Die verschiedenen Schritte auf dem Wege zur Si-Wafer
- Herstellung von metallurgischem Silizium
„Feuerstein“ (SiO2)
- Refraktionierung (Siemens-Verfahren) - Herstellung von hochreinem Poly-Si-Material
- Kristallzucht
- Schneiden von Wafern
Si-Wafer
Silizium-Reinheitsgrad SGS MGS-Material (metallurgical grade silicon): 98% Reinheit ( 1: 10-2 ) nach Reduktion aus SiO2, als Si-Granulat für 150 kWh/ kg: Gesamtmenge > 106 t/Jahr für Verfahrenstechnik SGS-Material (solar grade silicon): „5 Neunen“ 99,999 % Reinheit ( 1:10-5) + kolumnar erstarrt als Blockguss-Silizium 600 kWh / kg SGS-Silizium; insges. ca. 24*103 t/Jahr für Solarzellen EGS-Material (electronic grade silicon): „7 Neunen“ 99,999.99 % Reinheit ( 1:10-7 ) nach Fraktionierter Destillation von Chlorsilanen + Tiegelziehen von CZ-Kristallen: 1000 kWh /kg EGS-Silizium; 25*103 t/Jahr für Mikroelektronik-Chips
Quelle: Prof. Wagemann, TU Berlin
1. Herstellung von metallurgischem Si SiO2 (Quarz) und Kohlenstoff werden in feingemahlener Form in Graphittiegel eingebracht
Dank an Prof. Werner, IPE Uni Stuttgart für die JHW-Bilder !
Lichtbogen erzeugt Schmelze Reduktion von Silizium (SiO2 + 2C → Si + 2CO) flüssiges Si kann abgezapft werden
- brutal energieaufwändig (140 kwh/kg)
- Reinheit noch nicht ausreichend (noch kein „electronic grade“)
2. Refraktionierung feingemahlenes metallurgisches Si wird in einem Wirbelsinterofen gasförmigem Chlorwasserstoff ausgesetzt Si+3HCl →SiHCl3+H2 (exotherme Reaktion zu Trichlorsilan (TSiede=30°C)) mehrstufige Destillation Trennung von Verunreinigungen Verunreinigungsgrad < 10-12
3. Herstellung von polykristallinem Si Gereinigtes Trichlorsilan wird mit H2 in Reaktor geleitet Reduktion von SiHCl3 an heißem Si-Stab (4 SiHCl3 + 2H2→ 3Si +SiCl4+8HCl) Wachstum von hochreinen Si-Stäben
„Siemens-Prozeß“ (Spenke et al. 1953-1956)
4. Einkristallwachstum: a) Czochralski-Verfahren -für gute Transporteigenschaften ist einkristallines Material erforderlich Bruchstücke von poly-Si werden unter Schutzgas aufgeschmolzen (TS=1415 °C) Eintauchen eines einkristallinen Keims einkristallines Wachstum unter Zieh- und Drehbewegungen Wachstum von einkristallinen Stäben
-Dotierung möglich durch Zugabe von hochdotierten Si-Stücken -Sauerstoffeinbau war lange Zeit ein Problem (Nichtstrahlende Rekombination)
4. Einkristallwachstum: a) Czochralski-Verfahren -für gute Transporteigenschaften ist einkristallines Material erforderlich Bruchstücke von poly-Si werden unter Schutzgas aufgeschmolzen (TS=1415 °C) Eintauchen eines einkristallinen Keims einkristallines Wachstum unter Zieh- und Drehbewegungen Wachstum von einkristallinen Stäben (Foto: Wacker Siltronic Burghausen)
-Dotierung möglich durch Zugabe von hochdotierten Si-Stücken -Sauerstoffeinbau war lange Zeit ein Problem (Nichtstrahlende Rekombination)
4. Einkristallwachstum: b) Zonenziehverfahren an poly-Si-Stab wird einkristalliner Keim angeschmolzen poly-Si-Stab wird abschnittsweise durch Induktionsheizung aufgeschmolzen Verunreinigungen haben höhere Löslichkeit in flüssiger Phase → Reinigung
beim Abkühlen erfolgt einkristallines Wachstum - Dotierung in Anwesenheit von Dotiergasen - bessere Kristalle, aber teurer
Herstellung von poly(multi)kristallinem Silizium geschmolzenes Si wird in Graphittiegel gegossen kontrollierte Abkühlung sorgt für kolumnare Strukturen Zersägen in viereckige Scheiben
Herstellung von poly(multi)kristallinem Siliziumzellen
"solar grade" Silizium / SGS
geschmolzenes Silizium
kolumnares Kristallit-Wachstum von unten nach oben
Zersägen in Blöcke
Drahtsägen in Wafer
kontrolliertes Abkühlen von unten nach oben
Bildung eines poly-kristallinen Silizium-Blockes
Silizium-Wafer
Herstellung von poly-kristallinen Silizium-Wafern aus Blöcken (Quellen: C.Gerhards, Dissertation, Konstanz 2002, U.Kindereit, Studienarbeit, Berlin 2004)
Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien
Schicht- und Bandsilizium (Folienmaterialien) 0,28 mm 0,28 mm
Prinzip:
Prinzip:
Edge defined film growth (EFG-Verfahren)
GraphitKapillare
-geschmolzenes Silizium wird über Kapillarkräfte direkt in der richtigen Dicke gezogen geschmolzenes Silizium
-Sägen entfällt - Probleme aufgrund zahlreicher Defekte
Bänder und Wafer werden durch Laser getrennt.
