Qualitätskontrolle für Photovoltaik Mit Raman-Spektroskopie Materialien kontaktlos analysieren

Eine Solarzelle unter einem µ-Raman-Spektrometer.
Eine Solarzelle unter einem µ-Raman-Spektrometer.

Die Reinheit von Siliziumwafer spielt für die Solarzellenfertigung eine große Rolle. Um Verunreinigungen sofort zu erkennen, werden zuverlässige Kontrollen benötigt. Mit der Raman-Spektroskopie will das Fraunhofer CSP und die FH Südwestfalen das Material analysieren – zerstörungs- und kontaktfrei.

Mehr als 95 Prozent der weltweit hergestellten Solarzellen bestehen aus Siliziumwafern. Bei der Herstellung werden die dünnen Scheiben zunächst aus großen Silizium-Blöcken herausgeschnitten. Allerdings können sie dabei beschädigt oder verschmutzt werden – zum Beispiel durch den Sägevorgang oder durch organische Reste aus dem Sägemittel. Derartige Kontaminationen treten zwar nur sehr selten auf, aber durch die hohen Stückzahlen in der Photovoltaik-Industrie können sie dennoch einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtkosten haben. Aus diesem Grund sind aufwendige Prozesse nötig, um die Wafer chemisch zu reinigen oder fehlerhafte Wafer auszusortieren, bevor sie weiterverarbeitet werden.

»Es gibt bisher kein inline-fähiges Verfahren, das solche organischen Rückstände auf Wafer-Oberflächen analysieren kann. Wir wollen dafür die Raman-Spektroskopie nutzbar machen, die zugleich auch die Oberflächenbeschaffenheit direkt im Anschluss an den Sägevorgang überprüfen kann«, erläutert Dr. Stefan Schweizer, der das Projekt an der Fachhochschule Südwestfalen leitet. Das Verfahren wäre ein leistungsstarkes Instrument zur lückenlosen und durchgehenden Kontrolle der Herstellungsqualität in der Fertigung von Siliziumwafern. Mögliche Verunreinigungen könnten frühzeitig erkannt und unnötige Reinigungsschritte eingespart werden.

Bisher wird die Raman-Spektroskopie vor allem bei der Analyse von pharmazeutischen Produkten und in der wissenschaftlichen Forschung genutzt. Das zu untersuchende Material wird dabei mittels eines Lasers bestrahlt. Trifft das Licht aus der Laserquelle auf die Oberfläche der Probe, wird es gestreut. Aus der Verteilung der Frequenzen im entstehenden Spektrum lassen sich Aussagen über die untersuchte Substanz und die Materialeigenschaften ableiten.

Die Überprüfung ist an jedem Schritt der Prozesskette ohne vorherige Probenpräparation möglich, somit muss für die Raman-Spektroskopie das Material nicht eigens vorbereitet werden. Zudem erfolgt die Überprüfung zerstörungs- und kontaktfrei. Bei einer Kontamination können nicht nur Aussagen darüber erfolgen, ob ein Siliziumwafer verunreinigt ist, sondern auch wie stark und mit welchen Substanzen. Denn verschiedene Verunreinigungen sorgen im zurückgestreuten Licht für char

Dr. Hartmut Schwabe vom Fraunhofer CSP in Halle umschreibt den Ablauf des Projekts: »Wir wollen zunächst Detektionsgrenzen ermitteln, um zu zeigen, dass die Methode die nötige hohe Nachweisempfindlichkeit hat. Gleichzeitig werden wir in Zusammenarbeit mit den beteiligten Industriepartnern mit der Entwicklung eines Messkopfes beginnen, der in industriellen Anlagen eingesetzt werden kann«. Das Projekt läuft bis Ende Juni 2019.

Das Fraunhofer-Center für Silizium-PhotovoltaikCSP bringt seine eigene Siliziumwafer-Produktionslinie und einen großen Pool an materialanalytischen Messverfahren in das Projekt ein, in dem zudem das wissenschaftliche Know-how der Fachhochschule Südwestfalen, die Expertise der Spectroscopy & Imaging als Hersteller von Raman-Spektrometern und die Erfahrung der Geb. Schmid im Bereich der Systemintegration im Rahmen von Inline-Messverfahren und -Geräten gebündelt werden. Durch ein Demonstrator-System soll zum Projektabschluss die Funktion im Einsatz unter realen Bedingungen gezeigt werden.