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Ein hellerer Weg zur Herstellung von Solarzellen
Bei der Herstellung von Solarzellen werden Siliziumwafer Temperaturen von über 1.000 °C ausgesetzt. Der Prozess beinhaltet normalerweise den Einsatz von Heizelementen und erfordert viel Energie.
Ein neuer optischer Ofen, der von Forschern des National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado, entwickelt wurde, erhitzt Solarwafer, indem er Licht darauf fokussiert – ein viel effizienterer Prozess, der etwa die Hälfte der Energie eines herkömmlichen Ofens verbraucht. Noch wichtiger ist, dass das neue Design auch Licht verwendet, um bestimmte Verunreinigungen von den Siliziumwafern zu entfernen, ein Schritt, der die Leistungsabgabe der fertigen Zellen verbessern kann.
Die Arbeiten befinden sich noch in einem frühen Stadium – bisher haben die Forscher den Wirkungsgrad der resultierenden Solarzellen nur um einen halben Prozentpunkt verbessert. Aber laut Labortests glauben sie, den Wirkungsgrad um vier Prozentpunkte steigern zu können, von etwa 16 Prozent auf 20 Prozent, was in der Solarindustrie, die sogar um ein halbes Prozent Zuwächse feiert, eine große Sache wäre.
Bei der Herstellung von Solarzellen werden in mehr als einem Schritt hohe Temperaturen benötigt. Öfen werden verwendet, um Dotierstoffe in das Silizium einzuführen, um elektrische Felder innerhalb des Materials zu erzeugen, um elektrische Kontakte herzustellen und um Oberflächen zu oxidieren, um die Effizienz zu verbessern. Der neue Ofen ermöglicht auch eine bessere Kontrolle einiger dieser Prozesse, was die Effizienz einer Solarzelle verbessern kann.
Das Design von NREL ist nicht das einzige, das Licht zur Verarbeitung von Silizium verwendet. Auch in der Mikroelektronikindustrie eingesetzte Schnellwärmebehandlungsöfen nutzen Licht zum Aufheizen von Halbleitern. Die neuen Öfen verwenden jedoch hochreflektierende und hitzebeständige Keramiken, damit das Licht nur von einem Siliziumwafer absorbiert wird, nicht von den Wänden im Inneren des Ofens. Das macht es um ein Vielfaches effizienter, sagt Bhushan Sopori, der für das Ofenprojekt zuständige Forscher am NREL.
Durch die genaue Gestaltung der Form des Ofeninneren können die Forscher genau steuern, wo das Licht gebündelt wird, um eine gleichmäßige Erwärmung der Wafer zu gewährleisten. Es reicht nicht aus, sicherzustellen, dass der Wafer gleichmäßig beleuchtet wird – die Kanten müssen mehr Licht erhalten, da sie schneller Wärme abgeben als der Rest des Wafers.
Der Prozess reduziert die thermische Belastung der Wafer und ermöglicht eine präzise Kontrolle der chemischen Reaktionen, die das Erhitzen ermöglicht. Eine genaue Steuerung der Geschwindigkeiten und des Zeitpunkts der Erwärmung kann auch die elektrischen Kontakte an der Solarzelle verbessern und so deren Effizienz verbessern. Und es macht es praktisch, einen Oxidationsschritt einzuführen. Oxidation wird normalerweise nur von wenigen Herstellern für High-End-Solarzellen verwendet, aber das neue Verfahren würde es billiger machen und somit mehr Herstellern ermöglichen, es zu verwenden.
Sopori sagt, dass NREL Prozesse entwickelt hat, die photonische Effekte besser nutzen als die Schnellwärmebehandlungsöfen. Da Photonen mit dem Silizium wechselwirken, können sie schädliche Verunreinigungen wie Eisen aus dem Material entfernen, während vorteilhafte wie Bor erhalten bleiben, das für die ordnungsgemäße Leistung der Solarzelle benötigt wird.
Die vollständige Effizienzsteigerung von vier Prozentpunkten haben die Forscher noch nicht realisiert, auch weil die neuen Verarbeitungsschritte nicht alle mit anderen Schritten in der konventionellen Fertigung kompatibel sind. Sopori sagt, dass sie daran arbeiten, die anderen Schritte zu modifizieren, um die Vorteile des optischen Ofens voll auszuschöpfen.
NREL arbeitet auch mit Advanced Optical Systems zusammen, um eine Maschine zu entwickeln, die nicht nur einen Wafer gleichzeitig bearbeiten kann, wie bei der Laborversion, sondern bis zu 2.000. Ein derart hoher Durchsatz wird erforderlich sein, wenn die Öfen mit konventionellen, die günstig zu betreiben sind, konkurrieren sollen.