Artikel vom 16. September 1998

Die Herstellung von Silizium-Solarmodulen

Von Britta Marold

Vom Sand zum Silizium

Das Ausgangsmaterial für Silizium-Solarmodule ist Quarzsand, mit der chemischen Formel SiO2. Durch Reduktion mit Kohlenstoff wird das Silizium gereinigt:

SiO2 + C = Si + CO2

Es hat jetzt einen Reinheitsgrad von ca. 98%. Um hochreines Silizium zu erhalten, müssen noch geringfügige Beimischungen von anderen Elementen entfernt werden. Dafür wird das Silizium in gasförmiges Siliziumtetrachlorid überführt; verunreinigende Elemente lassen sich jetzt abtrennen. Anschließend wird das Siliziumtetrachlorid mit Wasserstoff wieder reduziert, sodaß man am Ende hochreines Silizium hat, das granulatartig vorliegt (mit einem Reinheitsgrad von nahezu 100%) und als Abfallprodukt Salze, die die Verunreinigungen enthalten:

Si + 2Cl2 = SiCl4

SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl

Dieses Verfahren wird bisher von der Photovoltaikindustrie noch nicht selbst angewendet. Das hochreine Silizium, das für die Herstellung von Wafern Verwendung findet, wird als Abfall von der Elektronikindustrie aufgekauft. Durch den Boom auf dem Computersektor ist das hochreine Silizium in den letzten Jahren auf dem Weltmarkt recht knapp geworden. Da der Markt für Photovoltaikanlagen in Zukunft wächst, wird es für die Solarindustrie zunehmend wichtig werden, eigene Prozeßlinien für die Reduktions- und Reinigungsverfahren einzurichten und zu betreiben. Wir sehen hier noch weitere Möglichkeiten der Arbeitsplatzbeschaffung und auch der Unabhängigkeit für die Solarindustrie. Natürlich lohnt sich die „eigene" Herstellung von hochreinem Silizium für die Photovoltaikindustrie erst, wenn die Modulherstellung in größerem Umfang erfolgt.

Wenn man nun das hochreine Silizium hat (woher auch immer), gibt es verschiedene Verfahren zur Herstellung von Silizium-Wafern.

Als Wafer bezeichnet man die reine Siliziumscheibe vor der Weiterverarbeitung zur Solarzelle.

Die Wafer unterteilen sich in Produkte aus a) monokristallinem, b) polykristallinem und c) amorphem Silizium. Die Herstellungsverfahren für diese Typen sind unterschiedlich weit entwickelt. Außerdem haben die fertigen Solarzellen unterschiedlich hohe Wirkungsgrade. Ich werde nun verschiedene Fertigungswege kurz beschreiben:

Eine Möglichkeit zur Herstellung von monokristallinen Wafern besteht in dem sogenannten Czochralski-Prozeß. Hierzu wird das Silizium in einem hitzebeständigen „Topf" eingeschmolzen. Nun wird von oben ein kalter, einkristalliner Siliziumstab in das flüssige Silizium geführt und langsam wieder herausgezogen. An diesem Impfkristall erstarrt die Schmelze mit der gleichen Kristallausrichtung über eine Länge von bis zu mehreren Metern.. Wird während des Prozesses der Kristall kontinuierlich in die Höhe gezogen, „wächst" ein Silizium-Einkristall mit einem Durchmesser von bis zu 300 Millimetern aus der Schmelze nach.

Der Zylinder wird nun in Scheiben von 250-350 µm „Dicke" zersägt. Hierbei gehen bis zu 50 % des Materials als Sägeschnitt verloren. Das ist ein Grund für die z.Zt. noch hohen Kosten. Durch Einsatz anderer Herstellungsverfahren kann man diese Sägekosten drastisch verringern. Beispiel hierfür ist das sogenannte EFG-Verfahren, bei dem achteckige Rohre aus der Siliziumschmelze gezogen werden.

Der Wirkungsgrad monokristalliner Zellen liegt bei etwa 17%.

Ein Herstellungsverfahren für diese Zellen ist das Blockkristallisa-tionsverfahren.Wieder wird das Silizium-Granulat in großen Töpfen geschmolzen. Nun gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder läßt man das Silizium in diesem Topf zu Poly-Kristallen erstarren, oder es wird in eine Form gegossen, in der es unter anderen Prozeßbedingungen ebenfalls wieder erstarrt.

Auch aus diesen Blöcken werden jetzt die dünnen Wafer geschnitten. Im Unterschied zum monokristallinen Verfahren, sind diese Verfahren kostengünstiger und schneller. Dafür haben die polykristallinen Zellen aber auch einen etwas geringeren Wirkungsgrad (etwa 15%).

