Weiterentwicklung einer Durchlauf – Epitaxieanlage und Implementierung einer turbulenten Gasführung

Um die Energieversorgung bei knapper werdenden Rohstoffen für die Zukunft zu sichern und gleichzeitig den Ausstoß an CO2 zu verringern, hat Deutschland im Jahr 2000 das Erneuerbare-Energien-Gesetzt eingeführt. Die Photovoltaik (PV) nimmt dabei eine wichtige Rolle ein, da ihr Potential das mit Abstand größte unter den erneuerbaren Energiequellen ist. Um dieses Potential zu nutzen wurden hohe Investitionen in die Grundlagenforschung und in die Entwicklung von PV-Industrietechnik getätigt. Auf diese Weise konnten seit dem Jahr 2000 die Kosten für PV-Strom auf deutschen Hausdächern von ca. 50 ct/kWh auf 11 ct/kWh gesenkt werden. Zur Realisierung dieses Fortschrittes wurden im Wesentlichen zwei Strategien verfolgt. Erstens, die Entwicklung von amorphen Dünnschichttechniken, welche sich durch einen extrem niedrigen Preis, aber auch durch einen geringeren Wirkungsgrad auszeichnen. Zweitens, die Entwicklung von möglichst reinen, kristallinen Siliziumwafern, welche zwar teuer sind, aber einen hohen Wirkungsgrad erreichen.

Um die Vorteile der Dünnschichttechnik mit denen von kristallinen Siliziumwafern zu kombinieren, wird die ConCVD (Continuous Chemical-Vapor-Deposition) entwickelt, welche ein Bindeglied zwischen Laboranlage und Industrieanlage darstellt. Um diese Anlage weiterzuentwickeln, musste zunächst die Sicherheit und Zuverlässigkeit erhöht werden. Dazu wurden der Antriebsstrang, die Sensorik, die Wärmeisolation und die Materialeingenschaften des inneren Aufbaus optimiert. Nach diesem klassischen Anlagenbau, musste die Qualität der aufgewachsenen Schichten so weit erhöht werden, dass der Wirkungsgrad mit dem von standart Wafern konkurrieren kann. Hierzu wurde ein Grundlagenmodell entwickelt, welches die Gaszusammensetzung am Ort der Abscheidung und die daraus resultierende Kristallqualität vorhersagen kann. Dieser entscheidende Arbeitsschritt erforderte neben Halbleitercharakterisierung und Prozessoptimierung auch Kristallisationstheorie und Strömungssimulation.

Durch das Zusammenspiel von Themengebieten aus der Ingenieurtechnik und der Grundlagenforschung, konnte die Leistungsfähigkeit der ConCVD deutlich gesteigert werden. Zum einen wurden die Schichthomogenität, die Abscheiderate und die Anlagenstabilität auf ein industrielles Niveau gehoben. Zum anderen konnte die Kristallqualität auf das Niveau von Laboranlagen gesteigert werden, was zu einem Anstieg des Solarzellenwirkungsgrades von 5,1% auf 14,1% führte.