Polysilizium

Polysiliziun ist Silizium, das auf hohe Reinheit veredelt wird, typischerweise 99,9999% (sechs Neunen) oder besser, und dann zu einem polykristallinen Barren erstarrt. Es unterscheidet sich von Einkristallsilizium (Monokristallin) dadurch, dass es viele kleine Kristallkörner mit zufälligen Orientierungen enthält, anstatt ein durchgehendes Gitter zu bilden. Das Material ist der grundlegende Rohstoff für nahezu alle Solarzellen und den meisten Halbleiterfertigungen, wo chemische Reinheit und kontrollierte Kornstruktur wichtiger sind als eine perfekte atomare Ausrichtung.

Die Herstellung beginnt mit metallurgischem Silizium, das nur 98% rein ist und für die Elektronik ungeeignet. Hersteller verwenden entweder das Siemens-Verfahren oder die Wirbelschicht-Reaktor-Methode (FBR). Das Siemens-Verfahren reduziert Siliziumtetrachlorid mit Wasserstoff bei hoher Temperatur und scheidet hochreines Silizium auf beheizten Filamenten ab; FBR suspendiert feine Siliziumpartikel in einem Reaktantgasstrom und baut die Ladung in einem Fluidsystem auf. Beide Methoden liefern einen Siliziumkern, der dann geschmolzen, in Barren gegossen und abgekühlt wird. Der resultierende Barren zeigt unter Licht sichtbare Korngrenzen und bricht leichter entlang dieser Ebenen als Einkristall-Wafer.

Für Solaranwendungen wird Polysiliziun geschmolzen und in quadratische oder nahezu quadratische Barren gegossen, dann in Wafer geschnitten. Die Korngrenzen streuen Licht und fangen Ladungsträger ein, was die Zelleneffizienz gegenüber monokristallinen Konkurrenten in standardisierten Labortests um 2 bis 4 Prozentpunkte reduziert. Niedrigere Kosten pro Watt haben Polysiliziun-Solarzellen jedoch in der globalen Nutzung dominierend gemacht, besonders bei Großanlagen. Für die Halbleitergerätefertigung wird Polysiliziun-Rohstoff weiter zu Einkristallstangen über das Czochralski- oder Floating-Zone-Verfahren verarbeitet, was ein separater und deutlich teurerer Schritt ist.

Defekte und Leistung

Sauerstoff-, Kohlenstoff- und Eisenverunreinigungen verschlechtern die Ladungsträgerlangzeiitleitfähigkeit und erhöhen Rekombinationsverluste in Solarzellen. Dotierstoffkonzentration und Segregation während der Erstarrung erzeugen Widerstandsschwankungen innerhalb eines Barrens; das zuletzt erstarrte Material lagert gelöste Elemente in höheren Konzentrationen ein. Reste-Spannung beim Gießen und Temperaturgradienten beim Abkühlen führen zu Versetzungsnetzwerken, die sich über Korngrenzen ausbreiten. Die Qualitätskontrolle stützt sich auf Messung des elektrischen Widerstands, Kartierung der Ladungsträgerlangzeiitleitfähigkeit (Photolumineszenz oder Fotoleitfähigkeitsabfall) und metallurgische optische Inspektion.

Der Name spiegelt die Kristallstruktur wider: viele kleine Kristalle (poly) aus Silizium anstelle von Einkristall (mono). Polysiliziun kam in den 1980er Jahren in Massenproduktion, als die Fotovoltaik hochgefahren wurde; die Nachfrage explodierte nach 2000 mit staatlichen Subventionsprogrammen und netzgebundenen Installationen. China liefert jetzt etwa 75% der globalen Polysiliziun-Kapazität, wobei große Hersteller Anlagen in den Provinzen Xinjiang und Sichuan betreiben. Typische Barrengröße liegen zwischen 480 und 530 Millimetern pro Kante und wiegen 150 bis 200 Kilogramm; Gießzyklen dauern 48 bis 72 Stunden.