Von der Scheibe zur Solarzelle
- Ausgangspunkt: p (Bor)-dotierte Si-Wafer -Elektronen als Minoritätsladungsträger im p-Bereich weisen eine größere Diffusionslänge auf
Eindiffusion des Emitterkontaktes
Phosphin (PH) bzw. Phosphoroxychlorid (POCl3) wird an die heiße Si-Oberfläche gebracht Reaktion zu P2O5 → dient als Diffusionsquelle an der Oberfläche
Diffusionstechnologie
Eindiffusion bei hohen Temperaturen Einbau auf Si-Gitterplatz als Donator
Solarzellentechnologie
-Trockenätzen der Kanten - Naßätzen des Glases
- Siebdruck der Metallkontakte
Solarzellentechnologie
Siebdrucken zur Metallisierung + geringer Investitionsaufwand (keine Vakuumtechnik) + Automatisierbarkeit des Verfahrens
- Metall (Ag für Frontkontakt, Al für Rückkontakt) als einige µm große Partikel - Bleioxid, Blei(Zink)-Bor-Silikate, Bindemittel - Aufbringen durch Siebdruck - Sintern der Schicht bei ca. 600 °C - Si-Schicht wird angelöst - beim Abkühlen entsteht rekristallisierte Si-Schicht mit hohen Ag-Anteil
Siebdrucken
- für Rückseitenkontakt wird Al (dreiwertig) verwendet - wird bei 800 °C einlegiert und ergibt damit eine p+ Dotierung - Erzeugung des Back-Surface-Feldes
Siebdrucken: AR-Schicht -Siebdrucken funktioniert auch für die Antireflexschicht: Verwendung einer Paste mit TiO2 (Brechungsindex 1.9..2.3)
→ auch ohne einen interferometrischen Effekt (λ/4-Schicht) ergibt sich eine Reduktion der Reflexionsverluste:
-SiO2-Wachstum wird im Laufe des Prozesses verlangsamt, da Sauerstoff durch die frisch gewachsene Schicht hindurchdiffundieren muss
Photolithographie
Nach dem Entwickeln können entweder die belichteten oder die unbelichteten Bereiche stehenbleiben, je nach Wahl des Lacks (negativ/positiv).
Photolithographie: Lift-off-Prozess
Texturierung der Oberfläche: Anisotropes Nassätzen mit KOH
-Ätzgeschwindigkeit hängt von der Kristallrichtung ab
-durch Maskierung mit SiO2 können regelmässige Pyramiden erzeugt werden
-ohne Maskierung ergeben sich willkürliche -Pyramiden
Texturierung der Oberfläche: Anisotropes Nassätzen mit KOH
-Ätzgeschwindigkeit hängt von der Kristallrichtung ab
-durch Maskierung mit SiO2 können regelmässige Pyramiden erzeugt werden
-ohne Maskierung ergeben sich willkürliche -Pyramiden
Texturierung der Oberfläche: Pyramiden
25 %-Zelle (U of New South Wales, Australien)
-extrem reines einkristallines Silizium -strukturierte Oberfläche und AR-Beschichtung -dünne Finger aus Ag -passivierte Emitterseite -emitterseitige Punktkontakte mit Hochdotierung
