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Fraunhofer IISB bereitet Weltraumexperiment ParSiWal vor

Besseres Verständnis für Partikeleinbau bei Siliziumkristallen für die PV

22. Februar 2012, 12:23 Uhr | Carola Tesche

Start der Forschungsrakete TEXUS 48 in Esrange bei Kiruna in Nordschweden.

Mit dem Weltraumexperiment ParSiWal wollen Forscher vom Fraunhofer IISB in Erlangen klären, welche Mechanismen für die Materialeigenschaften nachteilige Siliziumkarbid-Partikel bei der Kristallisation in den Siliziumkristall einbauen.

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Das Experiment wird 2013 auf der deutschen Forschungsrakete TEXUS 51 stattfinden – genau 30 Jahre nach dem ersten Erlanger Weltraumexperiment, das der Wissenschaftsastronauten Ulf Merbold 1983 während der 1. Spacelab-Mission durchführte.

Bei der industriellen Produktion von multikristallinen Siliziumblöcken für die PV spielen Partikel in Form von Siliziumkarbid (SiC) eine große Rolle. Diese sind aufgrund ihrer gegenüber Silizium größeren Härte problematisch für die anschließende mechanische Bearbeitung. Zudem können sie in Solarzellen zu Kurzschlussströmen führen und damit den Wirkungsgrad verschlechtern. Deshalb wird versucht, den Einbau dieser Partikel in den Siliziumkristall zu vermeiden. Die SiC-Partikel entstehen normalerweise während der Kristallisation in Folge eines Eintrages von Kohlenstoff über die Gasatmosphäre in die Siliziumschmelze beim Überschreiten der Löslichkeitsgrenze. Die Partikel schwimmen in der 1400 °C heißen Schmelze, bewegen sich mit der Schmelzkonvektion durch das Schmelzvolumen und lassen sich schließlich in den Festkörper einbauen.

Verschiedene theoretische Arbeiten sagen vorher, dass der Einbau der Partikel von der Geschwindigkeit abhängt, mit der der Kristall erstarrt. Ist die Wachstumsgeschwindigkeit kleiner als ein kritischer Wert, sollten sich die Partikel theoretisch vor der fest-flüssig Phasengrenze herschieben lassen. Wird der kritische Wert überschritten, lassen sie sich von der sich bewegenden Phasengrenze einfangen und in den Kristall einbauen. Wendet man diese für metallische Legierungen anerkannten Theorien auf im Labor auf der Erde gezüchtet Siliziumkristalle an, dürften diese eigentlich nie die nur wenige Mikrometer großen SiC-Partikel enthalten. Die Wachstumsrate des Kristalls ist so klein, dass die Partikel immer vor der Phasengrenze hergeschoben werden müssten. Dies widerspricht aber voll und ganz den experimentellen Beobachtungen und der Realität in den industriellen Prozessen.