Monokristallines Silizium ist das Grundmaterial für Siliziumchips, die heutzutage in praktisch allen elektronischen Geräten verwendet werden. Auf dem Gebiet der Sonnenenergie wird monokristallines Silizium aufgrund seiner Fähigkeit, Strahlung zu absorbieren, auch zur Herstellung von Photovoltaikzellen verwendet.
Monokristallines Silizium besteht aus Silizium, in dem das Kristallgitter des gesamten Feststoffs kontinuierlich ist. Diese Kristallstruktur bricht an ihren Rändern nicht und ist frei von Korngrenzen.
Monokristallines Silizium kann hergestellt werden als:
Ein intrinsischer Halbleiter, der nur aus sehr reinem Silizium besteht
Es kann auch durch Zugabe anderer Elemente wie Bor oder Phosphor dotiert werden.
Monokristallines Silizium in Sonnenkollektoren
Monokristallines Silizium wird zur Herstellung von Hochleistungs-Photovoltaikmodulen verwendet.
Die Qualitätsanforderungen an monokristalline Solarmodule sind nicht sehr hoch. Bei diesem Plattentyp sind die Anforderungen an strukturelle Mängel im Vergleich zu mikroelektronischen Anwendungen weniger hoch. Aus diesem Grund wird Silizium mit der niedrigsten Qualität verwendet.
Trotzdem hat sich die monokristalline Photovoltaik-Solarenergieindustrie erheblich verbessert.
Wie werden monokristalline Silizium-Solarmodule hergestellt?
Neben der geringen Produktionsrate gibt es auch Bedenken hinsichtlich Materialverschwendung im Herstellungsprozess.
Um platzsparende Solarmodule herzustellen, müssen die kreisförmigen Wafer in achteckige Zellen geschnitten werden, die zusammengepackt werden können. Kreisförmige Wafer sind ein Produkt von Zylinderblöcken, die durch das Czochralski-Verfahren gebildet werden.
Das überschüssige Material wird nicht zur Herstellung von Photovoltaikzellen verwendet und wird verworfen oder zur Herstellung von Barren zum Schmelzen zurückgeführt.
Monokristalline Siliziumzellen können die meisten Photonen innerhalb von 20 μm der einfallenden Oberfläche absorbieren. Einschränkungen beim Blocksägen bedeuten jedoch, dass die kommerzielle Waferdicke im Allgemeinen etwa 200 um beträgt.
Was ist die Effizienz von monokristallinem Silizium?
Diese Art von Silizium hat einen aufgezeichneten Einzelzellenlaboreffizienz von 26,7%. Dies bedeutet, dass es die höchste bestätigte Umwandlungseffizienz aller kommerziellen PV-Technologien aufweist.
Der hohe Wirkungsgrad wird zugeschrieben auf:
Fehlende Rekombinationsstellen im Einkristall
Bessere Absorption von Photonen aufgrund ihrer schwarzen Farbe im Vergleich zum charakteristischen blauen Farbton von Polysilicium.
Monokristalline Zellen sind teurer als polykristalline Zellen. Aus diesem Grund sind Mono-Si-Zellen für Anwendungen nützlich, bei denen die Hauptüberlegungen Gewichtsbeschränkungen oder verfügbare Flächen sind.
Diese Art von Panel wird beispielsweise in Raumfahrzeugen oder Satelliten verwendet, die mit Sonnenenergie betrieben werden. In diesen Fällen kann darüber hinaus die Effizienz weiter verbessert werden, indem andere Technologien wie mehrschichtige Solarzellen kombiniert werden.
Wie entsteht monokristallines Silizium?
Monokristallines Silizium wird im Allgemeinen durch eines von mehreren Verfahren hergestellt, bei denen hochreines Silizium mit Halbleiterqualität geschmolzen und ein Keim verwendet wird, um die Bildung eines kontinuierlichen Einkristalls zu initiieren.
Dieser Prozess findet normalerweise in einer inerten Atmosphäre wie Argon und in einem inerten Tiegel wie Quarz statt. Auf diese Weise werden Verunreinigungen vermieden, die die Gleichmäßigkeit des Kristalls beeinträchtigen würden.
Im Vergleich zum polykristallinen Blockguss ist die Herstellung von monokristallinem Silizium sehr langsam und teuer. Die Nachfrage nach monokristallinem Silizium steigt jedoch aufgrund der überlegenen elektronischen Eigenschaften weiter an.
Was ist der Czochralski-Prozess?
Die gebräuchlichste Herstellungsmethode für monokristallines Silizium ist das Czochralski-Verfahren. Dieser Prozess besteht aus dem Eintauchen eines Präzisionsstab-Impfkristalls in geschmolzenes Silizium.
Die Stange wird dann langsam hochgezogen und gleichzeitig gedreht. Dadurch kann sich das gestreckte Material zu einem monokristallinen zylindrischen Block mit einer Länge von bis zu 2 Metern und einem Gewicht von mehreren hundert Kilogramm verfestigen.
Magnetfelder können auch angelegt werden, um turbulente Strömungen zu steuern und zu unterdrücken, wodurch die Gleichmäßigkeit der Kristallisation weiter verbessert wird.
Welche anderen Herstellungsmethoden gibt es?
Andere Methoden sind:
Das Wachstum der Schwimmzone, die einen polykristallinen Siliziumstab durch eine Hochfrequenzheizspule führt. Diese Spule erzeugt eine lokalisierte geschmolzene Zone, aus der ein Impfkristallbarren wächst.
Bridgmans Techniken bewegen den Tiegel durch einen Temperaturgradienten, um ihn vom Ende des Behälters mit dem Samen abzukühlen. Die erstarrten Barren werden zur weiteren Verarbeitung in dünne Bleche geschnitten.
