Entwicklung eines Analyseverfahrens zur schnellen Charakterisierung von kostengünstigem "Solar-Grade" Silicium für die Photovoltaik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das übergeordnete Ziel des Projekts war die Weiterentwicklung von Verfahren zur kostengünstigen Herstellung von multikristallinem Silicium für Solarzellen mit möglichst hohen Wirkungsgraden. Der Wirkungsgrad hängt wesentlich vom Reinheitsgrad des verwendeten Siliciums ab. Bei der Reinigung des Ausgangsmaterials gilt es, ein Optimum zwischen Aufwand und den damit verbundenen Kosten einerseits und dem erzielten Wirkungsgrad andererseits zu erreichen. In diesem Projekt wurde die Kristallisation nach der Methode der gerichteten Erstarrung von Silicium-Schmelzen aus kostengünstigem Rohsilicium für die Herstellung von Solarzellen untersucht. Dabei wird das Ausgangsmaterial aufgeschmolzen und anschließend von unten nach oben auskristallisiert. Auf Grund des Verteilungskoeffizienten reichern sich Verunreinigungen in der Schmelze an. In einer Reihe von Kristallisationsexperimenten wurde der Einfluss des Ausgangsmaterials, des Tiegelmaterials, der Dotierung und der Kristallisationsparameter auf die Eigenschaften des hergestellten Siliciums bestimmt. Dabei standen die Dotierstoffe Bor und Phosphor sowie die für p-typ und n-typ Silicium wichtigen Verunreinigungen Eisen und Chrom im Fokus. Mit Kobalt wurde ein gut nachweisbares Element untersucht, welches für das bei der Tiegelbeschichtung eingesetzte Siliciumnitridmaterial charakteristisch ist. Eine umfassende Analyse der Verteilung von Verunreinigungen und Dotierstoffen konnte mit 3 Varianten der Neutronenaktivierungsanalyse erreicht werden. Die vertikalen und horizontalen Verteilungen der Verunreinigungen (Fe, Cr, Co) wurden mit der konventionellen Instrumentellen Neutronenaktivierungsanalyse (INAA) in Verbindung mit Gammaspektroskopie bestimmt. Zur Bestimmung von Bor, das zur p-Dotierung von Silicium verwendet wird, sowie Wasserstoff im Ausgangsmaterial, Bor in Tiegel und Beschichtungsmaterialien, sowie die Borverteilungen in den kristallisierten Blöcken wurde die Prompt Gamma Aktivierungsanalyse (PGAA) eingesetzt. Die Bestimmung von Phosphor im Konzentrationsbereich unter 0,1 µg/g mit der INAA in Verbindung mit Betaspektroskopie konnte im Rahmen des Projekts erstmalig erfolgreich demonstriert werden. Möglich wurde dies durch den Aufbau einer Beta-Gamma Antikoinzidenzapparatur, durch die Störungen des Betaspektrums von Phosphor durch andere Nuklide in den Proben unterdrückt werden. Diese Methode ist auch für Anwendungen in der Elektronik auf Siliciumbasis von Interesse. Die Verteilung der Verunreinigungen in horizontaler Richtung werden bestimmt durch Eindiffusion aus dem Tiegelsystem. In vertikaler Richtung wird die Abreicherung der Verunreinigung durch Segregation überlagert durch Eindiffusion vom Tiegelboden und Rückdiffusion aus der stark verunreinigten Blockkappe. Dazu konnten Simulationsrechnungen auf Grundlage dieser Prozesse entwickelt werden, die die gemessenen Verteilungen gut wiedergeben. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass durch Zugabe von Aluminium kurz vor dem Ende der Erstarrung des Blocks die Rückdiffusion unterdrückt werden kann. Dieses sogenannte Aluminium-Gettern ist in zweierlei Hinsicht von Interesse. Zum einen wird hierdurch der nutzbare Bereich des Kristallblocks vergrößert, zum anderen kann die Anreicherung der Verunreinigungen in der Blockkappe zur schnellen Bewertung des verwendeten Materials genutzt werden. Im Rahmen einer ausführlichen Qualitätssicherung der Analytik konnte gezeigt werden, dass die aus dem Kristallblock gesägten Proben nach der Bestrahlung bis zu einer Tiefe von 60 µm durch die Säge verunreinigt sein können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Characterization of silicon for photovoltaic applications with INAA and PGAA. NRC8, Como (2012)
N. Wiehl, G. Hampel, J. V. Kratz, T. Schmitz, C. Stieghorst, F. Koenn, U. W. Scherer, J. Hampel, F. Boldt, S. Reber, S. Riepe, K. Appelman, R. Moss
- Charakterisierung von multikristallinem Silicium für Solarzellen mittels INAA und PGAA. GDCh Wissenschaftsforum, Darmstadt (2013)
C. Stieghorst, H. Gerstenberg, B. Karches, P. Kudejova, K. Mewes, C. Plonka-Spehr, B. Ponsard, S. Reber, S. Riepe, N. Wiehl, G. Hampel
- Characterization of multicrystalline silicon for photovoltaics by methods of neutron activation analysis. 17th Radiochemistry Conference, Marianske Lazne (2014)
B. Karches, H. Gerstenberg, G. Hampel, P. Krenckel, P. Kudejova, B. Ponsard, S. Riepe, C. Stieghorst, N. Wiehl, C. Plonka-Spehr
- Defect analysis for impurity control in multicrystalline n-type silicon growth. E-MRS, Lille (2014)
P. Krenckel, F. Schindler, B. Karches, C. Stieghorst, N. Wiehl, G. Hampel, C. Plonka-Spehr, B. Ponsard, H. Gerstenberg, P. Kudejova, S. Riepe
- Characterization of multicrystalline solar silicon with different applications of neutron activation methods. MTAA 14, Delft (2015)
B. Karches, C. Stieghorst , K. Welter, H. Gerstenberg, P. Krenckel , P. Kudejova, B. Ponsard, T. Reich, S. Riepe, J. Schön, N. Wiehl, C. Plonka
- Determination of phosphorus in n-type silicon by INAA with a beta-gamma anti-coincidence system. MTAA 14, Delft (2015). Poster Preis der MTAA 14
N. Wiehl, K. Welter, B. Karches, T. Reich, P. Krenckel, S. Riepe, H. Gerstenberg, C. Plonka
- Activation analysis methods - an analytical toolkit for silicon solar cell developments. NRC9, Helsinki (2016)
B. Karches, C. Stieghorst, K. Welter, H. Gerstenberg, G. Hampel, J.V. Kratz, P. Krenckel, P. Kudejova, C. Plonka, B. Ponsard, T. Reich, S. Riepe, J. Schön, N. Wiehl
