Was sind Silizium-Wafer in der Solarzelle einer PV-Anlage?
Ein Wafer ist eine flache Scheibe aus kristallinem Silizium, die als Grundlage für die Herstellung von Solarzellen dient. Diese Wafer werden in der Regel aus Siliziumblöcken geschnitten und bilden die Grundlage für die Herstellung von Photovoltaikmodulen.
Ein Wafer ist eine flache, runde Scheibe aus Silizium, die in der Photovoltaikindustrie als Grundlage für die Herstellung von Solarzellen verwendet wird. Wafer werden aus einer Siliziumschmelze hergestellt, die in kristalliner Form erstarrt. Anschließend werden sie geschnitten, gereinigt und poliert, um eine möglichst glatte und defektfreie Oberfläche zu erhalten. Die Dicke der Wafer variiert je nach Anwendung und kann zwischen 100 und 300 Mikrometern liegen.
Die Siliziumwafer sind der Ausgangspunkt für die Herstellung von Solarzellen, die in der Lage sind, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Solarzellen bestehen aus einer dünnen Schicht Halbleitermaterial, meist Silizium, die auf einem Wafer aufgebracht wird. Durch gezielte Dotierung mit anderen Elementen wie Phosphor oder Bor entstehen pn-Übergänge, die den Ladungstransport ermöglichen. Während die Oberfläche der Solarzelle das Sonnenlicht einfängt und in Elektronen umwandelt, sorgen die p-n-Übergänge dafür, dass die Elektronen in eine bestimmte Richtung fließen und so eine elektrische Spannung aufgebaut wird.
In der Solarindustrie sind Wafer daher ein unverzichtbarer Bestandteil für die Herstellung von Solarzellen und Photovoltaikmodulen. Die Herstellung von Wafern ist jedoch energie- und ressourcenintensiv und erfordert ein hohes Maß an Präzision, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Solarzellen zu erzielen.
Wie werden Siliziumwafer hergestellt und was ist der Prozess dahinter?
Die Herstellung von Wafern ist ein komplexer und präziser Prozess, der mehrere Schritte umfasst. Im Folgenden wird der Herstellungsprozess von monokristallinen Siliziumwafern beschrieben.
Zunächst wird hochreines Silizium in einem Lichtbogenofen bei einer Temperatur von etwa 1.500 Grad Celsius geschmolzen. Dabei wird das Silizium im Vakuum oder unter Schutzgas gehalten, um Verunreinigungen zu vermeiden.
Das flüssige Silizium wird dann in eine Form gegossen, den so genannten „Tiegel“. Diese Form besteht aus hochreinem Quarzglas und wird auf eine Temperatur von etwa 1.100 Grad Celsius erhitzt, um das Silizium allmählich kristallisieren zu lassen.
Während das Silizium kristallisiert, wird der Tiegel langsam abgekühlt, um die Bildung eines großen einkristallinen Siliziumkristalls zu ermöglichen. Der Kristall kann einen Durchmesser von bis zu 300 mm und eine Länge von mehreren Metern erreichen.
Sobald der Kristall vollständig abgekühlt ist, wird er aus dem Tiegel genommen und auf die gewünschte Dicke gesägt. Dabei werden dünne Scheiben, so genannte Wafer, aus dem Kristall geschnitten.
Die Wafer werden anschließend gründlich gereinigt und poliert, um eine möglichst glatte und defektfreie Oberfläche zu erhalten. Dieser Schritt ist besonders wichtig, da selbst kleinste Defekte die Leistung der späteren Solarzellen beeinträchtigen können.
Abschließend werden die Wafer auf ihre elektrischen Eigenschaften getestet und sortiert, um sicherzustellen, dass nur Wafer verwendet werden, die den gewünschten Anforderungen entsprechen.
Die Herstellung von polykristallinen und amorphen Siliziumwafern unterscheidet sich von der Herstellung monokristalliner Wafer. Bei der Herstellung von polykristallinen Wafern wird das Silizium nicht zu einem großen Kristall gezüchtet, sondern in kleinen Körnern geschmolzen und anschließend schnell abgekühlt, um eine Vielzahl kleiner Kristalle zu bilden. Amorphe Siliziumscheiben werden durch Aufbringen einer dünnen Siliziumschicht auf ein Substrat hergestellt.
