Technologie

Vom Polysilizium über die Ingotherstellung bis zum Wafer – wir bieten unseren Kunden die komplette Technologie aus einer Hand. Erfahrene Experten garantieren dabei umfassendes Prozess-Know-how. Unsere bewährte Technologie und effiziente Prozesse sichern nicht nur die Qualität und den hohen Reinheitsgrad des Siliziums, sondern ebenso die vorab garantierte Produktionskapazität. Und: Unsere Technologien tragen zu einem sparsamen Umgang mit Ressourcen bei – zum Beispiel durch den niedrigen Energieverbrauch der Anlagen oder durch die Rückgewinnung von Prozessgasen – und leisten so einen wichtigen Beitrag zur Kostenreduktion und zum Umweltschutz.

Zur Siliziumproduktion setzen wir auf eigens entwickelte CVD-Reaktoren (Chemical Vapor Deposition) nach dem Siemens-Verfahren. Sie zeichnen sich durch einen niedrigen Energieverbrauch aus und erzielen neben hoher Produktionskapazität einen herausragenden Reinheitsgrad des Endprodukts. Die ebenfalls von uns entwickelten STC-TCS-Konverter wandeln das im CVD-Prozess entstehende Siliziumtetrachlorid in Trichlorsilan um, welches dann wieder dem Prozess zugeführt wird. Hierdurch werden die Kosten der Siliziumproduktion deutlich gesenkt. Reaktoren und Konverter müssen besonderen Belastungen – hohem Druck und extremen Temperaturen – standhalten. Das in den Konzern integrierte Tochterunternehmen Glatt liefert hierzu die Spezialtechnik im Druckbehälterbau.

Abgasrückgewinnungsanlagen (Vent-Gas-Recovery-Anlagen) zerlegen in einem chemischen Prozess das in der Siliziumproduktion entstehende Gasgemisch in seine einzelnen Komponenten, um diese dann wieder in die Produktion zurückzuführen. Dadurch werden die Produktions- und Energiekosten erheblich gesenkt und zugleich die Umwelt geschont.

Silizium ist der wesentliche Grundstoff für die Fertigung von Solarzellen und Halbleitern. Es kommt in der Natur u. a. in Form von Quarz (Siliziumdioxid, SiO₂) häufig vor. Um diese SiO₂-Vorräte für die Solar- oder Halbleiterindustrie nutzbar zu machen, muss das Silizium (Si) vom Sauerstoff (O₂) sowie von verunreinigenden Stoffen getrennt werden. Im Vergleich zu dem in der Halbleiterindustrie geforderten Reinheitsgrad sind die Anforderungen der Photovoltaikindustrie an die Reinheit des verwendeten Siliziums („Solarsilizium“) geringer.

Zur Gewinnung von Solarsilizium wird in der Industrie derzeit überwiegend das so genannte „Siemens-Verfahren“ angewandt. Daneben wird in jüngster Zeit auch das noch in Entwicklung befindliche metallurgische Reinigungsverfahren industriell erprobt. Bislang bietet centrotherm photovoltaics seine Dienstleistungen sowie Produktionsanlagen für die Siliziumfertigung nur auf der Grundlage des etablierten Siemens-Verfahrens an – geplant ist aber das Leistungsportfolio für Anlagen mit metallurgischen Reinigungsverfahren entsprechend zu erweitern.

Sowohl für die Halbleiter- als auch für die Solarzellenindustrie wird zur Gewinnung von Silizium überwiegend das Siemens-Verfahren angewandt, bei dem Siliziumdioxid zunächst mit Kohlenstoff im Reduktionsofen bei Temperaturen um 2.000 °C zusammengeführt wird. Dabei findet die chemische Reduktion des Siliziumdioxids zu metallurgischem Silizium statt, das bei ausgewähltem Quarzsand eine Reinheit von bis zu 98 Prozent erreichen kann. In einem zweiten Schritt wird das metallurgische Silizium weiter aufbereitet, indem es bei Temperaturen zwischen 300 und 350 °C mit gasförmigem Chlorwasserstoff (HCl) zu Trichlorsilan (HSiCl₃) umgewandelt wird. Nach mehreren Destillationsschritten wird das Trichlorsilan unter Zufuhr von Wasserstoff (H₂) bei etwa 1.100 bis 1.200 °C im so genannten „CVD-Reaktor“ thermisch in Silizium und Chlorwasserstoff zersetzt. Das Silizium scheidet sich dabei auf eingebrachte Reinstsiliziumstäbe ab.

Als weiteres Reaktionsnebenprodukt fällt Siliziumtetrachlorid (SiCl₄) an, das zu Trichlorsilan konvertiert und in den Prozess zurückgeführt wird. Alternativ kann das Siliziumtetrachlorid unter Zuführung von Sauerstoff zu Kieselsäure verbrannt werden, die dann u. a. in der Pharmazie, Verpackungsindustrie, Glasfaserindustrie sowie bei der Farb- und Lackherstellung Verwendung findet. Einen entsprechenden Siliziumtetrachlorid-Trichlorsilan-Konverter hat centrotherm photovoltaics entwickelt.

Der derzeitige Stand der Technik erlaubt noch keine komplette Zersetzung des gasförmigen  Trichlorsilan im CVD-Reaktor. Jedoch kann das verbleibende Trichlorsilan in einem Konverter ein weiteres Mal aufbereitet und zur Gewinnung von Silizium erneut in den CVD-Reaktor eingeleitet werden, so dass sich die Ausbeute erhöht.

Eine Alternative zu diesem Verfahren ist die Verwendung von Monosilan (SiH₄), das aus den zuvorgenannten Elementen gewonnen wird: Monosilan zerfällt nach einem Reinigungsschritt an beheizten Oberflächen oder beim Durchleiten durch Wirbelschichtreaktoren und scheidet dabei Silizium ab.

Das in beiden Verfahren gewonnene Silizium weist einen Reinheitsgrad von 8 N bis 9 N (bis 99,9999999 Prozent) auf und ist damit für die Verwendung in Solarzellen geeignet.

Aus dem CVD-Reaktor werden Abgase emitiert. Unsere Trichlorsilan-Rückgewinnungsanlage wandelt diese Abgase wieder in brauchbare Prozessgase um. So kann das Trichlorsilan in einem geschlossenen Kreislauf wieder der Siliziumproduktion zugeführt werden. Durch die Wiederverwendung des Gases können die hohen Produktions- und Energiekosten für die Herstellung von Trichlorsilan gesenkt werden.

Für die Fertigung von Solarzellen müssen aus dem gewonnenen Solarsilizium dünne Scheiben hergestellt werden. Dies geschieht, indem das Solarsilizium zunächst zu Ingots – Siliziumblöcke oder -säulen aus mono- oder multikristallinem Silizium – kristallisiert und diese später zu Wafern zersägt werden. Zur Herstellung monokristalliner Ingots wird überwiegend das so genannte „Czochralski-Verfahren“ eingesetzt. Dabei kristallisiert geschmolzenes Solarsilizium an einem so genannten Impfkristall: Dieser ist an einem langsam rotierenden Metallstab befestigt und wird aus einer Siliziumschmelze gezogen. Um multikristalline Ingots herzustellen, wird geschmolzenes Solarsilizium in einer Form langsam abgekühlt, wobei sich die multikristalline Struktur des Siliziumblocks bildet. Bei beiden Verfahren wird dem geschmolzenen Solarsilizium in der Regel Bor zugesetzt, das u.a. die elektrische Leitfähigkeit des Kristalls erhöht. centrotherm photovoltaics hingegen setzt ein weiteres Verfahren ein, das auf dem Prinzip der gerichteten Erstarrung beruht und hat dafür eigens einen Kristallisationsofen entwickelt.

Die Ingots werden im Anschluss mit Drahtsägen unter Zugabe einer Sägesuspension zu dünnen Siliziumplatten, den so genannten „Wafern“, zersägt und anschließend gereinigt. Dabei kommt ein Slurry-Management-System zum Einsatz, das den Sägeprozess optimiert.