Weltraumexperiment für bessere Solarzellen

Das Experiment ParSiWal, das im nächsten Jahr mit einer TEXUS-Rakete fliegen soll, wird den Erstarrungsprozess von Silizium untersuchen und damit helfen, Solarzellen zu verbessern.

Ein Beitrag von Sascha Haupt. Quelle: Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie, Newsbild: Georg Slickers.

Die meisten heute verwendeten Solarzellen bestehen aus polykristallinem Silizium, das heißt ihre Siliziumschicht besteht aus vielen kleinen Einzelkristallen. Sie werden im Gussverfahren hergestellt. Beim Erstarren kommt es dabei zum Einbau von Fremdpartikeln, unter anderem Siliziumcarbid, einer Verbindung von Silizium und Kohlenstoff. Das ist ungünstig, da diese Einschlüsse zu Kurzschlussströmen führen können, welche den Wirkungsgrad der Solarzelle herabsetzen und außerdem die Härte des Materials erhöhen, was wiederum die mechanische Bearbeitung erschwert.
Für metallische Legierungen gibt es theoretische Modelle, die den Einbau von Fremdpartikeln beschreiben: Sie sollten demnach nicht in den Kristall eingebaut werden, wenn dessen Wachstumsgeschwindigkeit unter einem bestimmten Wert bleibt, da sie dann vor der Phasengrenze zwischen fester und flüssiger Siliziumphase hergeschoben werden. Für Silizium versagen diese Modelle aber.

Ziel ist es nun, neue Modelle zu entwickeln, die das Erstarren von Silizium korrekt beschreiben, um damit vielleicht letztendlich den Einschluss von Siliziumcarbid-Partikeln zu minimieren. Dazu dient das Experiment ParSiWal, bei dem der Erstarrungsprozess in der Schwerelosigkeit beobachtet wird. Dadurch werden gravitative Effekte, wie etwa Sedimentation, ausgeblendet, was die Prozesse vereinfacht.

Für das Experiment ParSiWal wird die Ofenanlage ELLI zum Einsatz kommen, die bereits in der Vergangenheit bei anderen Kristallexperimenten an Bord von TEXUS-Raketen verwendet wurde. Für ParSiWal wird darin ein Siliziumstab, der an einer Stelle Fremdpartikel unterschiedlicher Größe enthält, eingesetzt. In der Schwerelosigkeit wird dieser zunächst an der Stelle mit den Fremdpartikeln durch eine Induktionsspule erhitzt und zum Schmelzen gebracht. Anschließend wird der Stab mit variierender Geschwindigkeit verschoben, sodass der geschmolzene Bereich und damit die Phasengrenze durch den Stab wandern. Damit soll die jeweilige sogenannte Einfanggeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, bei der die Partikel von der Phasengrenze eingefangen werden, bestimmt werden.

Das Experiment ParSiWal wird vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) in Erlangen in Kooperation mit dem kristallographischen Institut der Universität Freiburg, dem Lehrstuhl für Material-und Prozesssimulation der Universität Bayreuth sowie dem Institut für Verfahrenstechnik und Materialwissenschaften der University of Minnesota durchgeführt.

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