Wie groß sind die Wafer, die in der Photovoltaikindustrie verwendet werden?
Die Größe der in der Photovoltaikindustrie verwendeten Wafer hat sich im Laufe der Zeit verändert. Die ersten kommerziellen Solarzellen wurden in den 1950er Jahren hergestellt und hatten eine Größe von etwa 1 cm². In den folgenden Jahrzehnten wurden die Wafer immer größer, um den Wirkungsgrad und die Leistung der Solarzellen zu erhöhen. Heute werden hauptsächlich drei Wafergrößen verwendet: 156 mm x 156 mm, 156 mm x 156 mm (groß) und 210 mm x 210 mm.
Die meisten Solarmodule werden aus 156 mm x 156 mm Wafern hergestellt, die auch als „Standard“ oder „Full“ bezeichnet werden. Diese Wafer haben eine Fläche von ca. 244 cm² und werden aus einem Block kristallinen Siliziums geschnitten. Die Produktion von Wafern dieser Größe ist etabliert und die meisten Photovoltaik-Hersteller haben ihre Produktion auf diese Größe optimiert.
Seit einigen Jahren werden auch größere Wafer mit einer Größe von 156 mm x 156 mm (large) hergestellt. Diese Wafer haben eine Fläche von ca. 272 cm² und können eine höhere Leistung pro Wafer erzeugen. Die Herstellung großer Wafer erfordert jedoch spezielle Maschinen und Prozesse, was zu höheren Kosten führen kann.
In den letzten Jahren hat sich ein weiterer Trend zu noch größeren Wafern entwickelt, insbesondere zu Wafern mit einer Größe von 210 mm x 210 mm. Diese Wafer haben eine Fläche von ca. 441 cm² und können noch höhere Leistungen erzeugen als die bisherigen Wafergrößen. Sie sind jedoch noch relativ neu auf dem Markt und ihre Herstellung erfordert spezielle Anlagen und Prozesse.
Die Wahl der Wafergröße hängt von verschiedenen Faktoren wie Anwendung, Wirkungsgrad, Produktionskosten und Verfügbarkeit ab. Eine größere Wafergröße kann die Leistung des Solarmoduls steigern, aber auch die Produktionskosten und den Platzbedarf erhöhen.
Welche Materialien werden zur Herstellung von Wafern verwendet und welche Eigenschaften haben sie?
In der Photovoltaikindustrie werden Wafer hauptsächlich aus kristallinem Silizium hergestellt, das aus hochreinem Quarzsand gewonnen wird. Das Silizium wird zunächst geschmolzen und dann in einem Kristallisationsprozess zu großen monokristallinen, polykristallinen oder amorphen Kristallen gezüchtet.
Monokristallines Silizium ist der am häufigsten verwendete Rohstoff für Wafer und zeichnet sich durch einen höheren Wirkungsgrad aus, da es weniger Defekte aufweist und somit eine bessere Leistung erzielt. Polykristallines Silizium ist etwas billiger als monokristallines Silizium, hat aber aufgrund der höheren Defektdichte einen geringeren Wirkungsgrad. Amorphes Silizium wird hauptsächlich für Dünnschichtsolarzellen verwendet und hat den Vorteil, dass es kostengünstiger und flexibler als kristallines Silizium ist.
Neben Silizium werden auch andere Materialien zur Herstellung von Wafern verwendet. Beispielsweise können Substrate aus Saphir oder Siliziumkarbid verwendet werden, um leistungsfähige und langlebige Wafer für Anwendungen in der Elektronikindustrie herzustellen. Diese Wafer werden normalerweise nicht für die Herstellung von Solarzellen verwendet.
Ein weiteres Material, das für die Herstellung von Wafern verwendet wird, ist Galliumarsenid (GaAs), ein Halbleitermaterial mit hoher Leistung und Effizienz. GaAs-Wafer werden aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades und ihrer Strahlungsbeständigkeit in der Regel für die Herstellung von Solarzellen in der Raumfahrt und für militärische Anwendungen verwendet.
