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Die erstaunliche Leistung von Einkristall-Silizium: Warum ist es der Baustein der modernen Elektronik?
Einkristallines Silizium, oft als Einkristall-Silizium oder einfach Mono-Si bezeichnet, ist ein Material, das in modernen elektronischen Geräten und der Photovoltaiktechnologie von entscheidender Bedeutung ist. Als Grundlage für diskrete Komponenten und integrierte Schaltkreise auf Siliziumbasis spielt es eine Schlüsselrolle in fast allen modernen elektronischen Geräten, vom Computer bis zum Smartphone. Darüber hinaus wird Einkristall-Silizium als hocheffizientes Lichtabsorptionsmaterial bei der Herstellung von Solarzellen eingesetzt und ist daher im Bereich der erneuerbaren Energien unverzichtbar.
„Das Kristallgitter von einkristallinem Silizium ist durchgehend und weist keine Korngrenzen auf.“
Aufgrund seiner Eigenschaften ist Einkristall-Silizium für Halbleiteranwendungen besonders wichtig. Es kann nur aus hochreinem Silizium als intrinsischem Halbleiter bestehen oder durch Zugabe anderer Elemente wie Bor oder Phosphor dotiert werden, um p-Typ- oder n-Typ-Silizium zu erzeugen. Diese Halbleitereigenschaft machte einkristallines Silizium in den letzten Jahrzehnten zum wichtigsten technologischen Material und markierte den Beginn des „Siliziumzeitalters“. Seine niedrigen Kosten und seine Verfügbarkeit sind eine wichtige Grundlage für die Entwicklung heutiger elektronischer Produkte und die Revolution der Informationstechnologie.
Einkristallines Silizium unterscheidet sich von anderen allotropen Formen wie etwa amorphem Silizium, das in Dünnschicht-Solarzellen verwendet wird, und polykristallinem Silizium, das aus kleinen Kristallen besteht. Diese Unterschiede bestimmen die unterschiedliche Leistung und die unterschiedlichen Kosten.
Herstellungsprozess
Einkristallines Silizium wird typischerweise durch Verfahren hergestellt, bei denen hochreines Silizium in Halbleiterqualität geschmolzen und ein Impfkristall verwendet wird, um die Bildung eines kontinuierlichen Einkristalls einzuleiten. Dieser Prozess wird normalerweise in einer inerten Atmosphäre wie Argon und in einem inerten Tiegel wie Quarz durchgeführt, um Verunreinigungen zu vermeiden, die die Homogenität des Kristalls beeinträchtigen könnten.
„Die am weitesten verbreitete Produktionstechnologie ist das Czochralski-Verfahren, mit dem sich bis zu zwei Meter lange und mehrere hundert Kilogramm schwere Einzelwafer-Ingots herstellen lassen.“
Bei der Czochralski-Methode wird ein präzise ausgerichteter, stabförmiger Impfkristall in geschmolzenes Silizium getropft und dann langsam nach oben gezogen und gedreht, wodurch das herausgezogene Material zu einem einkristallinen, abgerundeten Streifen erstarren kann. Während dieses Prozesses können auch Magnetfelder angewendet werden, um turbulente Strömungen zu kontrollieren und zu unterdrücken und so die Gleichmäßigkeit des Kristalls weiter zu verbessern. Zu den weiteren Herstellungsverfahren zählen das Zonenschmelzverfahren und die Bridgman-Technik, bei denen ebenfalls das Erhitzen innerhalb einer Temperaturgradientenkapsel zum Anregen des Kristallwachstums eingesetzt wird.
Die erstarrten Rundstäbe werden in dünne Scheiben geschnitten und weiterverarbeitet, um sie für die Fertigung vorzubereiten. Im Vergleich zum Gießen von Mehrscheiben-Ingots ist der Herstellungsprozess von Einkristall-Silizium relativ langsam und kostspielig. Aufgrund der überlegenen elektronischen Eigenschaften steigt die Nachfrage nach Einkristall-Silizium jedoch weiterhin an.
Anwendungen in der Elektronik
Die Hauptanwendung von Einkristall-Silizium liegt in der Herstellung diskreter Komponenten und integrierter Schaltkreise. Die im Czochralski-Verfahren hergestellten Rundstäbe werden in etwa 0,75 mm dicke Wafer geschnitten, auf denen mittels verschiedener Mikroprozesse wie Dotierung, Ionenimplantation, Ätzen und Dünnschichtabscheidung mikroelektronische Bauelemente aufgebaut werden.
