Einfluss von Korngrenzen auf die Festigkeit von multikristallinen Siliziumwafern

© Foto Fraunhofer CSP

Abbilding 1: Bruchzähigkeiten im Umfeld einer Korngrenze, die sich zwischen zwei zueinander stark asymmetrisch orientierten Kristalliten befindet (a); Beispielhafter Mikroeindruck direkt auf eine Korngrenze (b).

Multikristalline Siliziumwafer stellen mit einem Marktanteil von nahezu 66% den größten Anteil in der Herstellung kristalliner Siliziumsolarzellen dar. Sie sind in der Herstellung zwar günstiger als monokristalline Wafer, tendieren jedoch auch zu niedrigeren Festigkeitskennwerten. Die reduzierte Festigkeit, welche maßgeblich durch oberflächlich in Wafer eingebrachte Risse beeinflusst wird, führt zu einem früheren Versagen bzw. höheren Bruchraten und somit zu einer geringeren ökonomischen Effizienz in der Solarzellenherstellung.

Korngrenzen stehen im Verdacht, für diesen Effekt verantwortlich zu sein, da sie zur Gruppe der Kristallgitterdefekte gehören und somit als potenzielle mechanische Schwachstellen zu werten sind. Forscher am Fraunhofer CSP haben nun den mechanischen Einfluss von Korngrenzen experimentell mit Hilfe der instrumentierten Mikroeindringprüfung untersucht. Die Untersuchung konzentrierte sich dabei gezielt auf Rissstrukturen, die typischerweise auch bei der Waferherstellung mittels Drahtsägetechnik entstehen. Auf Grundlage von mehr als 280 Mikroeindrücken in verschiedenen Regionen (direkt auf, in unmittelbarer Nähe und weit entfernt von Korngrenzen, s. Abb. 1a) konnte gezeigt werden, dass weder energetisch günstige symmetrische Zwillingskorngrenzen noch Korngrenzen zwischen zueinander stark asymmetrisch orientierten Kristalliten einen Einfluss auf das Risswachstum in multikristallinen Wafern besitzen. Selbst bei Rissen, die durch Mikroeindrücke direkt in Korngrenzen erzeugt wurden, konnte ein von der jeweiligen Korngrenze unabhängiges Risswachstum neben, parallel oder durch die Korngrenze hindurch beobachtet werden (s. Abb. 1b).

Es sind vielmehr die anisotropen mechanischen Eigenschaften und die zu erwartenden unterschiedlichen Rissverteilungen innerhalb des multikristallinen Gefüges selbst, welche die Festigkeit signifikant beeinflussen. Die Ergebnisse liefern somit einen weiteren wichtigen Beitrag hinsichtlich der Entwicklung eines tiefgehenden mechanischen Verständnisses von immer dünner werdenden multikristallinen Siliziumwafern.