Die Wahl des Materials hängt von der Anwendung und den spezifischen Anforderungen wie Effizienz, Haltbarkeit und Verfügbarkeit ab. Silizium ist aufgrund seiner Verfügbarkeit und der günstigen Produktionskosten nach wie vor das am häufigsten verwendete Material für die Herstellung von Wafern in der Photovoltaikindustrie.
Was ist der Unterschied zwischen monokristallinen, polykristallinen und amorphen Siliziumwafern?
Monokristalline, polykristalline und amorphe Wafer unterscheiden sich in ihrer Kristallstruktur und ihren Eigenschaften, die sie für die Verwendung in der Photovoltaikindustrie geeignet machen.
Monokristalline Wafer bestehen aus einem einzigen großen Kristall aus reinem Silizium. Dieser Kristall wird durch Züchtung aus einer Siliziumschmelze gewonnen und anschließend in dünne Scheiben geschnitten. Monokristalline Wafer haben eine gleichmäßige Kristallstruktur ohne Zwischenräume oder Defekte, was zu einem hohen Wirkungsgrad der Solarzellen führt. Monokristalline Wafer haben jedoch auch höhere Herstellungskosten als andere Wafertypen und sind anfälliger für Brüche und Beschädigungen.
Polykristalline Wafer werden aus vielen kleinen Siliziumkristallen hergestellt, die zusammengefügt und in Scheiben geschnitten werden. Diese Art von Wafern ist billiger in der Herstellung als monokristalline Wafer und hat aufgrund der höheren Defektdichte und der unregelmäßigen Kristallstruktur einen geringeren Wirkungsgrad. Polykristalline Wafer haben jedoch den Vorteil, dass sie weniger bruchempfindlich sind und höhere Temperaturen besser vertragen.
Amorphe Wafer werden durch Abscheidung von Silizium auf einem Substrat hergestellt und haben eine nichtkristalline Struktur. Amorphe Wafer sind flexibler und dünner als kristalline Wafer und können in einer Vielzahl von Formen und Größen hergestellt werden. Amorphe Wafer haben jedoch einen geringeren Wirkungsgrad und eine kürzere Lebensdauer als kristalline Wafer.
Die Wahl des Wafermaterials hängt von den spezifischen Anforderungen und der Anwendung ab. Monokristalline Wafer werden bevorzugt, wenn ein hoher Wirkungsgrad erforderlich ist, während polykristalline Wafer bevorzugt werden, wenn eine höhere Toleranz gegenüber höheren Temperaturen erforderlich ist. Amorphe Wafer werden in der Regel für flexible Anwendungen eingesetzt, bei denen Form und Größe der Solarzelle eine wichtige Rolle spielen.
Wie werden die Solarzellen auf die Wafer aufgebracht und wie wird die Leistung der Solarzellen maximiert?
Nach der Herstellung der Wafer werden Solarzellen auf die Wafer aufgebracht, um Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Solarzellen werden in der Regel durch Dotierung hergestellt, bei der bestimmte Elemente wie Bor oder Phosphor in das Silizium eingebracht werden, um eine p-n-Übergangsstruktur zu erzeugen. Diese Übergänge ermöglichen es den Elektronen, von der Oberfläche der Solarzelle durch die n-dotierte Schicht in die p-dotierte Schicht zu fließen, wodurch Strom erzeugt wird.
Es gibt verschiedene Methoden zur Herstellung von Solarzellen auf Wafern, die gebräuchlichste ist jedoch die so genannte Diffusionsmethode. Dabei wird zunächst eine Schutzschicht auf den Wafer aufgebracht, um ihn vor Beschädigungen zu schützen. Anschließend wird eine Phosphorschicht auf die Rückseite des Wafers aufgebracht, um eine n-dotierte Schicht zu erzeugen. Anschließend wird der Wafer in einem Ofen auf hohe Temperaturen erhitzt, um den Phosphor in das Silizium zu diffundieren.
Nachdem die n-dotierte Schicht erzeugt wurde, wird die Vorderseite des Wafers behandelt, um eine p-dotierte Schicht zu erzeugen. Dazu wird eine dünne Schicht Bor auf die Oberfläche des Wafers aufgebracht und durch Erhitzen in das Silizium diffundiert. Dadurch entsteht eine p-n-Übergangsstruktur, die zur Stromerzeugung beiträgt.
