Raman-Test für Photovoltaik

Solarzelle unter einem µ-Raman-Spektrometer (Bild: FH Südwestfalen / B. Ahrens)

Solarzelle unter einem µ-Raman-Spektrometer (Bild: FH Südwestfalen, B. Ahrens)

Bei der Massen­fertigung von Solarzellen spielt die Reinheit des eingesetzten Materials eine ent­scheidende Rolle für den elek­trischen Wirkungs­­grad des End­produktes. Das erfordert geeignete Maßnahmen zur zuverlässigen Prozess­­kontrolle. In einem gemeinsamen Projekt setzen das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP, die Fach­­hochschule Südwest­­falen, die Geb. Schmid GmbH und die Spectroscopy & Imaging GmbH dabei auf einen neuen Ansatz: Raman-Spektro­skopie soll es ermöglichen, Verun­reinigungen auf dem oder im Material zerstörungs- und kontaktfrei zu analysieren. So könnten die Herstellungs­­kosten gesenkt werden, bei gleich­zeitigen Vorteilen für die Qualitäts­­kontrolle.

Mehr als 95 Prozent der weltweit herge­stellten Solar­­zellen bestehen aus Silizium­­­wafern. Das sind dünne Scheiben, die im Herstellungs­­­prozess zunächst aus großen Silizium­­­blöcken heraus­geschnitten werden. Beispiels­weise durch den Säge­­­vorgang können sie dabei beschädigt und zudem mit orga­nischen Resten aus dem Säge­mittel verschmutzt werden. Solche Konta­minationen treten zwar nur sehr selten auf, durch die hohen Stückzahlen in der Photo­voltaik-Industrie können sie aber dennoch erheblichen Einfluss auf die Gesamt­kosten haben. Deshalb sind aufwändige Prozesse nötig, um die Wafer chemisch zu reinigen oder fehler­hafte Wafer auszusortieren, bevor sie weiter­­verarbeitet werden.

„Es gibt bisher kein inline-fähiges Verfahren, das solche orga­nischen Rückstände auf Wafer-Ober­flächen analysieren kann. Wir wollen dafür die Raman-Spektro­skopie nutzbar machen, die zugleich auch die Oberflächen­­beschaffenheit direkt im Anschluss an den Säge­­vorgang überprüfen kann”, sagt Stefan Schweizer, der das Projekt an der Fach­­hoch­schule Südwest­falen leitet. „Wenn uns das gelingt, haben wir ein leistungs­­starkes Instrument zur lücken­­losen und durch­­gehenden Kontrolle der Herstellungs­­qualität in der Fertigung von Silizium­wafern. Mögliche Verun­reinigungen könnten frühzeitig erkannt und unnötige Reinigungs­­schritte eingespart werden. Das steigert die Material­­effizienz, senkt die Produktions­­kosten und schont die Umwelt”, umschreibt er die Ziele.

Die Raman-Spektro­skopie nutzen Forscher bisher vor allem bei der Analyse von pharma­zeutischen Produkten und in der wissen­schaftlichen Forschung. Das zu unter­suchende Material wird dabei mittels eines Lasers bestrahlt. Trifft das Licht aus der Laserquelle auf die Oberfläche der Probe, wird es gestreut. Aus der Verteilung der Frequenzen im entstehenden Spektrum lassen sich Aussagen über die untersuchte Substanz und die Material­eigenschaften ableiten.

Die Vorteile der Raman-Spektro­skopie gegenüber anderen Methoden: Das Material muss nicht eigens vorbereitet werden, die Überprüfung ist also an jedem Schritt der Prozess­­kette ohne vorherige Proben­­präparation möglich. Die Überprüfung erfolgt zerstörungs- und kontakt­frei. Bei einer Konta­mination können nicht nur Aussagen darüber erfolgen, ob ein Silizium­­wafer verunreinigt ist, sondern auch wie stark und mit welchen Substanzen. Denn verschiedene Verun­reinigungen sorgen im zurück­­gestreuten Licht für charak­teristische Frequenzen, sie sind somit wie an einem Finger­abdruck zu identifizieren.

„Wir wollen zunächst Detektions­grenzen ermitteln, um zu zeigen, dass die Methode die nötige hohe Nachweis­­empfindlichkeit hat. Gleichzeitig werden wir in Zusammen­­arbeit mit den beteiligten Industrie­­partnern mit der Entwicklung eines Mess­kopfes beginnen, der in indus­triellen Anlagen eingesetzt werden kann”, umschreibt Hartmut Schwabe vom Fraun­hofer CSP in Halle den Ablauf des bis Ende Juni 2019 laufenden Projekts.

Das Fraun­hofer CSP bringt seine eigene Silizium­­wafer-Produktions­­linie und einen großen Pool an material­­analytischen Mess­­verfahren in das Projekt ein, in dem zudem das wissen­schaftliche Know-how der Fach­hoch­schule Südwest­­falen, die Expertise der Spec­troscopy & Imaging GmbH als Her­steller von Raman-Spektro­metern und die Erfahrung der Geb. Schmid GmbH im Bereich der System­­integration im Rahmen von Inline-Mess­­verfahren und -Geräten gebündelt werden. Mit einem Demonstrator-System wollen die Foscher zum Projekt­­abschluss die Funk­tionalität im Einsatz unter realen Be­dingungen zeigen. (Quelle: Fh.-IMWS)

Links: Fraunhofer-Center für Siliziumphotovoltaik CSP, Halle • Physik und Energietechnologien (S. Schweizer), Fachhochschule Südwestfalen, Soest

Speak Your Mind

*