In der Photovoltaik dominiert nach wie vor die kristalline Siliziumtechnik den Markt. Hierbei werden aus metallurgischem Silizium in einem energetisch und technisch aufwendigen Prozess sehr reine Siliziumblöcke (Ingots) hergestellt.
Diese werden in Scheiben (Wafer) von circa 180 Mikrometern zersägt, geschliffen, zu Solarzellen prozessiert, elektrisch verschaltet und zu einem Photovoltaikmodul verkapselt. Die Siliziumwafer machen einen Kostenanteil von etwa 40 Prozent am fertigen Solarmodul aus.
Bei der Herstellung der Wafer aus einem Ingot entstehen erhebliche Sägeverluste, die in etwa der Waferdicke entsprechen. Das heißt: Ungefähr die Hälfte des Wafers wird zu Sägestaub zermahlen. Aus physikalischen Gründen wäre eine Waferdicke von circa 20 Mikrometern ausreichend. Das geht in den gängigen Zellfabriken aber noch nicht.
Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt hat deshalb ein Forschungsprojekt bewilligt, um solche superschlanken Wafer zu entwickeln und fertigungsreif zu machen. Die Machbarkeit ist bereits erwiesen: Dabei wurde Solarsilizium auf Glas abgeschieden, nur 20 Mikrometer stark. Die Glasscheiben wurden bei zwei Bar Druck und 600 Grad Celsius mit Aluminium in Kontakt gebracht.
Bei der sich einstellenden Redoxreaktion von Aluminium mit Siliziumoxid wird aus der Glasschicht heraus kristallines Silizium synthetisiert. Zwischen der Siliziumschicht und dem Glas ergibt sich eine für die Prozesssicherung vorteilhafte dünne Schicht mit hoher Konzentration von Aluminium sowie Aluminiumoxid.
Ein Verfahren ohne Abfall
Das Verfahren spart erhebliche Mengen an Energie in der Herstellung der Wafer ein, nach Schätzungen der Forscher rund 87 Prozent. Der Materialaufwand sinkt um 90 Prozent. Das Verfahren ist abfallfrei. Zum Vergleich: Bei den derzeit eingesetzten Verfahren fallen pro Kilogramm Solarsilizium rund 19 Kilogramm Abfallstoffe und Nebenstoffe an.
Im Forschungsprojekt wurden Proben mit einer Fläche von etwa einem Quadratzentimeter auf einfachem Floatglas hergestellt. Dieser neuartige Prozess läuft unterhalb der Schmelztemperatur von Aluminium ab, er wird durch das Zusammenwirken von oxidierten Grenzflächen bestimmt. Das ist ein völlig neuer Ansatz, der die Wafertechnik revolutioniert.
Ein internationales Patent wurde bereits angemeldet und veröffentlicht. Die Untersuchungen belegen sowohl die sehr gute Kristallstruktur der Siliziumschicht als auch deren hohe Reinheit. Nachfolgende Reinigungsverfahren erscheinen nicht notwendig.
Nächste Runde gestartet
Ziel des nun gestarteten Folgeprojektes ist ein robustes Verfahren zur Herstellung von Proben mit einer homogenen Siliziumfläche von zwei mal zwei Quadratzentimetern. Hierzu werden die Prozessabläufe weiter untersucht, um den Aufwand an Aluminium zu reduzieren und das Wachstum der Siliziumkristalle (Epitaxie) zu verbessern.
Mit den optimierten Probenkörpern sollen erste Solarzellen am Helmholtz-Zentrum in Berlin prozessiert werden, um den Wirkungsgrad durch Vergleiche mit der bekannten kristallinen Siliziumdünnschicht nachzuweisen. Abschließend erfolgt die wirtschaftliche Bewertung im Hinblick auf eine großtechnische Herstellung.
Dieses neuerliche Projekt fördert die Deutsche Bundesstiftung Umwelt mit 332.145 Euro. Die Entwicklung erfolgt bei der Sameday Media GmbH in Schneverdingen-Heber bei Lüneburg. Ansprechpartnerin ist die Physikerin Ingrid Schall.
Die neuen Zellen von Sunpower sind größer als sechs Zoll, aber noch immer 180 Mikrometer dick.
Prinzip der Kristallabscheidung auf Glassubstraten mithilfe von Aluminium.