Um die Leistung von Solarzellen zu maximieren, müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Einer der wichtigsten Faktoren ist die Qualität des Wafermaterials, da Defekte und Verunreinigungen die Effizienz der Solarzellen beeinträchtigen können. Eine weitere Möglichkeit, die Leistung von Solarzellen zu verbessern, besteht darin, die Oberfläche der Solarzellen mit einer Antireflexbeschichtung zu versehen, um den Lichteinfall zu optimieren.
Eine weitere Möglichkeit, die Leistung von Solarzellen zu verbessern, besteht darin, mehrere Schichten von Halbleitermaterialien zu verwenden, um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen. Dies wird als Mehrfachsolarzelle bezeichnet und kann durch die Verwendung verschiedener Materialien wie Galliumarsenid, Galliumindiumphosphid und Silizium erreicht werden.
Wie wird die Qualität der Siliziumwafer gemessen und wie wirkt sich die Qualität auf die Leistung der Solarzellen aus?
Die Qualität der in der Photovoltaikindustrie verwendeten Siliziumwafer wird anhand verschiedener Parameter gemessen, die sich direkt auf die Leistung der Solarzellen auswirken können. Die wichtigsten Parameter sind die Reinheit, die Kristallstruktur und die elektrischen Eigenschaften des Wafermaterials.
Die Reinheit des Wafermaterials ist ein wichtiger Faktor für die Qualität der Solarzellen. Verunreinigungen können die Leistung der Solarzellen beeinträchtigen und zu einer höheren Defektrate führen. Um die Reinheit des Wafermaterials zu messen, wird häufig ein Spektrometer verwendet, das die Konzentration von Verunreinigungen wie Metallen und Nichtmetallen misst.
Die Kristallstruktur des Wafermaterials ist ebenfalls ein wichtiger Faktor für die Qualität der Solarzellen. Monokristallines Silizium hat eine höhere Kristallstruktur als polykristallines Silizium, was zu einem höheren Wirkungsgrad der Solarzellen führen kann. Zur Messung der Kristallstruktur wird häufig die Röntgendiffraktometrie oder die Rückstreuelektronendiffraktometrie eingesetzt.
Auch die elektrischen Eigenschaften des Wafermaterials können die Leistung der Solarzellen beeinflussen. Dazu gehören der Widerstand und die Dotierungsstufen des Materials. Um diese Eigenschaften zu messen, wird häufig ein elektrolytisches Ätzverfahren oder ein Kontaktierungsverfahren verwendet.
Die Qualität der Wafer kann sich direkt auf die Leistung der Solarzellen auswirken. Eine höhere Reinheit und Kristallstruktur des Wafermaterials kann zu einem höheren Wirkungsgrad der Solarzellen führen, während niedrigere Dotierungsstufen und ein höherer Widerstand die Leistung der Solarzellen beeinträchtigen können. Eine bessere Qualität der Wafer kann auch zu einer höheren Haltbarkeit und Lebensdauer der Solarzellen führen, was zu einem höheren Gesamtertrag der Solaranlage führen kann.
Fazit
Wafer sind flache, runde Scheiben aus kristallinem Silizium, die als Grundlage für die Herstellung von Solarzellen in der Photovoltaikindustrie dienen. Wafer werden aus einer Siliziumschmelze gezogen und in der Regel aus Siliziumblöcken geschnitten. Es gibt drei Arten von Siliziumwafern: monokristalline, polykristalline und amorphe Wafer, die sich in ihrer Kristallstruktur und ihren Eigenschaften unterscheiden. Die Herstellung von Wafern ist ein präziser Prozess, der aus mehreren Schritten besteht, darunter das Schmelzen von Silizium, das Kristallisieren von Silizium, das Schneiden von Wafern, das Reinigen und Polieren von Wafern sowie das Testen und Sortieren von Wafern. Die Wahl der Wafergröße hängt von verschiedenen Faktoren wie Anwendung, Wirkungsgrad, Produktionskosten und Verfügbarkeit ab. Die Herstellung von Wafern ist energie- und ressourcenintensiv und erfordert ein hohes Maß an Präzision, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Solarzellen zu erreichen.
