Wie werden die Siliziumplättchen hergestellt?
Aus dem Leben eines Fotovoltaik-Servicetechnikers – Wie werden Siliziumplatten für Fotovoltaikpaneele hergestellt?
Bei der Photovoltaik handelt es sich um eine Technologie, die Sonnenlicht mithilfe des photovoltaischen Phänomens in Strom umwandelt. Eine Schlüsselkomponente dieses Prozesses sind Photovoltaikmodule, die aus vielen zusammengeschalteten Photovoltaikzellen aus Halbleitern bestehen. Unter den verschiedenen Halbleitermaterialien ist Silizium (Si) das beliebteste und bildet die Grundlage für etwa 90 % der Solarmodule weltweit. Der Herstellungsprozess von Silizium-Arrays, die die Grundlage von Photovoltaikzellen bilden, ist mehrstufig und technologisch komplex. Themen der Herstellung sind definitiv von größtem Interesse für mich. Deshalb werden wir heute einen detaillierten Blick auf die Herstellung von Silizium-Arrays werfen. Von der Gewinnung des Rohmaterials über seine Verarbeitung bis hin zum fertigen Produkt, das an die Plattenhersteller geht.
1 Gewinnung von Rohsilizium. Wie werden Siliziumplättchen hergestellt?
Silizium ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente in der Erdkruste und macht etwa 28% ihrer Masse aus. Das Rohmaterial für die Herstellung von hochreinem Silizium ist Quarz (SiO2). Er wird in Sandsteinminen und anderen Gesteinsformationen abgebaut. Quarz enthält Silizium in Form von Siliziumoxid, das in reines metallurgisches Silizium umgewandelt werden muss.
Der Prozess der Quarzreduktion findet in Lichtbogenöfen statt, wo Siliziumdioxid (SiO2) bei sehr hohen Temperaturen (über 2000°C) mit Kohlenstoff reagiert. Dies wiederum führt zur Ausfällung von reinem Silizium und Kohlenmonoxid:
SiO2+2C→Si+2CO
Das daraus gewonnene metallurgische Silizium hat einen Reinheitsgrad von etwa 98-99%. Es ist ein Rohstoff, der weiteren Reinigungsprozessen unterzogen werden muss, um ihn für elektronische und photovoltaische Anwendungen geeignet zu machen.
2. Reinigung von Silizium für Solarqualität
Für die Herstellung von Photovoltaik-Paneelen wird sehr hochreines Silizium (sogenanntes Solarsilizium) benötigt, das nur 1 Fremdatom pro Milliarde Siliziumatome enthält (99,9999% Reinheit). Die Reinigung des Siliziums erfolgt durch eine halogenchemische Reduktionsmethode, bei der Siliziumtetrachlorid (SiCl4) entsteht. Im nächsten Schritt wird das Siliziumtetrachlorid einer fraktionierten Destillation unterzogen, gefolgt von einer Wasserstoffreduktion zu polykristallinem Silizium:
SiCl4+2H2→Si+4HCl
Nach diesem Prozess erhält man Solarsilizium(Solar Grade Silicon, SGS). Dieses ist bereit für die weitere Verarbeitung zur Herstellung von monokristallinem oder polykristallinem Silizium.
3. die Czochralski-Methode: Züchtung von Siliziumeinkristallen
Eine der am weitesten verbreiteten Methoden zur Herstellung von monokristallinen Siliziumplättchen ist die Jan Czochralski-Methode. Sie wurde von dem polnischen Wissenschaftler Jan Czochralski im Jahr 1916 erfunden. Über diese Methode wurde schon oft geschrieben, aber Sie können sich auch unseren YouTube-Podcast dazu anhören.
Wie werden Siliziumplättchen hergestellt? Der Prozess umfasst das Wachstum eines einzelnen Siliziumkristalls aus geschmolzenem Rohmaterial.
Prozessschritte:
- Silizium schmelzen: Solarsilizium wird in einem Quarztiegel auf eine Temperatur von über 1420°C erhitzt, bis es vollständig geschmolzen ist.
