Berliner Kristallzüchter veredeln Siliziumstrukturen Wissenschaftler des Berliner Instituts für Kristallzüchtung IKZ
www.ikz-berlin.de arbeiten daran, Solarzellen günstiger als bisher herstellen zu können. Dazu ist es nötig, Silizium so zu veredeln, dass der Wirkungsgrad der Solarzellen wesentlich erhöht werden kann, berichtet der Forschungsverbund Berlin.
Das Halbleitermaterial Silizium ist der wichtigste Baustoff für die Elektronik ebenso wie für Solarzellen. Seine chemischen und physikalischen Eigenschaften führen dazu, dass eindringendes Licht, so genannte Ladungsträgerpaare, negative Elektronen und positive "Löcher" erzeugt. Die Sonnenstrahlen werden in elektrische Energie umgewandelt. "Silizium-Solarzellen als Massenprodukt haben einen typischen Wirkungsgrad von 14 bis 16 Prozent", erklärt IKZ-Forscher Helge Riemann, der ein Experte für Silizium ist. Die meisten Solarzellen aus Silizium sind polykristallin, das heißt, dass sie aus vielen Kristallen bestehen. Um die Wirkung zu vergrößern, muss allerdings die Kristallstruktur perfektioniert werden. "Wirkungsgrade von 23 bis 24 Prozent, also eine Steigerung um 50 Prozent, erfordern eine fast perfekte Kristallstruktur", so Riemann. Solche "Einkristalle" sind hoch rein und bieten mehr Ausbeute, kosten aber wesentlich mehr als herkömmliches Solar-Silizium.
Riemann und seine Forscherkollegen arbeiten daran, kostengünstigere Solarzellen zu ermöglichen. Dabei verfolgen sie mehrere Ansätze: Zum einen arbeiten die Wissenschaftler daran, blockförmiges Silizium herzustellen. Bisher sind die meisten gezüchteten Kristalle, egal ob poly- oder einkristallin, rund. "Der Durchmesser hoch reiner Kristalle beträgt maximal 200 Millimeter", so Riemann. Aus diesen "Kristallstäben" können runde Scheiben gesägt werden, so genannte Wafer. Das Problem dabei ist, dass diese Wafer große Solar-Panels ausfüllen müssen und in eine eckige Form geschnitten werden. Dabei fällt viel Abfall an. Besser wäre es, gleich viereckige Wafer aus Silizium zu erzeugen. Geschmolzenes Silizium einfach in eine rechteckige Form zu gießen, funktioniere aber nicht gut. Silizium ist nämlich extrem reaktionsfreudig und verbindet sich mit nahezu allen bekannten Materialien. "Will man den gegossenen Block lösen, zerbricht entweder die Form oder der Block. Meistens beides", umschreibt der Forscher die Probleme. Daher wählen die IKZ-Experten einen anderen Weg. Sie versuchen, ohne Gussform Blöcke herzustellen. Eine bekannte berührungsfreie Methode heißt Floating-Zone-Verfahren (FZ-Verfahren) und ist Standard für runde Kristalle.
Ein zweiter Ansatz ist es, FZ-Einkristalle billiger als bisher herzustellen. In Zusammenarbeit mit einer dänischen Firma arbeitet das IKZ daran, aus quasi minderwertigem Rohmaterial vergleichsweise reine Kristalle zu ziehen. Zugleich untersuchen Riemann und Kollegen, ob man den Herstellungsprozess dabei beschleunigen kann. Eine höhere Geschwindigkeit bei der Kristallerzeugung führt zwar meist zu mehr Strukturdefekten, doch gewisse Abstriche sind hinnehmbar. Ziel des Kooperationsprojekts ist es, die photovoltaische Qualität zu steigern und das Wachstum zu beschleunigen. "Bisher wurden lediglich Teststrukturen erzeugt, aber in einer groben Abschätzung kann man von Wirkungsgraden über 20 Prozent ausgehen", so Riemann. Ein weiteres Projekt am IKZ beschäftigt sich mit der Veredelung von billigem "metallurgischem" Silizium. "Nach ersten Erfahrungen sind Einkristalle da nicht ausgeschlossen", führt der Experte aus. Dies wäre dann ein riesiger Sprung im Qualitäts-Kostenverhältnis.