Solarzellenforschung Ertappt! – So schleicht sich Metallschmutz in Siliziumblöcke!

Redakteur: Peter Königsreuther

Metallische Verunreinigungen beeinträchtigen die Effizienz von Solarzellen. Wissenschaftler am Fraunhofer-IIBS in Erlangen wollten wissen, wie die Kontamination überhaupt abläuft...

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Im BMWi-Verbundprojekt Synergie untersuchten Forscher des IIBS, wie metallische Verunreinigungen bei der Herstellung von Siliziumkristallen ins Material kommen...
Im BMWi-Verbundprojekt Synergie untersuchten Forscher des IIBS, wie metallische Verunreinigungen bei der Herstellung von Siliziumkristallen ins Material kommen...
(Bild: K. Fuchs / Fraunhofer-IIBS)

Im BMWi-Verbundprojekt Synergie untersuchten, wie metallische Verunreinigungen in den Siliziumkristall bei dessen Herstellung ins Material kommen. Ein speziell entwickelter Versuchsaufbau ermöglichte Experimente mit verschiedenen Metalltypen durchzuführen. Im Zusammenspiel mit einem neu implementierten numerischen Simulationsmodell ließen sich die Hauptverunreinigungen und deren Quellen dann identifizieren, heißt es. Auch ergaben sich tatsächlich neue Erkenntnisse über die Mechanismen, wie die verschiedenen Metallatome während des Herstellungsprozesses in den Kristall eindringen.

Die Ergebnisse aus dem Projekt Synergie erlauben nun direkte Vorhersagen darüber, inwieweit sich die Reinheit der in der Produktion eingesetzten Hilfsstoffe (Schmelztiegel, Tiegelbeschichtung und Siliziumrohstoff) auf die elektrische Qualität der Siliziumwafer auswirkt, denn Siliziumkristalle sind ein wichtiges Grundmaterial für die massenhafte Produktion preisgünstiger Solarzellen.

Quarzguttiegel und Trennschicht heißen die Schadstoffquellen

Für die Herstellung der Kristalle wird Rohsilizium in einem Quarzguttiegel geschmolzen und danach kontrolliert abgekühlt. Wenn die Schmelze erstarrt, bildet sich ein Siliziumkristall mit definierten elektrischen Eigenschaften. Der Quarzguttiegel ist auf der Innenseite mit Siliziumnitrid beschichtet. Die Beschichtung basiert auf hochreinem Siliziumnitridpulver (Silzot SQ) und dient unter anderem als Trennschicht, die verhindert, dass Silizium am Quarzguttiegel anhaften, was beim Erstarren zu Rissen im Siliziumkristall führen würde, wie die Forscher erklären.

Bei der Produktion der Siliziumkristalle ist das System aus Quarzguttiegel und Beschichtung nun die größte Quelle für metallische Verunreinigungen. Denn während der Kristallisation werden kontinuierlich Metallatome in das flüssige und feste Silizium eingetragen. Im Siliziumkristall lagern sie sich an Fehlern in Werkstoff an und verschlechtern die Qualität des Kristalls. So sinkt beispielsweise bei den später daraus hergestellten Solarzellen die Stromausbeute und damit der Wirkungsgrad, heißt es weiter. Die Randbereiche der Siliziumkristalle könnten sogar derart stark kontaminiert sein, dass diese abgeschnitten werden müssten weil sie unbrauchbar seien.

Als Täter wurden Chrom, Eisen und Cobalt überführt

Um heraus zu bekommen, welche Metalle ausgehend von welcher Quelle in welcher Konzentration im Siliziumkristall vorliegen, entwickelten die Wissenschaftler am Fraunhofer-IISB die spezielle Versuchsanordnung. Damit werden Siliziumwürfel auf eine Unterlage aus verschiedenen Tiegel- und Beschichtungsmaterialien gestellt und gezielt für eine bestimmte Zeit erhitzt. Die Temperatur liegt dabei knapp unter dem Siliziumschmelzpunkt von 1412 °C. Eine anschließende chemische Analyse offenbart, welche Metalle bei der Prozedur in den Siliziumkristall eingedrungen sind.

Blick in einen sogenannten G1-Tiegel während der Applikation einer Sprühbeschichtung am Fraunhofer-IISB.
Blick in einen sogenannten G1-Tiegel während der Applikation einer Sprühbeschichtung am Fraunhofer-IISB.
(Bild: K. Fuchs / Fraunhofer-IIBS)

Die Untersuchungen ergaben, dass bei weitem nicht alle Metalle, die in den Unterlagen in hohen Konzentrationen vorkommen, auch später im Siliziumkristall nachweisbar sind. Mit Eisen, Chrom und Cobalt konnten diejenigen Metalle identifiziert werden, die im Siliziumkristall in ausreichend hoher Konzentration vorliegen und somit hauptverantwortlich für den Performance-Verlust von zum Beispiel Solarzellen sind.

Simulations-Tool berechnet die Verteilung der Übeltäter

Parallel zu den experimentellen Untersuchungen wurde am IISB ein numerisches Simulationsmodell für die Berechnung der Verteilung der Fremdmetalle im Siliziumkristall entwickelt. Das Modell berücksichtigt den Kontaminationsgrad von Tiegel, Siliziumnitrid-Beschichtung und Siliziumrohstoff sowie die relevanten Parameter für die Prozessführung. Die Resultate zeigen deutlich, dass eine erhöhte Reinheit aller Hilfsstoffe die Metallkontamination in den Silizium-Kristallen signifikant reduziert, was Kristallqualität und Ausbeute enorm steigern würde. Allerdings stehen 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 blockieren.

Die Arbeiten aus dem Synergie-Projekt bieten für industrielle Hersteller von Halbleitermaterialien eine gute Hilfestellung, um zu beurteilen, welche Materialqualität aus dem Einsatz bestimmter Hilfsstoffqualitäten resultiert und worauf sie den Fokus legen müssen, um möglichst effektiv und kostengünstig Verbesserungen zu erzielen. Die neu gewonnenen Erkenntnisse sind dabei generell auf Herstellungsprozesse für Halbleitermaterialien, bei denen Schmelztiegel zum Einsatz kommen, anwendbar.

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Mehr zum Synergie-Projekt:

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

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