Smarte Öfen für smarte Zellen

Eine neue Herstellungsmethode nutzt Licht als Wärmeerzeuger in der Solarzellenproduktion. Das spart Energie und steigert die Gesamteffizienz der Sonnenkollektoren.

Bei der Herstellung von Sonnenkollektoren werden die Silizium-Wafer, die als Ausgangsprodukt dienen, auf Temperaturen über 1000 Grad Celsius erhitzt. Dieser Prozess verwendet normalerweise Heizelemente, die viel Energie verbrauchen.

Ein neuer optischer Ofen, der am US-Nationallabor für erneuerbare Energien (NREL) in Golden, Colorado, entwickelt wurde, erwärmt die Solar-Wafer mit Hilfe der Fokussierung von Licht. Der Prozess ist deutlich effizienter und verbraucht ungefähr die Hälfte der Energie konventioneller Öfen. Fast noch wichtiger: Die Technik setzt das Licht außerdem ein, um bestimmte Unreinheiten aus den Silizium-Wafern zu entfernen – ein Zusatzschritt, der den Energie-Output der fertigen Zellen erhöhen kann.

Die NREL-Technik befindet sich noch in einem frühen Stadium. Trotzdem ist es den Forschern gelungen, den Wirkungsgrad der so hergestellten Solarzellen um 0,5 Prozent zu steigern. Labortests zeigen das weitere Potenzial: Bis zu 4 Prozentpunkte sind drin. Das würde den Wirkungsgrad von Silizium-Solarzellen von rund 16 auf 20 Prozent erhöhen. Das wäre in einer Branche, in der bereits ein halbes Prozent gefeiert wird, eine bemerkenswerte Entwicklung.

Und hohe Temperaturen werden im Herstellungsprozess gleich mehrfach benötigt. Öfen nutzt man auch beim Einbringen der Dotierstoffe in das Silizium, die dann elektrische Felder innerhalb des Materials aufbauen, zum Aufbau elektrischer Kontakte und zur Oxidation der Oberfläche, um die Effizienz zu erhöhen. Der neue Ofen erlaubt eine bessere Kontrolle gleich mehrerer dieser Prozesse, was wiederum den Gesamtwirkungsgrad verbessern könnte.

Der NREL-Ansatz ist nicht der erste Versuch, Licht zur Verarbeitung von Silizium zu verwenden. Rapid Thermal Processing-Öfen (RTP), wie man sie aus der Mikroelektronik kennt, nutzen ähnliche Techniken. Die NREL-Forscher haben diese aber für die Solarzellenherstellung praktikabler gemacht: So verwenden sie hitzeresistente Keramik, die dafür sorgt, dass das Licht nur von den Silizium-Wafern absorbiert wird und nicht von den Wänden des Ofens. "Das erhöht die Energieeffizienz beträchtlich", sagt Projektleiter Bhushan Sopori.

Durch die Formung des Ofeninneren können die Forscher genau kontrollieren, wohin das Licht fokussiert wird – und stellen damit sicher, dass die Wafer gleichmäßig erhitzt werden. Es reicht nicht aus, den Lichteinfall gleichmäßig zu gestalten – die Ecken müssen mehr Licht abbekommen, weil sie die Wärme schneller verlieren als der restliche Wafer.

Der Prozess reduziert außerdem den thermischen Stress. Die chemischen Reaktionen, die die Erwärmung startet, lassen sich genauer kontrollieren. Außerdem könnte der Produktionsschritt der Oxidation, der bislang nur von wenigen Solarzellen-Herstellern für besonders teure Module eingesetzt wird, künftig zum vergleichsweise kostengünstigen Standard werden.

Entwickler Sopori meint, dass der NREL-Prozess photonische Effekte besser nutzt als RTP-Öfen. Während die Photonen mit dem Silizium interagieren, können sie schädliche Unreinheiten wie Eisen aus dem Material austreiben. Vorteilhafte Bestandteile wie Bor bleiben dagegen erhalten.

Derzeit arbeiten die Forscher daran, ihren neuen Herstellungsprozess mit konventionellen Verfahren kompatibel zu machen. Erst dann lassen sich die Vorteile des optischen Ofens voll ausnutzen und die 4 Prozent mehr Wirkungsgrad realisieren. NREL arbeitet außerdem an der Skalierung des Verfahrens, so dass eine Maschine mehr als nur einen Wafer gleichzeitig verarbeiten kann – bis zu 2000 wären theoretisch denkbar. Ein solcher Durchsatz ist auch notwendig, damit die Technik mit konventionellen Produktionsstraßen konkurrieren kann. (bsc)