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Panels Photovoltaische Solarenergie

Monokristallines Silizium

Monokristallines Silizium

Monokristallines Silizium ist das Grundmaterial für die Siliziumchips, die in praktisch allen gängigen elektronischen Geräten verwendet werden. Der Anwendungsbereich der Sonnenenergie wird einkristallines Silizium auch Solarzellen produzieren aufgrund ihrer Fähigkeit, absorbieren Strahlung verwendet.

Monokristallines Silizium besteht aus Silizium, in dem das Kristallgitter des gesamten Feststoffs kontinuierlich ist, an seinen Rändern nicht bricht und frei von jeglicher Korngrenze ist. Monokristallinem Silizium kann als einen intrinsischen Halbleiter hergestellt werden, die nur aus hochreinem Silizium besteht, oder kann durch Zugabe von anderen Elementen wie Bor oder Phosphor dotiert werden, um p-Typ oder n-Typ-Silizium zu machen.

Monokristallines Silizium in Solarzellen

Monokristallines Silizium wird auch im Bereich der Solarenergie eingesetzt, speziell für die Herstellung von Hochleistungs-Photovoltaik-Modulen. Da im Vergleich zu Anwendungen in der Mikroelektronik weniger strenge Anforderungen an strukturelle Fehlerstellen gestellt werden, wird Silizium (Si-Si) mit geringer Qualität häufig für photovoltaische Zellen verwendet.

Trotzdem hat die photovoltaische Solarenergie-Industrie für monokristallines Silizium die Entwicklung schnellerer Produktionsverfahren für monokristallines Silizium für die Elektronikindustrie stark verbessert.

Effizienz von monokristallinem Silizium

Monokristallines Silizium weist mit einem registrierten Einzelzellen-Laborwirkungsgrad von 26,7% die höchste bestätigte Umwandlungseffizienz aller kommerziellen Photovoltaik-Technologien auf. Die Wirkungsgrade des Solarmoduls für monokristallines Silizium, die immer niedriger sind als die ihrer entsprechenden Zellen.

Die hohe Effizienz ist größtenteils auf das Fehlen von Rekombinationsstellen im Einkristall und eine bessere Photonenabsorption aufgrund ihrer schwarzen Farbe im Vergleich zu der blauen Farbtoneigenschaft von Polysilizium zurückzuführen. Da sie teurer als ihre polykristallinen Gegenstücke sind, sind Mono-Si-Zellen für Anwendungen nützlich, bei denen Gewichtsbeschränkungen oder verfügbarer Bereich, wie in Raumfahrzeugen oder Satelliten, die durch Solarenergie betrieben werden, die Hauptvorteile sind, wo die Effizienz durch Kombinieren weiter verbessert werden kann andere Technologien wie mehrschichtige Solarzellen.

Herstellung von monokristallinem Silicium

Zusätzlich zu der geringen Produktionsrate gibt es auch Bedenken hinsichtlich des Materialverlustes im Herstellungsprozess. Die Schaffung von platzsparenden Solarmodulen erfordert das Schneiden von kreisförmigen Wafern (ein Produkt von zylindrischen Ingots, die durch den Czochralski-Prozess gebildet wurden) in achteckige Zellen, die zusammen verpackt werden können. Das überschüssige Material wird nicht zur Herstellung von photovoltaischen Zellen verwendet und wird verworfen oder recycelt, um zur Herstellung von Barren zur Fusion zurückzukehren. Obwohl monokristalline Siliziumzellen den Großteil der Photonen innerhalb von 20 μm der Einfallsfläche absorbieren können, bedeuten die Einschränkungen beim Ingotsägen, dass die kommerzielle Dicke des Wafers im Allgemeinen bei etwa 200 μm liegt.

Herstellung von monokristallinem Silicium

Monokristallinem Silizium in der Regel nach einem von mehreren Verfahren erzeugt, welches dem Schmelzen Silicium von Halbleiterqualität mit hohen Reinheit (nur wenige Teile pro Million von Verunreinigungen) und die Verwendung eines Samens der Bildung eines kontinuierlichen Einkristall zu initiieren. Dieser Prozess wird normalerweise in einer inerten Atmosphäre, wie Argon, in einem inerten Tiegel wie Quarz durchgeführt wird, zu verhindern, dass Verunreinigungen, die die Gleichförmigkeit des Kristalls beeinflussen würden.

Das gebräuchlichste Verfahren zur Herstellung von monokristallinem Silizium ist das Czochralski-Verfahren, einen Impfkristall an Stäben mit Präzision in dem geschmolzenen Silizium montiert eintaucht. Dann wird der Stab langsam nach oben gezogen und gedreht, um damit gleichzeitig das gedehnte Material verfestigt sich zu einem zylindrischen einkristallinen Ingots bis zu 2 Meter lang und mit einem Gewicht von mehreren hundert Kilogramm. Magnetische Felder können auch angewendet werden, um die turbulente Strömung zu kontrollieren und zu unterdrücken, was die Gleichmäßigkeit der Kristallisation weiter verbessert.

Andere Verfahren umfassen das Wachstum der schwimmenden Region, Radiofrequenz- einen Stab aus polykristallinem Silicium durch eine Heizwendel verlaufen erzeugt eine lokalisierte geschmolzene Zone, aus dem Ingot Impfkristall wächst, und Techniken Bridgman Sie bewegen den Schmelztiegel durch einen Temperaturgradienten, um ihn vom Ende des Behälters, der den Samen enthält, abzukühlen. Die erstarrten Barren werden zur Weiterverarbeitung zu dünnen Blechen geschnitten.

Verglichen mit dem Formen von polykristallinen Ingots ist die Herstellung von monokristallinem Silizium sehr langsam und teuer. Der Bedarf an monokristallinem Silizium steigt jedoch aufgrund der hervorragenden elektronischen Eigenschaften weiter an - das Fehlen von Korngrenzen ermöglicht einen besseren Fluss der Trägerlast und verhindert die Rekombination von Elektronen, was eine bessere Leistung der integrierten Schaltungen und der Photovoltaik-Energie.

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Geändert am: 3. September 2018