Die Solarzellen aus amorphem Silizium sind sogenannte Dünnschicht-Zellen. Hierbei wird das Silizium auf eine Trägerschicht aufgedampft. Diese Technik macht bisher einen kaum meßbaren Anteil am Weltmarkt aus. Sie bietet natürlich viele Möglichkeiten, da der Materialverbrauch sehr gering ist (die Siliziumschicht hat nur eine Dicke von unter einem µm!), was eine Kostenreduzierung bedeutet. Der Nachteil amorpher Zellen besteht einerseits in einem wesentlich geringeren Wirkungsgrad (7-8%) haben und andererseits in einer Degradation des Wirkungsgrades mit der Zeit (Staebler-Wronski-Effekt). Weiterhin gelingt es bis heute nicht, großflächige Schichten zu erzeugen.

Als Solarzelle bezeichnet man den phosphordotierten, mit Metallkontakten versehenen Wafer. Auch die Antireflexionsschicht ist schon aufgebracht.

Wie wird nun aus einem Wafer eine Solarzelle? Wie funktioniert die Stromerzeugung? Die Siliziumscheibe wurde mit Bor-Atomen gezielt verunreinigt (dotiert). Nun wird auf der Oberseite eine Dotierung mit Phosphor-Atomen vorgenommen. (Dadurch entstehen zwei Schichten, die p-Halbleiter- und die n-Halbleiterschicht.)

Silizium ist vierwertig, Phosphor fünf- und Bor dreiwertig. Wird nun ein Phosphoratom in ein bor-dotiertes Siliziumkristall eingebunden, so bleibt ein Elektron „übrig", das sich frei in der Siliziumscheibe bewegt, es sei denn, es trifft auf sein Gegenstück, ein Atom mit einem Elektron zu wenig. Das dreiwertige Bor ist genau dieses Gegenstück, da ihm im Vergleich zum Silizium ein Elektron fehlt. Es verfügt also über die Lochstelle, um das sich frei bewegende Elektron wieder „einzufangen".

Im Inneren der Siliziumscheibe, in der Grenzschicht zwischen den unterschiedlich verunreinigten Siliziumfeldern, entsteht dadurch ein elektrisches Feld, die sogenannte Raumladungszone (auch pn-Übergang genannt). Trifft nun Licht auf die Solarzelle, so geraten die Phosphor- und Bor-Atome in einen angeregten Zustand. Zur Freisetzung von Elektronen aus dem Verbund wird nur eine bestimmte Menge Energie benötigt. Haben die Photonen, die Energieträger des Lichtes, mehr als diese Energie, so wird der Rest in Wärme umgewandelt. Freie Elektronen bewegen sich nun durch das Siliziumkristallgefüge. Geraten sie dabei in den Bereich der Raumladungszone, so werden sie als negativ geladenen Teilchen von der darunterliegenden, nun positiv geladenen Zone, angezogen. Dieser Prozeß hält an, solange Licht auf die Zelle auftrifft. (Die Elektronenmenge, die sich in der Zelle bewegt, ist mit der Stromstärke gleichzusetzen. Je höher Einstrahlungsintensität und Zellenfläche, desto stärker fließt der Strom. Verluste entstehen dadurch, daß ein Elektron auf ein Loch trifft und mit diesem „rekombiniert".)

Besteht eine elektrische Verbindung zur Unterseite der Zelle über einen äußeren Stromkreis, so können die Elektronen über die aufgebrachten Metallkontakte abfließen. Die Spannung, die dabei entsteht, beträgt bei einer Siliziumzelle etwa 0,6 Volt. Die Elektronen können nur über die an Ober- und Unterseite angebrachten, elektrisch verbundenen Metallkontakte zur positiv geladenen Unterseite gelangen, um dort die freien Lochstellen zu besetzen.

Da aber jedes Elektron immer den stabilen Zustand anstrebt, wandern die Elektronen wieder an ihren Ausgangspunkt zurück. Die Elektronenmenge, die sich in der Zelle bewegt, ist mit der Stromstärke gleichzusetzen. Je höher Einstrahlungintensität und Zellenfläche, desto stärker fließt der Strom. An der Verbindung zwischen den Zellschichten kann der Strom nun durch einen Verbraucher (z.B. eine Lampe) geleitet werden.

Um das Abstrahlen des Lichtes zu verhindern, was eine geringere Ausbeute der Zelle zur Folge hätte, wird schließlich auf die Oberseite der Zelle eine Antireflexionsschicht aufgebracht.

Wie aus Solarzellen nun Module hergestellt werden, wird im nächsten Solarbrief beschrieben.