiche der Zelle n-dotiert werden und es somit zum Kurzschluss kommt, erfolgt im allerletzten Schritt die Kantenisolation der Zelle mittels Ätz- oder Laserschneidprozesses.
Nach der Fertigung wird ein Messvorgang der I/U-Kennlinie durchgeführt, um die Güteklasse der fertigen Zelle zu ermitteln.
Abb. 7: Monokristalline Solarzelle nach der jeweiligen Herstellungsstufe (Mertens 2015, S. 128)
Die fertige Zelle kann nun z. B. in Solarmodulen produktiv eingesetzt werden.
Für den visuell auditiven Leser habe ich noch ein sehr gutes Lehrvideo dazu gefunden:
Lehrvideo: Herstellung einer Silizium-Solarzelle (youtube.com, GjWNi-TcYL8, Stand: 12.03.2018)
Quellen & Verweise
1 http://www.uniterra.de/rutherford/tab_hauf.htm
2 https://de.wikipedia.org/wiki/Lichtbogenofen
3 https://de.wikipedia.org/wiki/Silanisierung
4 https://de.wikipedia.org/wiki/Wirbelschicht
5 https://de.wikipedia.org/wiki/Siemens-Verfahren
6 https://de.wikipedia.org/wiki/Czochralski-Verfahren
7 https://de.wikipedia.org/wiki/Impfkristall
8 https://de.wikipedia.org/wiki/Ingot
9 Mertens, Konrad: Photovoltaik - Lehrbuch zu Grundlagen, Technologie und Praxis, S. 125.
10 Vgl. Mertens, Konrad: Photovoltaik - Lehrbuch zu Grundlagen, Technologie und Praxis, S. 125.
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Obvious