Reineres Silizium ist in der Photovoltaik ein Schlüssel für mehr Effizienz. Vor diesem Hintergrund ist das Fraunhofer IISB in Erlangen in dem Verbundprojekt „Synergie“ der Frage nachgegangen, wie metallische Verunreinigungen in Siliziumkristalle gelangen. Solche Kristalle entstehen bei der Schmelze von Rohsilizium in einem Quarzguttiegel, wo sie anschließend abkühlen. Bei der folgenden Erstarrung der Schmelze bildet sich ein Siliziumkristall mit definierten elektrischen Eigenschaften.

Bei der Untersuchung zeigte sich, dass das System aus Quarzguttiegel und Beschichtung die größte Quelle für unerwünschte metallische Verunreinigungen bei der Produktion der Siliziumkristalle sei. Die Tiegel seien auf der Innenseite mit Siliziumnitrid beschichtet. Diese Beschichtung, basierend auf hochreinem Siliziumnitridpulver diene unter anderem als Trennschicht. Sie verhindere zugleich ein Anhaften des Siliziums am Tiegel, was beim Erstarren zu Rissen im Siliziumkristall führen würde.

Metallatome wandern ein

Während der Kristallisation wanderten aber kontinuierlich Metallatome in das flüssige und feste Silizium. Im Siliziumkristall lagerten sie sich dann an und verschlechterten die Qualität. So sinke beispielsweise bei den später daraus hergestellten Solarzellen die Stromausbeute und damit der Wirkungsgrad. Die Randbereiche der Siliziumkristalle könnten sogar derart stark kontaminiert sein, dass diese als Ausschuß abzuschneiden seien.

Um nun genauer zu spezifizieren, welche Metalle ausgehend von welcher Quelle in welcher Konzentration in den Siliziumkristall vorliegen, entwickelten die Wissenschaftler eine spezielle Versuchsanordnung. Die Untersuchungen ergaben, dass Eisen, Chrom und Cobalt im Siliziumkristall in hoher Konzentration vorliegen und somit hauptverantwortlich für den Performance-Verlust von zum Beispiel Solarzellen seien.

Batterieschichten könne Eintrag blockieren

Außerdem zeigten die Untersuchungen ,dass eine erhöhte Reinheit aller Hilfsstoffe die Metallkontamination in den Silizium-Kristallen signifikant reduzierte. Dadurch steigen Kristallqualität und Ausbeute enorm. Allerdings stünden vor allem die Quarzguttiegel nicht in beliebiger Qualität zur Verfügung. Ein für die industrielle Produktion praktikabler Weg wären Barriereschichten zwischen Tiegel und Siliziumnitrid-Beschichtung, welche den Austrag von Metallen aus dem Tiegel blockierten.

Die Arbeiten aus dem Projekt böten für industrielle Hersteller von Halbleiter­materialien eine Hilfestellung. Damit lasse sich beurteilen, welche Materialqualität aus dem Einsatz bestimmter Hilfsstoffqualitäten resultiere. Desweitere gehe sie Aufschluss, worauf sie den Fokus legen müssten, um möglichst effektiv und kostengünstig Verbesserungen zu erzielen. Die neu gewonnenen Erkenntnisse seien dabei auch generell auf Herstellungsprozesse für Halbleitermaterialien, bei denen Schmelztiegel zum Einsatz kommen, anwendbar.

Das Verbundprojekt Synergie steht für „Synergetische Weiterentwicklung von Zulieferprodukten zur Reduktion der Herstellungskosten und Steigerung der Materialqualität von kristallinen Siliziumblöcken in der Photovoltaik“. Es erhielt eine Förderung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi). Projektpartner des Fraunhofer IISB waren die Unternehmen AlzChem Group AG und Wacker Chemie AG.

18.8.2020 | Quelle: Fraunhofer IISB | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH