Solarzellen: Forscher wollen Verschleiss von Silizium eindämmen

Solarzellen: Forscher wollen Verschleiss von Silizium eindämmen

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Teaserbild-Quelle: Armin Kübelbeck, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons

Wafer bilden das Herzstück von Solarzellen. Sie herzustellen ist verhältnismässig teuer: Bei der Produktion zerspanen jeweils über 50 Prozent des für ihre Herstellung nötigen reinen Siliziums zu Staub. Forscher des deutschen Fraunhofer Instituts haben nun ein Verfahren entwickelt,  mit den sich die Hälfte des Rohstoffs einsparen lässt.

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Armin Kübelbeck, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons
Polykristalliner texturierter Wafer mit 100x100 mm Kantenlänge, wie er zu Herstellung von Silizium-Solarzellen verwendet wird (nach dem Sägen und Texturieren).

Ein wichtiger Bestandteil von Solarzellen sind dünne Silizium-Scheiben: Wafer. Ihre Produktion, ist arbeits- und energieaufwändig und damit auch entsprechend kostenintensiv. Denn rund die Hälfte des Siliziums geht bei der Produktion der Wafer verloren. Der aktuelle Preis für Polysilizium liegt gemäss Fraunhofer Institut bei etwa 15 Euro pro Kilogramm. Bei jedem Kilo Polysilizium fliesst also Material für etwa acht Euro in verunreinigtes und damit unbrauchbares Silizium. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg D haben nun ein Verfahren entwickelt, das damit aufräumt: „Mit unserer Methode vermeiden wir fast alle Verluste, die bei der herkömmlichen Produktion anfallen“, sagt Wissenschafter Stefan Janz vom ISE. „Sprich: Wir senken den Materialverlust um 50 Prozent und verbrauchen 80 Prozent weniger Energie.“

Aufwändiger Sägeprozess

Bei der herkömmlichen Herstellungsweise von Wafern dient ein unreiner Brocken Silizium als Ausgangsbasis. Unter Zugabe von Chlor wird dieser verflüssigt und aufgereinigt – der so erzeugte Wirkstoff nennt sich Chlorsilan. Versetzt man das Gas nun mit Wasserstoff, setzt sich das Material wieder zu hochreinem Polysilizium um – allerdings nicht in der kristallinen Form, die man für Solarzellen braucht. Deshalb werden die entstandenen Brocken wieder zerschlagen, bei 1450 Grad Celsius geschmolzen, durch unterschiedliche Methoden zum Wachsen gebracht und in 200 bis über tausend Kilogramm schwere Siliziumblöcke überführt. Aus diesen fertigt man Säulen, die am Schluss in kleine Scheiben zersägt werden - die Wafer.

Zwar stellen die Forscher auch beim neuen Verfahren zunächst Chlorsilan her, erhitzen es auf über tausend Grad Celsius und versetzen es mit Wasserstoff. „Wir lassen das Silizium aber nicht einfach zufällig wachsen, sondern bringen es gleich in die gewünschte kristalline Form“, erklärt Janz. Dies geschieht über die Chemische Gasphasenabscheidung: Das gasförmige Silizium strömt an einem Substrat – einem Siliziumwafer – vorbei und beschichtet dabei dessen Oberfläche. Damit entsteht der Wafer Atomlage für Atomlage. Um ihn leicht vom Substrat ablösen zu können, bringen die Forscher in das Substrat zuvor eine mechanische Sollbruchstelle ein, genauer gesagt poröses Silizium. Die Substrate können mehrere Dutzend Male wiederverwendet werden. Jedoch dienen sie nicht nur als »Unterlage«: Sie spenden auch die Kristallinformation. Denn für die Solarzellen benötigt man einen Siliziumkristall, in dem die Atome ähnlich wie in einem Diamanten »in Reih und Glied« angeordnet sind. Wie sich die Atome aus dem gasförmigen Silizium anordnen sollen, bestimmt sozusagen das Substrat. „Wir erhalten auf diese Weise einen sehr guten Einkristall – also die beste Kristallart“, so Janz. Die Wafer seien qualitativ gleichwertig mit den konventionell hergestellten. Und der aufwändige Sägeprozess entfällt – und damit auch der Arbeitsschritt, in dem fast die Hälfte des hochreinen Materials verloren geht.

Schlanker und billiger

Laut den Forschern bieten sich auch noch weitere Vorteile: Mit der neuen Methode lassen sich die Wafer beliebig dünn herstellen. Beim herkömmlichen Prozess müssen die Siliziumscheiben mindestens 150 bis 200 Mikrometer dick sein, weil der Schnittverlust sonst zu hoch ist. Für Solarzellen reichen jedoch weit dünnere Wafer. Und je dünner die Wafer, desto kostengünstiger die Solarzelle. Das neuartige Verfahren spart darum doppelt Material – einmal bei der Herstellung, einmal bei der Dicke des Wafers. Das mache sich durchaus bemerkbar, teilt das Fraunhofer Institut mit. Koste der Wafer nur noch die Hälfte, sänken die Kosten für das gesamte Solarmodul um 20 Prozent.

Seit Juni 2015 hat das Spin-off NexWafe die Vermarktung der neuen Wafer-Herstellung übernommen. „Bei der Pilotierung der Technologie arbeiten wir eng mit den Kollegen des ISE zusammen“,   Stefan Reber, der das Spin-off leitet. Ende 2017, so das Ziel, soll die Fabrik stehen und die kostengünstigen Wafer in Massenproduktion gehen. (mai/mgt)