Günstige Wafer für Solarzellen

Ein wichtiger Bestandteil von Solarzellen sind dünne Silizium-Scheiben: Wafer. Sie herzu­stellen, ist arbeits- und energie­aufwändig und somit kosten­intensiv. Rund die Hälfte des Siliziums geht bei der Produktion der Wafer verloren. Der derzeitige Preis für Poly­silizium liegt bei etwa 15 Euro pro Kilo­gramm. Bei jedem Kilo Poly­silizium fließt also Material für etwa acht Euro in verun­reinigtes und damit unbrauch­bares Silizium. Nicht so dagegen bei einem neuen Verfahren, das Forscher am Fraunhofer-Institut für Solare Energie­systeme ISE entwickelt haben. „Mit unserer Methode vermeiden wir fast alle Verluste, die bei der herkömm­lichen Produktion anfallen“, Stefan Janz vom ISE. „Wir senken den Material­verlust um fünfzig Prozent und verbrauchen achtzig Prozent weniger Energie.“

Ausgangspunkt für die Herstellung von Wafern ist ein unreiner Brocken Silizium. Dieser wird unter Zugabe von Chlor verflüssigt und aufge­reinigt – Chlorsilan nennt sich der erzeugte Werkstoff. Versetzt man das entstandene Gas mit Wasserstoff, setzt sich das Material wieder zu hoch­reinem Poly­silizium um – allerdings nicht in der kristallinen Form, die man für Solar­zellen braucht. Daher werden die entstan­denen Brocken wieder zerschlagen, bei 1450 Grad Celsius geschmolzen, durch unter­schiedliche Methoden zum Wachsen gebracht und in zweihundert bis über tausend Kilogramm schwere Silizium­blöcke überführt. Aus diesen fertigt man Säulen, die letzt­endlich in kleine Scheiben zersägt werden, die Wafer.

Auch beim neuen Verfahren stellen die Forscher zunächst Chlorsilan her, erhitzen es auf über tausend Grad Celsius und versetzen es mit Wasserstoff. „Wir lassen das Silizium jedoch nicht einfach zufällig wachsen, sondern bringen es gleich in die gewünschte kristalline Form“, erläutert Janz. Und zwar über die chemische Gasphasen­abscheidung: Das gasförmige Silizium strömt an einem Substrat – einem Silizium­wafer – vorbei und beschichtet dabei dessen Oberfläche. Atomlage für Atomlage wächst somit der Wafer heran. Damit die Forscher ihn wieder gut vom Substrat ablösen können, bringen sie in dieses zuvor eine mechanische Sollbruch­stelle aus porösem Silizium. Die Substrate können mehrere Dutzend Male wieder­verwendet werden. Doch sie dienen nicht nur als Unterlage, sondern liefern auch die Kristall­information. Denn für die Solar­zellen benötigt man einen Silizium­kristall, in dem die Atome ähnlich wie in einem Diamanten angeordnet sind. Wie die Atome aus dem gasförmigen Silizium sich anordnen sollen, verrät ihnen das Substrat. „Wir erhalten auf diese Weise einen sehr guten Ein­kristall – also die beste Kristall­art. Die Wafer sind qualitativ gleich­wertig mit den konven­tionell herge­stellten“, erklärt Janz.

Der aufwändige Sägeprozess entfällt – und damit auch der Arbeits­schritt, in dem fast die Hälfte des hoch­reinen Materials verloren geht. 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, ansonsten wäre der Schnitt­verlust zu hoch. Für Solar­zellen reichen jedoch weit dünnere Wafer. Dabei gilt: Je dünner die Wafer, desto kosten­günstiger die Solar­zelle. Das neuartige Verfahren spart daher doppelt Material – einmal bei der Herstellung des Wafers, einmal bei seiner Dicke. Und das macht sich bemerkbar: Kostet der Wafer nur noch die Hälfte, sinken die Kosten für das gesamte Solar­modul um zwanzig Prozent.

FhG / RK