Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP

PERC-Solarzellen aus 100 Prozent recyceltem Silizium

Um das Silizium aus Alt-Moudel weiter nutzen zu können, haben eine Arbeitsgruppe am Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP und das größte deutsche Recyclingunternehmen für PV-Module, die Reiling GmbH & Co. KG, eine Lösung entwickelt.

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Float-Zone-Kristalle
© Fraunhofer CSP
Float-Zone-Kristalle.

Hocheffizienz-Float-Zone-Solarzellen

Die Float-Zone (FZ) Methode erlaubt das Wachstum von Silizium-Kristallen mit hervorragenden Eigenschaften gerade in Hinblick auf die Sauerstoffkonzentration. Im Gegensatz zu anderen Wachstumsmethoden liegt diese hier um mehr als zwei Größenordnungen niedriger. Dadurch sind FZ-Kristalle besonders für den Einsatz in der Leistungselektronik interessant.

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PV-Recycling & Kristallisation

PV-Recycling

Die Rückführung der Wertstoffe von Photovoltaik-Modulen nach Ablauf ihrer Lebensdauer stellt einen wichtigen Faktor der Energiewende und der Ressourcenplanung dar. Am Fraunhofer CSP werden neue Verfahren erprobt, um Wafer- und Zellschrott aufzureinigen, Trennprozesse aufzubauen und insbesondere das Solarsilizium wieder dem Stoffkreislauf zuzuführen. Hierzu stehen spezielle Aufschmelzanlagen zur Verfügung, welche über Induktionsheizung schnelle Aufheiz- und Abkühlprozesse erlauben.

Nasschemische Arbeitsschritte zur Ablösung von Beschichtungen und zur Entfernung metallischer Rückstände sind in der Entwicklung, an neuen Verfahren zur segregationsbasierten Reinigung von Silizium wird gearbeitet. Weitere Möglichkeiten, die angeboten werden, sind die Verwendung von Getterprozessen, das induktive Vakuumschmelzen, Einbringen von Gaslanzen in die Schmelze oder das aktive Durchmischen von Siliziumschmelzen.

Über Spurenanalytik kann die Effizienz der Reinigungsverfahren quantifiziert werden. Für das aufgereinigte Silizium stehen dann die verschiedenen Kristallisationstechnologien zur Weiterverarbeitung zur Verfügung, wie zum Beispiel das Czochralski-Verfahren oder die Blockerstarrung, um das Silizium wieder in den Wertstoffkreislauf zurückzubringen.

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PV-Schrott
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PV-Schrott
  • Rückgewinnung von Silizium, Aluminium, Silber, Kupfer, Zinn, Glas, etc.
  • Entwicklung ökonomischer Recycling-Prozesse

PV-Recycling
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PV-Recycling

End-of-Life Cycle von PV-Modulen: Aufarbeitung von Altmodulen und Rückführung von Wertstoffen in den Stoffkreislauf

Im Rahmen des Projektes sollen 1 Tonne Silizium aufbereitet, 20 kg Silber rückgewonnen und Glas in die Glashütte rückgeführt werden.
Im Fokus stehen dabei neben der sortenreinen Trennung der Wertstoffe und der Aufarbeitung der metallhaltigen Stäube insbesondere die Rückführung der Metalle und des Siliziums als Sekundärrohstoffe für die PV-Produktion anstelle diese wie bisher nur thermisch zu verwerten.

Kristallisationstechnologien

Das Fraunhofer CSP bietet mit der Gruppe »Kristallisationstechnologien« eine Plattform für industrierelevante Kristallisationen mit Anlagengrößen im Produktionsmaßstab. Aktuelle Schwerpunkte unserer Forschungsaktivitäten stellen Fragen zur Senkung der Prozesskosten, Optimierung der Kristalleigenschaften und Prozessvereinfachung durch weitergehende Automatisierung dar.

Durch die Kompetenzen des Fraunhofer CSP und durch die Einbindung in die Struktur des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE steht im Anschluss an die Kristallisation das gesamte Spektrum der Siliziumtechnologie beginnend bei der Materialcharakterisierung, der Kristallbearbeitung, über Wafer- und Zellenfertigung, der Zellenzertifizierung bis hin zur Modulherstellung und -prüfung zur Verfügung.

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  • Testzüchtungen für Siliziumkristalle (mono, multi) zur Klärung materialspezifischer Fragen
  • FuE-Arbeiten zur Prozessführung und Prozessverbesserung
  • Herstellung kundenspezifischer Kristalle

Czochralski

Das Fraunhofer CSP verfügt mit einer EKZ-2700 und zwei EKZ-3500 (jeweils PVA-Tepla) über moderne und leistungsfähige Kristallisationsanlagen zur Herstellung von Einkristallen bis zu 9“ Durchmesser. Die Anlagen sind mit einem optimierten Hot-Zone Design, einem Graphittrichter und einer separat belüftbaren Schleuse ausgestattet, was die Kristallisation mehrerer Kristalle aus einem Tiegel erlaubt. Der Prozess wird weitgehend automatisch gesteuert. Für die Variation von Durchmesser, Neigung im Schulterbereich oder einem verkürzten Endkonus, sind unterschiedliche Rezepte verfügbar. Eine Einrichtung zum Nachchargieren zur Maximierung der Einwaage beziehungsweise für Versuche zu »multi-pulling« steht zur Verfügung, ebenso wie eine aktive Kristallkühlung, wodurch die Wärmeabfuhr während der Kristallisation verbessert wird, was schnellere Kristallisationsraten erlaubt.

Derzeit stehen Fragestellungen wie die Verlängerung der Tiegelstandzeit, Transport von Sauerstoff in den wachsenden Kristall sowie Optimierung des Prozesses im Hinblick auf Zeit- und Energiemanagement im Vordergrund. Des Weiteren werden für Polysilizium-Hersteller Testkristallisationen bearbeitet und Fragestellungen zur Materialgüte, zur resultierenden Widerstandsverteilung, zur Ladungsträgerlebensdauer und letztendlich der daraus entstehenden Solarzellenwirkungsgrade beantwortet.

Float-Zone

Mit der FZ-14 ist das Fraunhofer CSP in der Lage, Float-Zone-Kristalle bis zu einem Durchmesser von 4“ (100 mm) und einer Länge bis 130 cm zu züchten, die neu entwickelte FZ-35 erlaubt Prozesse bis 8“ Durchmesser. Im Fokus der Float-Zone (FZ)-Aktivitäten stehen Materialtests zur Tauglichkeit von Polystäben für die FZ-Anwendung, die Herstellung von Vorratsstäben aus kostengünstigem Solar-Silizium sowie die Verbesserungen der Prozessautomatisierung. Die Vorteile dieser Technologie, wie schnellere Kristallisationsgeschwindigkeit, geringe Sauerstoff- und Kohlenstoffkonzentrationen und Wegfall der Tiegelkosten, bergen ein großes Potenzial für die Anwendung im Photovoltaik-Bereich.

FZ-Kristalle zeigen im Allgemeinen die mit Abstand höchsten Ladungsträgerlebensdauern (> 2-3 ms), woraus die höchsten Zellwirkungsgrade resultieren. Voraussetzungen für eine breitere Anwendung sind ein höherer Automatisierungsgrad des Prozesses sowie die Sicherstellung einer ausreichenden Versorgung mit FZ tauglichem Ausgangsmaterial. Durch die einfache Möglichkeit der Dotierung aus der Gasphase, können sehr homogene Dotierstoffverläufe eingestellt werden. Dies ist ein interessanter und wichtiger Aspekt im Hinblick auf die Kristallisation von n-Typ Silizium.

Vertical Gradient Freeze

Der Multikristallizer VGF-732 ist mit einer G4 Hotzone bestückt, womit Blöcke bis 250 kg hergestellt werden können. Die Anlage verfügt über drei getrennt regelbare Heizzonen, wodurch eine sehr flexible Temperatursteuerung realisiert werden kann, was vorteilhaft ist für die Quasimonokristallisation und auch die Kristallisation von HighPerformance Multimaterial. Der Multikristallizer dient in erster Linie zur Bearbeitung konkreter FuE-Projekte zur Prozessoptimierung (Temperaturführung, Kohlenstoffreduktion durch Optimierung des Gasflusses und der Gasführung). Numerische Simulationen auf Basis von CGSim erlauben eine flexible Prozessoptimierung und ein verbessertes Verständnis der Konvektionsvorgänge und der Wärmeflüsse. Weitere Schwerpunkte sind die Entwicklung neuer Methoden der Phasengrenzdetektion und der In-situ Messung der Kristallisationsgeschwindigkeit. Für kleinere Materialmengen steht am Fraunhofer ISE in Freiburg eine G1/G2-Anlage, inklusive einer Tiegelbeschichtungsanlage, zur Verfügung. Damit sind Kristallisationen mit Füllmengen im Bereich von 20 bis 80 kg möglich.

  • Czochralski EKZ-2700: Einkristalle ≤9“ (Länge: 70 cm); p-Typ / n-Typ Material; Restgasanalyse; Nachchargierung (optional)
  • 2x Czochralski EKZ-3500: Einkristalle ≤12“ (Länge: 200 cm); aktive Kristallkühlung
  • Dünnstabziehanlage (DZA 3000)
  • FZ-14: Einkristalle 4“ (Länge: 130 cm)
  • FZ-35: Einkristalle bis 8“; p-Typ, n-Typ
  • VGF-732: G4 Hot-Zone (250 kg); Restgasanalyse (MKS); In-situ Messung der Kristallisationsrate
  • Vakuum-Induktionsschmelzanlage (Steremat)
  • Mechanische Kristallbearbeitung: Ingot-Shaper IS-160 MK-II
  • Hochauflösende Optik zur Phasengrenzbeobachtung
  • GD-MS (ThermoScientific): Analyse von Restverunreinigungen im ppb Bereich; gepulste Quelle für erhöhte Ortsauflösung
  • LPS / PL: Lateral photovoltage scanning mit integrierter Photolumineszenz

 

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Kristallisation von Float-Zone-Material

Mit der Etablierung von PERC-Zellstrukturen und n-Typ-Mono-Si-Materialien in der Silizium-Photovoltaik ist auch eine Umstellung bestehender Produktionslinien auf neue Fertigungsverfahren zu beobachten. Mit den bei der Entwicklung materialkompatibler Kristallisations- und Sägeprozesse einhergehenden Fragen beschäftigt sich das Projekt „Kostenoptimierte Hocheffizienz-Solarzellen aus sauerstoffarmen n-Typ-Mono-Silizium für die industrielle Massenfertigung“ (KosmoS).

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Herstellung monokristalliner P- und N-Typ Ingots

Die Czochralski-Technik stellt derzeit das Standardverfahren für die Herstellung monokristalliner Ingots dar. Aktuelle Herausforderungen liegen in der Bereitstellung von n-Typ Material mit möglichst geringer Variation des Widerstands, als Basis für hocheffiziente Zellkonzepte. Im Labor für Kristallisationstechnologie untersuchen wir das Einbauverhalten verschiedener Dotierstoffe und testen unterschiedliche Möglichkeiten, den axialen Widerstandsverlauf zu beeinflussen.  

 

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Hocheffizienz-Float-Zone-Solarzellen

Die Float-Zone (FZ) Methode erlaubt das Wachstum von Silizium-Kristallen mit hervorragenden Eigenschaften gerade in Hinblick auf die Sauerstoffkonzentration. Im Gegensatz zu anderen Wachstumsmethoden liegt diese hier um mehr als zwei Größenordnungen niedriger. Dadurch sind FZ-Kristalle besonders für den Einsatz in der Leistungselektronik interessant.

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