„Ein einziger kontinuierlicher Kristall ist für die Elektronik von entscheidender Bedeutung, da Korngrenzen, Verunreinigungen und Kristalldefekte die lokalen elektronischen Eigenschaften des Materials erheblich beeinflussen können.“
Ohne die Perfektion des Kristalls wäre es nahezu unmöglich, hochintegrierte Schaltkreise (VLSI) zu bauen, die Milliarden von Transistorschaltkreisen enthalten, die alle zuverlässig funktionieren müssen. Aus diesem Grund hat die Elektronikindustrie massiv in Anlagen zur Herstellung großer Silizium-Einkristalle investiert.
Anwendung in Solarzellen
Einkristallines Silizium wird auch in Hochleistungs-Photovoltaikgeräten verwendet. Da die Anforderungen hinsichtlich struktureller Defekte nicht so streng sind wie bei mikroelektronischen Anwendungen, wird zur Herstellung von Solarzellen häufig Solarsilizium (Sog-Si) von etwas minderer Qualität verwendet. Die Entwicklung der monokristallinen Silizium-Photovoltaikindustrie profitierte jedoch vom schnellen Fortschritt der Produktionsverfahren für monokristallines Silizium in der Elektronikindustrie.
Marktanteil und Effizienz
Monokristallines Silizium ist die zweithäufigste Photovoltaik-Technologie und wird nur vom Schwesterprodukt multikristallines Silizium übertroffen. Trotz der schnelleren Produktion von multikristallinem Silizium und anhaltender Kostensenkungen ist der Marktanteil von monokristallinem Silizium seit 2013 allmählich zurückgegangen: In diesem Jahr betrug der Marktanteil von monokristallinen Silizium-Solarzellen 36 %, was einer PV-Kapazität von 12,6 GW entspricht, aber Bis 2016 stieg der Marktanteil monokristalliner Silizium-Solarzellen auf 1,35 GW. Im Jahr 2017 sank ihr Marktanteil auf unter 25 %.
„Der Wirkungsgrad von Einkristall-Silizium-Einkristallzellen hat im Labor 26,7 % erreicht. Das ist der höchste bestätigte Umwandlungswirkungsgrad aller kommerziellen Photovoltaiktechnologien.“
Der Wirkungsgrad monokristalliner Silizium-Photovoltaikmodule erreichte im Jahr 2016 24,4 %. Bei manchen Anwendungen, insbesondere bei Gewichtsbeschränkungen oder Beschränkungen hinsichtlich der verfügbaren Fläche, ist der hohe Wirkungsgrad monokristalliner Silizium-Solarzellen besonders wichtig.
Herausforderungen und Vergleiche bei der Herstellung
Neben der ineffizienten Produktivität besteht auch das Problem der Materialverschwendung im Herstellungsprozess. Beim Zerteilen runder Wafer wird das Material auf der linken Seite häufig nicht vollständig ausgenutzt und entweder weggeworfen oder recycelt und erneut eingeschmolzen. Der technologische Fortschritt lässt jedoch darauf schließen, dass die Waferdicke in Zukunft auf weniger als 140 μm reduziert werden wird. Auch andere Fertigungsmethoden, wie das direkte Waferwachstum, werden als neue Möglichkeiten zur Abfallreduzierung bei herkömmlichen Dicing-Prozessen untersucht.
Einkristallines Silizium unterscheidet sich erheblich von anderen Siliziumformen, wie etwa polykristallinem Silizium und amorphem Silizium. Polykristallines Silizium besteht aus mehreren Körnern und ist billiger in der Herstellung, hat aber einen geringeren Wirkungsgrad; amorphes Silizium wird hauptsächlich in Dünnschicht-Solarzellen verwendet. Obwohl es leicht und flexibel ist, hat es einen äußerst geringen Wirkungsgrad. Die Auswahl verschiedener Siliziumtypen hat fortlaufend Auswirkungen auf die technischen Anforderungen und wirtschaftlichen Aspekte unterschiedlicher Anwendungen.
Mit dem technologischen Fortschritt wird die Frage, wie Kosten und Effizienz effektiv in Einklang gebracht werden können, eine Frage sein, die bei der künftigen Entwicklung der Photovoltaik- und Elektronikindustrie berücksichtigt werden muss.
