Siliciumverarbeitung: Herstellung von Solarzellen

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Letzte vollständige inhaltliche Aktualisierung: April 2008

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Die ersten Schritte zur Fertigung von Solarzellen aus multikristallinen Siliciumwafern ähneln denen in der Elektroindustrie: Nach einer Überprüfung auf eventuelle Beschädigungen erfolgt eine nasschemische Reinigung von Sägeresten in mehreren Becken unter Zuhilfenahme von Säuren sowie eine Glättung der Oberfläche mittels Kaliumhydroxidlösung. Diese Oberflächenreinigung ist allerdings weit weniger gründlich als in der Elektroindustrie, da möglichst wenig Silicium verloren gehen soll. Je weniger abgetragen wird, desto größer ist die Raumladungszone. Damit kann ein größerer Teil des Lichtes absorbiert werden und somit steigt der Wirkungsgrad. Dies ist auch einer der Gründe, warum die tiefen Beschädigungen des Innenlochsägens für die Herstellung von Solarzellen weitaus problematischer sind: Es soll so wenig wie möglich Silicium abgetragen werden, wogegen die Reinigungsschritte in der Halbleiterindustrie ohnehin einen hohen Verlust verursachen.

Nach der Trocknung erfolgt im Diffusionsofen bei etwa 900 °C eine n-Dotierung mit Phosphor der Oberfläche des momentan aufgrund der Bor-Dotierung p-leitenden polykristallinen Siliciums. [FN 1][1] Risse in der Oberfläche können nun zu einem Kurzschließen der p- und n-Schicht führen, so dass der Strom nicht mehr außerhalb abgenommen werden kann.

Aus jedem Wafer wird nur eine Solarzelle gefertigt, dementsprechend ist es nötig, an den Kanten die p- von der n-Schicht sauber zu trennen. Dies erfolgt durch Stapeln der Wafer und Einführung in einen Plasmaätzer. Dort wirken zu Plasma aktivierter Tetraflourkohlenstoff und Sauerstoff auf die Kanten ein und tragen sie soweit ab, bis eine saubere Trennung von p- und n-Schicht vorliegt. Reste des dabei entstehenden Phosphorsilikats werden in einem Ätzbad anschließend entfernt.

Im nächsten Schritt wird der Wafer mit Siliciumnitrid, , beschichtet. Dies erfolgt bei etwa 400 °C in einem Vakuumprozess durch Abscheidung von Ammoniak und Siliciumtetrahydrid[FN 2] zu Siliciumnitrid an der Oberfläche. Diese Schicht verbessert den Wirkungsgrad und gibt den Solarzellen ihre charakteristische blaue Farbe.

Polycristalline-silicon-wafer 20060626 578.jpg

Per Siebdruck werden nun leitende Kontaktstreifen auf Vorder- und Rückseite aufgebracht. Diese Kontakte werden bei etwa 900 °C eingebrannt, so dass auf der Vorderseite die Kontaktstreifen durch die Siliciumnitridschicht bis zur n-leitenden Schicht eindringt. Auf der Rückseite wird abschließend eine p-dotierte Schicht aus Aluminium angebracht. Damit ist der Herstellungsprozess abgeschlossen, die Zellen können nun zu Modulen verbaut werden.

Zukünftige Entwicklungen: Dünnschichttechnik[Bearbeiten]

Eine Möglichkeit den Siliciumbedarf massiv zu senken, stellen die Dünnschichtverfahren dar. Bei diesen sind überhaupt keine Wafer mehr nötig, das Silicium wird direkt auf ein Trägermaterial aufgedampft. Da sich dabei kaum noch Kristalle bilden, wird das so hergestellte Silicium als amorphes Silicium[FN 3] bezeichnet. Die sehr hohen Materialeinsparungen werden durch einen deutlich niedrigeren Wirkungsgrad „erkauft“. Er liegt je nach Fertigungsverfahren momentan bei sieben bis zehn Prozent,[2] also nur bei der Hälfte bis zwei Dritteln des Wirkungsgrades kristalliner Zellen.

Im Gegensatz zur Produktion kristalliner Zellen, für welche mittlerweile Produktionslinien quasi vom Band verkauft werden, ist die Dünnschichttechnik noch Gegenstand intensiver Forschung. Viele verschiedene Verfahren konkurrieren miteinander, der frisch gekürte Weltmarktführer[3] in der Zellproduktion, die Q-Cells AG aus Thalheim[FN 4] forscht allein an fünf verschiedenen Verfahren. Nur wenigen Produzenten ist bisher die Fertigung im industriellen Maßstab gelungen, alle anderen haben bestenfalls die Pilotfertigung begonnen und liegen teilweise erheblich hinter ihren Zeitplänen.[2]

In der Bewertung des Marktpotentials der Dünnschichtmodule gehen die Einschätzungen der Marktteilnehmer weit auseinander. Während der weltweit zweitgrößte Modulhersteller die Dünnschichttechnik nicht für konkurrenzfähig hält,[4] versuchen andere Hersteller geradezu, sich so schnell wie möglich aus dem Geschäft mit polykristallinem Silicium zurückzuziehen.[2]

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Fußnoten[Bearbeiten]

  1. Aufgrund des Wirkungsgradverlustes aufgrund der Komplexbildung des Bors mit eingeschlossenen Sauerstoffatome (siehe Abschnitt zum Czochralski-Verfahren) wird im Falle einer Verwendung von monokristallinem Silicium auch eine Umstellung auf eine Dotierung mit Phosphor bei der Waferherstellung und eine spätere Dotierung der Oberfläche mit Bor diskutiert, also eine Vertauschung der bisherigen Dotierung. Die Verfahrenskosten wären gleich, der Wirkungsgrad ersten Untersuchungen zufolge sogar höher, allerdings zöge dies eine Umstellung des gesamten Produktionszyklus auf Seiten der Zellhersteller nach sich, wäre also mit hohen einmaligen Investitionskosten verbunden.
  2. auch: Silan
  3. amorph (griech.) = ohne Gestalt
  4. Mit einem Produktionsvolumen von Solarzellen mit einer Gesamtleistung von 389,2 Megawatt ist die Q-Cells AG nun vor der chinesischen Suntech Power Holdings Co. Ltd. mit 364 Megawatt und der Sharp Corp. mit 363 Megawatt weltweiter Spitzenreiter. Im Jahr 2006 führte Sharp noch mit 434,7 Megawatt, musste jedoch aufgrund unzureichender Versorgung mit Silicium seine Produktion stark drosseln.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Ines Rutschmann. Der Ruf nach Qualität. Photon, 3/2008:52–56, 3 2008.
  2. 2,0 2,1 2,2 Jochen Siemer. Am Anfang eines langen Weges. Photon, 3/2008:36–41, 3 2008.
  3. Jochen Siemer. Zellproduktion 2007: Sharp fällt vom Thron. Photon, 3/2008:35, 3 2008.
  4. Zhengrong Shi. Die haben keine Ahnung. Photon, 2/2008:28, 2 2008.