Fraunhofer IISB Hochreines Silizium für die Photovoltaik

Chrstian Reimann vom Fraunhofer IISB in Erlangen hat ein Verfahren entwickelt, das die Materialqualität von gerichtet erstarrten Siliziumblöcken erhöht. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Panels erhöht und Kosten für den Solarstrom reduziert.

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Der SolarWorld Junior Einstein-Award wird seit 2006 an Nachwuchswissenschaftler verliehen, die in ihrer Abschlussarbeit zur Photovoltaik oder in angrenzenden Gebieten herausragende Leistungen gezeigt haben. Christian Reimann erhält den Preis für seine Dissertation "Einbau von O, N und C bei der gerichteten Erstarrung von multikristallinen Siliziumblöcken für die Photovoltaik".

Die Erzeugung von Photovoltaikstrom erfolgt heutzutage zum Großteil mit Siliziumsolarzellen. Für deren Fertigung werden Siliziumscheiben benötigt, die eine möglichst hohe Materialqualität aufweisen, aber in der Herstellung möglichst kostengünstig sind. Einen guten Kompromiss aus diesen Anforderungen stellen multikristalline Siliziumkristalle dar, die aus der Siliziumschmelze durch das Prinzip der gerichteten Erstarrung gezüchtet werden. Die Qualität der aus den Kristallen gesägten Siliziumwafer wird in großem Maße durch die während der Kristallisation und der Abkühlung auftretenden Wärme- und Stofftransportprozesse beeinflusst.

Materialfehler vermeiden

Durch die Wechselwirkung des Siliziumrohstoffs oder der Siliziumschmelze mit dem eingesetzten Tiegelmaterial, der Tiegelbeschichtung und der umgebenden Gasatmosphäre können bei der Herstellung des Siliziumkristalls Materialfehler in Form von Ausscheidungen wie Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄) und Siliziumcarbid (SiC) entstehen. Diese können sich problematisch beim anschließenden Sägeprozess auswirken, unerwünschte elektrische Aktivität zeigen sowie zur Ausbildung von Kurzschlussströmen führen und damit die Eigenschaften der Solarzellen verschlechtern.

Daher ist es äußerst wichtig, den Gehalt an Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff zu reduzieren und zu kontrollieren, damit die mit diesen Elementen verbundene Ausscheidungsbildung vermieden wird.

Christian Reimann untersuchte dazu den Einfluss der Erstarrungsgeschwindigkeit und einer speziell entwickelten Gasspüleinheit auf die Materialqualität der Siliziumblöcke. Zudem variierte er die eingesetzten Medien und Materialien (Rohstoff, Tiegelbeschichtung, Spülgasreinheit, Material der Gasspüleinheit) und untersuchte den Einbau der Fremdstoffe und die damit verbundene Entstehung von Ausscheidungen in der Siliziumschmelze.

Christian Reimann wies in seiner Arbeit nach, dass durch eine gezielt eingesetzte Gasspülung an der Oberfläche der Siliziumschmelze eine Durchmischung derselben erzielt werden kann. Dies wiederum führt dazu, dass trotz hoher Fremdstoffkonzentrationen Siliziumkristalle ohne Ausscheidungen hergestellt werden können.

Industrielle Kristallisation ist Erfolg versprechend

In diesem Jahr durfte die Jury des SolarWorld Junior Einstein-Awards wieder zahlreiche exzellente Arbeiten aus allen Bereichen der Solarenergieforschung begutachten. "Herr Reimann wurde als Gewinner nominiert, da er in seiner Arbeit die Entstehung von Ausscheidungen sehr gut erklären kann, dies zu der Beseitigung des für die Industrie bedeutenden Phänomens führt und er hierbei sehr systematisch vorgegangen ist. Herr Reimann ist ein herausragender Wissenschaftler im Bereich der Solarenergieforschung", begründete die Jury ihre Entscheidung.

Christian Reimann studierte an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und an der Universität zu Köln Mineralogie und arbeitet seit 2005 am Fraunhofer IISB. Der SolarWorld Junior Einstein-Award wurde ihm gestern anlässlich der "25th European Photovoltaic Solar Energy Conference" in Valencia verliehen.

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