Darauf pell ich mir eine Zelle

Ein US-Start-up hat ein Verfahren entwickelt, um hauchdünne Siliziumwafer für Solarzellen zu produzieren und die Menge an nicht wiederverwertbarem Siliziumabfall deutlich zu verringern.

Die Fertigung der meisten Solarzellen ist eine verschwenderische Sache: Die Hälfte des Rohsiliziums verwandelt sich beim Schneiden der Wafer in Halbleiter-Sägemehl. Für jeden 180 Mikrometer dicken Wafer geht Material mit einer Schichtdicke von 100 bis 150 Mikrometer drauf. Das US-Start-up Astrowatt hat nun ein Verfahren vorgestellt, mit dem Silizium effizienter verarbeitet werden soll.

Während beim herkömmlichen Prozess aus einem Millimeter eines Siliziumblocks drei Wafer entstehen, will Astrowatt die Ausbeute verdoppeln. Statt aus einem Block Scheiben herauszusägen, arbeitet die Firma mit einer Technik, bei der die Siliziumschichten von einem Block heruntergeschält werden.

Ganz ohne Sägen geht es allerdings auch beim "Silicon on Metal"-Verfahren, kurz SOM, nicht zu. Zuerst wird ein Block aus Rohsilizium in ein Millimeter dicke Scheiben zerlegt. Auf der Oberfläche einer Scheibe wird dann eine Metallschicht aufgetragen, die später als Rückelektrode dient. Heizt man sie auf, verspannt sich der Materialblock, weil Metall und Silizium sich unterschiedlich ausdehnen. Die Techniker treiben dann dicht unter der Metallschicht einen Keil in die Siliziumscheibe hinein. Weil die unter Spannung steht, breitet sich der Riss durch die gesamte Scheibe aus, und dies dank der Kristallstruktur des Siliziums gleichmäßig über den gesamten Querschnitt.

Auf diese Weise lösen sich hauchdünne Siliziumschichten von nur 25 Mikrometer Dicke von der Scheibe. Zusammen mit der Metallschicht lassen sie sich von der Siliziumscheibe abschälen. Weil das Metall-Silizium-Sandwich biegsam ist, reißt es dabei nicht entzwei.

Dieser Prozess wird solange wiederholt, bis ein 200 bis 300 Mikrometer dicker Siliziumrest übrig ist. Den kann man entweder zu einer konventionellen Solarzelle weiterverarbeiten oder in die Siliziumschmelze zurückgeben, in der ein neuer Kristallblock gezogen wird. Der Siliziumstaub, der beim herkömmlichen Sägeverfahren entsteht, eignet sich für dieses Recycling nicht, weil die Kristallstruktur nicht mehr gut genug ist.

Astrowatt ist eine von diversen Firmen, die sich an einer effizienteren Wafer-Produktion versuchen. Sie versuchen entweder, das Sägen zu verbessern, oder probieren andere Ansätze aus. Diese bringen in der Regel jedoch instabile Wafer hervor, die sich nicht mit den üblichen Fertigungsanlagen weiterverarbeiten lassen. Die Astrowatt-Wafer würden hingegen von der Metallschicht stabilisiert, sagt Rajesh Rao, technischer Leiter von Astrowatt.

Im Labor funktioniert hat das Verfahren bereits gute Ergebnisse gezeigt. Aus den Acht-Zoll-Wafer wurden Solarzellen gefertigt, die einen Wirkungsgrad von 15 Prozent haben. Das ist zwar einige Prozentpunkte schlechter als Standard-Solarzellen. Doch laut Rao habe man noch nicht alle technischen Möglichkeiten in der Weiterverarbeitung ausgereizt. Theoretisch könnten die Astrowatt-Zellen sogar einen höheren Wirkungsgrad erreichen, weil die vom Licht angeregten Elektronen in der äußerst dünnen Schicht einen kürzeren Weg bis zur Elektrode haben.

Astrowatt will das Verfahren nun in handelsüblichen Fertigungsanlagen testen. Fast alle Teilschritte erfordern keine neuen Maschinen. Neben anderen Investoren, über deren Gelder die Firma keine Auskunft gibt, hat das US-Energieministerium die Entwicklung der Technologie mit 1,5 Millionen Dollar gefördert.

Ohne Probleme ist das Verfahren allerdings nicht. Die Metall-Silizium-Sandwiches rollen sich an den Ränder ein klein wenig auf (siehe Bild). Das dürfte ihre Handhabung in Fertigungsanlagen erschweren. Und schließlich fällt auch hierbei eine gewisse Menge von nicht verwertbarem Siliziumstaub an, der sich nicht mehr verwerten lässt. Da das Halbleitermaterial aber nach wie vor teuer ist und den größten Kostenpunkt in der Solarzellfertigung darstellt, könnte das Verfahren am Ende doch Interessenten finden.

Mehr zur SOM-Technologie:
Rao, R. et al.: "A Novel Low Cost 25μm Thin Exfoliated Monokristallin SI Solar Cell Technology". (nbo)