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12.03.2014

Schwebende Kristalle für die Energiewende

Neues Produktionsverfahren für hochreine Silizium-Kristalle vom Fraunhofer-Zentrum für Silizium-Photovoltaik. Kristalline Materialien sind vielfältig einsetzbar. Besonders bekannt sind Siliziumkristalle für Solarmodule oder Quarzkristalle, die in zahlreichen optischen und elektrischen Bauelementen den Takt angeben. Forscher vom Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP aus Halle haben ein innovatives Verfahren entwickelt, mit dem sich besonders reine Siliziumkristalle günstig herstellen lassen.

Frank Zobel, Doktorand am CSP, steht vor einer turmhohen Apparatur und hält einen matt silbrigen Stab so groß wie ein Absperrpfeiler ins Licht. "Gestern ist eine Pumpe ausgefallen, aber heute schnurrt sie wie ein Kätzchen", sagt Zobel. Gemeint ist die Float-Zone Anlage mit der er den 15 Kilogramm schweren hochreinen Siliziumkristall hergestellt hat, den er gerade prüft.

"Wir sind die einzige Forschungseinrichtung mit einer Anlage in dieser Größenordnung. Das Know-how kann man sich nur selbst erarbeiten", erläutert Zobel weiter. Das Float-Zone Verfahren ist seit den sechziger Jahren bekannt. Doch erst heute sind die Prozesse – unter anderem durch die Arbeiten des CSP unter der Leitung von Professor Peter Dold – so weit verfeinert, dass Float-Zone Kristalle am Photovoltaikmarkt interessant werden.

Bei dem Züchtungsverfahren wird der Kristall anders als beim traditionellen Czochralski -Verfahren nicht an einem Kristallisationskeim aus einer Siliziumschmelze gezogen, sondern ein Vorratsstab wird von oben durch eine Hochfrequenzspule geführt, die eine Schmelzzone im Stab selber erzeugt. Diese Zone ist nur wenige Zentimeter hoch und da sie "schwebt", besteht kein Kontakt zu einem Schmelztiegel wie beim Czochralski-Verfahren. Das hat gleich zwei entscheidende Vorteile. Zum einen spart das Verfahren Energie da nicht ein ganzer Schmelztiegel auf 1500 °C geheizt werden muss, sondern nur die kleine Zone, zum anderen fehlt mit dem Tiegel, der normalerweise aus Quarz besteht, die Hauptquelle für Sauerstoffverunreinigungen im Kristall.

Der bisherige Knackpunkt an dem Float-Zone-Verfahren: Der Vorratsstab aus Silizium muss hinsichtlich Geometrie, Rissfreiheit und Oberflächenqualität enge Vorgaben einhalten und war dementsprechend zeit- und preisintensiv herzustellen.

Dold und seine Kollegen am CSP haben jetzt eine Methode entwickelt, mit der sie den Vorratsstab direkt in einer Kristallisationsanlage heranzüchten können, ohne ihm in mehreren mechanischen Schritten zu Leibe rücken zu müssen.

"Jeder Bearbeitungsschritt, beispielsweise das Schleifen, ist nicht nur zeitraubend, sondern kann auch wieder Verunreinigungen und Risse mit sich bringen", sagt Dold.

Aufgrund der mehr als hundertfach geringeren Sauerstoffkonzentration werden die Kristalle aus Halle auch für neue Anwendungen interessant. Insbesondere in der Leistungselektronik, wo immer höhere Ströme auf immer kleineren Flächen gehandhabt werden, wird händeringend nach durchschlagsfesten und damit verlustärmeren Materialien gesucht. In der Photovoltaikindustrie garantieren Float-Zone Wafer eine langfristig bessere Effizienz, da Sauerstoffeinschlüsse hauptverantwortlich sind für die Abnahme der Leistung nach längerem Betrieb.

Wie die hohe Reinheit genau erzielt werden kann, stellt Zobel am Mittwoch auf der Deutschen Kristallzüchtungstagung (DKT) vor. Zum ersten Mal findet diese Veranstal-tung unter der Leitung von Peter Dold am CSP in Halle statt. Vom 12.-14.03.2014 treffen sich dort Wissenschaftler und Forscher aus unterschiedlichen Disziplinen und Branchen wie der Photovoltaik- oder der Halbleiterindustrie.

Thematisch ist die DKT eine Plattform für alle Themen der experimentellen, theoretischen und angewandten Kristallisation, der Epitaxie, der Wachstumskinetik, der Kristallisation neuer Materialien, der Entwicklung neuer Kristallisationsverfahren und der Methoden zum verbesserten Verständnis von Kristalleigenschaften, von Kristalldefekten und von Transport-mechanismen.

Der Schwerpunkt in diesem Jahr ist Silizium als Ausgangsstoff für die Photovoltaikbranche. Weitere Themen sind Halbleiter mit breiter Bandlücke und Graphen als Transistormaterial der Zukunft.

Veranstaltet wird die Tagung vom CSP in Zusammenarbeit mit der Deutschen Gesellschaft für Kristallwachstum und Kristallzüchtung e. V. Das Fraunhofer CSP ist eine gemeinsame Einrichtung des Fraunhofer IWM und des Fraunhofer ISE.

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Quelle   Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP 2014