- Kristallkeimbildung: Ein einkristalliner Silizium-Embryo wird in das geschmolzene Silizium eingeführt. Dieser Embryo wird langsam nach oben gezogen, während er sich um seine Achse dreht.
- Kristallwachstum: Während der Embryo herausgezogen wird, kristallisieren die Siliziumatome aus der Schmelze um ihn herum und bilden einen immer größeren Einkristall mit einer definierten Struktur. Dieser Prozess wird präzise gesteuert, um einen Kristall mit einer homogenen Struktur zu erzeugen.
Dabei entsteht ein Siliziumeinkristall in Form eines Zylinders mit einem Durchmesser von 150 bis 300 mm und einer Länge von bis zu 2 Metern.
4 Schneiden und Formen von Siliziumplättchen. Wie werden Siliziumplättchen geformt?
Die mit der Czochralski-Methode gewonnenen Silizium-Einkristalle werden dann in geeignete Stücke geschnitten. Der erste Schritt besteht darin, den Siliziumzylinder in flache Segmente zu schneiden. Hierfür werden Drahtsägen verwendet, die das harte Silizium präzise in sehr dünne Scheiben schneiden können. Die Dicke der Siliziumscheiben, die in Solarzellen verwendet werden , liegt normalerweise zwischen 160 und 200 Mikrometern.
Um die Effizienz des Schneidens zu erhöhen, werden oft fortschrittliche Methoden wie Diamantsägen eingesetzt. Nach dem Schneiden wird jeder Siliziumwafer einer chemischen und mechanischen Vorbehandlung unterzogen, bei der alle Unregelmäßigkeiten und Defekte der Oberfläche entfernt werden. Beim Schneiden fällt auch Abfall in Form von Siliziumstaub an, der häufig recycelt und in der Produktion wiederverwendet wird.
5. Ätzen und Reinigen von Oberflächen
Nach dem Schneiden der Siliziumwafer folgt ein chemischer Ätzprozess, um die Oberfläche weiter zu reinigen und ihr die entsprechenden strukturellen Eigenschaften zu verleihen. Das Ätzen erfolgt in chemischen Bädern, in der Regel in Flusssäure- (HF) und Salpetersäure- (HNO3) Lösungen, die Verunreinigungen effektiv entfernen und die Oberfläche der Wafer glätten. In einigen Fällen wird die Oberfläche der Wafer mit speziellen Texturen versehen, um die Absorptionsfähigkeit des Sonnenlichts zu verbessern, was die Effizienz der Photovoltaikzellen erhöht.
6. verpackung und transport von siliziumplatten
Die fertigen Siliziumwafer werden dann sorgfältig auf Defekte und Verunreinigungen untersucht. Jede Platte muss strenge Qualitätsstandards erfüllen, um für die Herstellung von Solarzellen verwendet werden zu können. Die Wafer werden dann in speziell entwickelten Behältern verpackt, um sie während des Transports vor mechanischen Beschädigungen und Verunreinigungen zu schützen. Die geschützten Siliziumwafer werden an Fabriken geschickt, wo sie zu fertigen Solarzellen verarbeitet werden.
Wie werden Siliziumplättchen hergestellt? Die Herstellung von Siliziumscheiben für Photovoltaikmodule ist ein fortschrittliches und mehrstufiges Verfahren, das sowohl die Gewinnung von Rohsilizium als auch die komplexen Prozesse der Reinigung, des monokristallinen Wachstums, des Schneidens, Ätzens und des Transports der fertigen Scheiben umfasst.
Jeder Schritt erfordert eine präzise Qualitätskontrolle, damit das Endprodukt die in der Photovoltaikindustrie entscheidenden Anforderungen an Effizienz und Haltbarkeit erfüllen kann. Entwickelte Technologien, wie das Czochralski-Verfahren, ermöglichen die Herstellung von monokristallinen Silizium-Arrays, die die Grundlage der heutigen Solarzellen bilden und zur nachhaltigen Entwicklung erneuerbarer Energien beitragen.
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