Magnetfelder optimieren Solarsilizium-Produktion
Gemeinsam haben Forscher des Fraunhofer IISB Erlangen, des Fraunhofer THM Freiberg und der SolarWorld herausgefunden, wie Magnetfelder bei der industriellen Produktion von Solarsiliziumkristallen das Auftreten spezieller Materialfehler verhindern können.
Für ihre gemeinsame Forschungs- und Entwicklungsarbeit erhielten die Forscher am 15. Oktober den Georg Waeber Innovationspreis 2009 des Förderkreises für die Mikroelektronik.
Mit ihrer Arbeit ebnen die Forscher den Weg zu billigerem Solarstrom. Siliziumkristalle für Solarzellen werden durch kontrollierte Kristallisation aus der rund 1500 °C heißen Siliziumschmelze gewonnen. Ein wichtiges Wirtschaftlichkeitskriterium bei der Kristallisation der Siliziumblöcke ist die Waferausbeute pro Block. Neben anderen Faktoren ist diese abhängig vom Gehalt an Kohlenstoff- und Stickstoff-Verunreinigungen im Silizium. Während des Erstarrungsprozesses des Siliziumblocks können durch die Wechselwirkung des Siliziums mit Einbauten der Ofenanlagen und dem Tiegelmaterial Materialfehler in Form von Siliziumcarbid- und Siliziumnitrid-Ausscheidungen entstehen. Durch ihre gegenüber Silizium größere Härte kann es zu Problemen beim anschließenden Sägeprozess kommen. Diese Bereiche müssen darum aussortiert werden und mindern so die Waferausbeute pro Block.
An diesem Punkt setzte das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB an: Es forschte an seinem Hauptstandort in Erlangen sowie in seiner Außenstelle, dem Fraunhofer-Technologiezentrum für Halbleitermaterialien THM in Freiberg, im Auftrag des Industriepartners SolarWorld an einer Optimierung des Kristallisationsprozesses im Hinblick auf eine Vermeidung der Ausscheidungsbildung zur Erhöhung der Waferausbeute pro Block. Ziel war es, ein tiefgehendes Verständnis für die Mechanismen der Bildung der schädlichen Kristallfehler zu erarbeiten. Damit wurden die wissenschaftlichen Voraussetzungen geschaffen, um durch verfahrenstechnische Maßnahmen die unerwünschten Ausscheidungen bei der industriellen Fertigung von multikristallinen Siliziumkristallen zu reduzieren beziehungsweise ganz zu vermeiden.
Gemeinsam haben die Forscher von Fraunhofer und Industrie durch grundlegende experimentelle und theoretische Untersuchungen herausgefunden, dass eine »gut gerührte« Schmelze diese Ausscheidungsbildung verhindert. »Wir haben schon zu Beginn der Forschungsarbeiten vermutet, dass die Strömung in der Schmelze sehr wichtig für die Bildung der Materialfehler ist. In Zonen geringer Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des Phasenübergangs von fest nach flüssig bei der Erstarrung des Siliziums können sich Verunreinigungen aufstauen und dann zu den Ausscheidungen im festen Silizium führen.
Durch unsere Kristallisationsversuche im Labormaßstab und durch Computersimulation konnten wir diese Vermutung bestätigen«, erläutert Dr. Jochen Friedrich vom Fraunhofer IISB. »Der Hebel, an dem wir ansetzen mussten, war also, diese ›Totwasserzone‹ in der Schmelze zu vermeiden. Dafür brauchten wir eine technische Lösung, die sich ohne größeren Aufwand auf die großen Produktionsanlagen umsetzen lässt«, ergänzt Dr. Bernhard Freudenberg von der SolarWorld.
Um diese Bedingungen in der industriellen Produktion zu erreichen, entwickelten die Forscher die Idee, optimierte Magnetfelder zur Beeinflussung der Strömung in der Siliziumschmelze zu nutzen. Mit Unterstützung von Computersimulation und speziellen Messtechniken wurden die Produktionsanlagen so optimiert, dass die Totwasserzonen während der Kristallisation vermieden und die Ausbeute deutlich gesteigert werden konnte. Die damit einhergehende Kostenreduktion ist eine wichtige Voraussetzung, dass sich das Wachstum der Photovoltaik auch in den nächsten Jahren fortsetzt.
Die Arbeiten zur elektromagnetischen Beeinflussung der Schmelzbadbewegung wurden gemeinsam von der Deutschen Solar als Antragsteller und dem Fraunhofer THM als Unterauftragnehmer im Rahmen des Projekts KOWÄSTO durchgeführt. Ihre Fortführung fanden die Untersuchungen im Rahmen des HiQuaSil-Projekts durch beide Einrichtungen als Verbundpartner. Beide Vorhaben wurden zum einen vom Europäischen Regional-Entwicklungs-Fond (ERDF) und zum anderen vom Wirtschafts- und Arbeitsministerium des Landes Sachsen gefördert.
