Einbau von O, N und C bei der gerichteten Erstarrrung von multikristallinem Silicium für die Photovoltaik

Die Erzeugung von Photovoltaikstrom erfolgt heutzutage zum Großteil mittels Siliciumsolarzellen. Für deren Fertigung werden Siliciumscheiben „Wafer“ benötigt, die eine möglichst hohe Materialqualität aufweisen, aber in der Herstellung möglichst kostengünstig sind. Einen guten Kompromiss aus diesen Anforderungen stellen multikristalline (mc) Siliciumkristalle dar, die aus der Siliciumschmelze durch das Prinzip der gerichteten Erstarrung gezüchtet werden. Die Qualität der Siliciumwafer wird in großem Maße durch die während der Kristallisation und der Abkühlung auftretenden Wärme- und Stofftransportprozesse beeinflusst. Durch die Wechselwirkung des Siliciumrohstoffs bzw. der Siliciumschmelze mit dem eingesetzten Tiegelmaterial, der Tiegelbeschichtung und der Gasatmosphäre können bei der Herstellung des Siliciumkristalls Materialfehler in Form von SiO2-, Si3N4- und SiC- Ausscheidungen entstehen. Diese können sich problematisch beim anschließenden Sägeprozess auswirken, unerwünschte elektrische Aktivität zeigen sowie zur Ausbildung von Kurzschlussströmen führen und damit die Eigenschaften der Solarzellen verschlechtern. Um das Ziel der Netzparität zu erreichen und um die Lücke im Wirkungsgrad zwischen mono- und multikristallinem Silicium zu schließen, ist es äußerst wichtig, den O, N und C Gehalt zu reduzieren bzw. zu kontrollieren und die mit diesen Elementen verbundene Ausscheidungsbildung (SiO2, Si3N4, SiC) zu vermeiden. In der vorliegenden Arbeit wurde daher untersucht, wie es zur Bildung der schädlichen Fremdphasen kommt und wie sie vermieden werden können. Dazu sollten die Quellen und Senken für die Elemente O, N und C quantitativ identifiziert werden und multikristalline Siliciumblöcke mit einem sehr geringen O-, N- und C-Gehalt hergestellt werden. Die eingebauten Elementkonzentrationen sollten zudem axial und radial homogen sein, ohne dass eine Ausscheidungsbildung im gesamten Blockvolumen stattfindet. Falls die Bildung der Ausscheidungen unvermeidlich ist, sollte diese an Randpositionen im Siliciumblock erfolgen, die in der weiteren Blockbearbeitung standardmäßig sowieso verworfen werden. Damit sollen die wissenschaftlichen Voraussetzungen geschaffen werden, um durch entsprechende verfahrenstechnische Maßnahmen die unerwünschten Ausscheidungen in der industriellen Fertigung von multikristallinen Siliciumkristallen zu vermeiden und damit die Kristallausbeute zu steigern.