Neue Technik senkt Kosten für Solarmodule um 20 %
Beim Sägen von Siliziumscheiben geht fast die Hälfte des Materials verloren. Freiburger Forscher haben ein neues Verfahren entwickelt, das Verluste minimiert und gleichzeitig die Energiekosten drastisch senkt.
Nach dem neuen Verfahren abgelöster Wafer (r.) und wiederverwendbares Substrat (l.): Mit einer neuen Fertigungstechnik wollen Forscher Wafer aus Silizium praktisch ohne Materialverlust herstellen. Derzeit geht etwa die Hälfte des Siliziums verloren.
Foto: Fraunhofer ISE
Bei der Herstellung von Wafern, also dünnen Scheiben aus hochwertigem Silizium, ist der Materialverlust an Silizium enorm: Ein Drittel bis fast die Hälfte des Materials geht verloren. Ausgangsmaterial sind Säulen aus kristallinem Silizium, aus denen mit diamantbestückten Drähten die Wafer herausgesägt werden, ähnlich wie es der Metzger mit der Wurst macht.
Doch anders als bei diesem Prozess fällt eine Menge an „Sägemehl“ an, das als Verlust verbucht werden muss, weil es verunreinigt ist. Pro Kilogramm Silizium gehen rund acht Euro verloren. Denn das Recycling dieses Sägemehls aus Siliziums ist ausgesprochen schwierig.
NexWafe, eine Ausgründung aus dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg, wird ab 2017 Wafer ohne Materialverluste produzieren. Zudem sind sie dünner als die, die durch Sägen hergestellt werden. Die Einsparung an Silizium liegt demnach noch höher.
Drei Schritte bis zum kristallinen Silizium
Ausgangsmaterial ist beim klassischen wie beim neuen Verfahren Chlorsilan, das entsteht, wenn Chlor und Rohsilizium miteinander reagieren. Wird dieses Gas mit Wasserstoff versetzt entsteht hochreines Silizium, das allerdings noch unbrauchbar für die Herstellung von Solarzellen ist, weil das Kristallgitter nicht stimmt. Das wird in einem zweiten Prozess korrigiert, bei dem das Silizium auf 1450 °C erhitzt und kontrolliert abgekühlt wird. Die dabei entstehenden Säulen werden zu Wafern zersägt.
Die ISE-Forscher nutzen das Chorsilan direkt, um Wafer zu züchten. Dazu brauchen sie eine auf klassische Weise hergestellte Siliziumscheibe. Dass Chorsilan spaltet sich auf der Oberfläche des Basiswafers in seine Bestandteile. Das Silizium bleibt haften, das Chlor entweicht. Wenn der Wafer seine Sollstärke erreicht hat, wird das Chlor abgesaugt, um wiederverwendet zu werden. Die beiden Wafer werden voneinander getrennt. Die auftreffenden Siliziummoleküle richten sich genauso aus wie die in der Unterlage, sodass ein perfektes Kristallgitter entsteht, wie es für Hochleistungssolarzellen benötigt wird.
Energieverbrauch sinkt um 80 %
„Wir senken den Materialverlust und verbrauchen 80 % weniger Energie“, sagt Stefan Janz, der das Entwicklerteam am ISE leitet. „Wir erhalten auf diese Weise einen sehr guten Einkristall – also die beste Kristallart. Die Wafer sind qualitativ gleichwertig mit den konventionell hergestellten“, so Janz. Die ISE-Forscher schätzen, dass sich die Kosten für ein Solarmodul durch das neue Herstellungsverfahren um 20 % reduzieren.
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