Solarzellenfertigung: Prozessgrund-lagen für den Einsatz dünner Drähte zum Sägen von Siliziumblöcken

Leistungsbereich Trenntechniken,Schädigungsarme Bearbeitung

Dr. Rainer Kübler79108 FreiburgTelefon +49 761 5142-213rainer.kuebler@iwm.fraunhofer.de

54 Fraunhofer IWM Jahresbericht 2008

Leistungsbereich Trenntechniken,Schädigungsarme Bearbeitung

Dr. Rainer Küblerrainer.kuebler@iwm.fraunhofer.de

Für die Solarzellenfertigung werden verlust- und schädigungsarme Prozesse entwickelt und optimiert. Weitere Schwerpunkte sind Untersuchungen zu Auswirkungen von Schädigungen auf die Festigkeit sowie Schadensanalysen.

Geschäftsfeld Komponenten mit funktionalen Oberflächen

Abb. 1Drahtmaterialien auf Spulen, gesägteSilizium-Wafer und Rohmaterial, Solarzelle.

Abb. 2Sägen von Solarsilizium mit dünnem Draht und 90 μm-Sägespalt am IWM-Sägeversuchsstand.Oben: Numerische Simulation der Partikeldyna-mik im Drahtsägeprozess, Darstellung der Slurry stark vergrößert. Unten: Versuchsergebnis 90 μm-Sägespalt im Siliziumblock.

Siliziumcarbid-Körnerin Flüssigkeit

Draht

Silizium

90 μm

Säge-spalt

Draht

Silizium

Silizium ist heute mit einem Marktanteil von mehr als 95 Prozent das dominie-rende Basismaterial zur Herstellung von Solarzellen und Solarmodulen. Der An-fangsschritt in der Solarzellenherstel-lung besteht im Zerteilen von quader-förmigen, aus kristallinem Silizium bestehenden Säulen (Ingot) in dünne quadratische Scheiben (Wafer). Dies ge-schieht in einem aufwändigen Sägepro-zess, bei dem ein sich schnell bewe-gender, mehrere hundert Kilometer langer Metalldraht in Kombination mit einem abrasiv wirkenden Feststoff-Flüs-sig-Gemisch (Slurry) durch den Silizium-Ingot vorangetrieben wird. Dabei ist die Drahtführung so gestaltet, dass Hun-derte Wafer gleichzeitig entstehen (Vielspalt-Drahtsägeprozess). In Abbil-dung 1 sind Sägedrahtspulen, Silizium- Wafer und eine fertig prozessierte So-larzelle zu sehen.

Nach dem Stand der Technik liegen die entstehenden Spaltbreiten zwischen den einzelnen Wafern im Bereich um 180 μm. Dies bedeutet bei einer Wafer-dicke von 180 μm, dass bei der Herstel-lung eines Wafers die gleiche Menge des mit hohem Energiesatz gereinigten und kristallisierten Siliziums in Form von nicht recycelbarem Siliziumstaub verlo-ren geht. Um Sägespaltbreiten von un-ter 100 μm industriell zu realisieren, arbeiten im vom BMU geförderten Ver-bundprojekt Kerfloss drei große deut-sche Waferhersteller mit mehreren For-schungseinrichtungen zusammen.

VorgehensweiseDas Fraunhofer IWM im Freiburg arbei-tet dabei an der Erforschung der Grundlagen des Materialabtrags durch Untersuchungen im Einzelsägespalt-Prozess. Die Arbeiten beinhalten experi-mentelle und numerische Untersu-chungen zu neuen Draht-, Abrasiv- und

Trägermaterialien sowie zu Abtragsme-chanismen und Sägeparametern. Un-tersucht werden Abrieb von Drähten und mechanische Eigenschaften dererzeugten Oberflächen mit dem Ziel der Identifizierung aussichtsreicher Draht-Slurrysysteme für den industriel-len 100 μm-Sägeprozess.

ErgebnisseZur Untersuchung der Wechselwirkung von Draht mit Slurry und Silizium wurde ein numerisches Modell der Dynamik erstellt. Das partikelbasierte hydrodyna-mische Simulationstool berücksich tigt dabei unter anderem die Korngrößen-verteilung, Viskosität und Drahtge-schwindigkeit. Ein Ausschnitt aus der Simulation ist in Abbildung 2 oben zu sehen. Der Draht bewegt sich senkrecht zur Papierebene und überträgt durch die Siliziumcarbid-Körner in der ihn um-gebenden Slurry-Kräfte auf den Silizi-um-Ingot, wodurch dieser geschnitten wird. Experimentelle Untersuchungen werden an einer instrumentierten Ein-spalt-Drahtsäge durchgeführt. Die Ver-suchtechnik erlaubt es, unter Einsatz geringer Mengen an Slurry und Draht die Kräfte unter definierten Bedin-gungen zu messen, den Sägeprozess direkt zu beobachten und den Draht bis zum Versagen unter Prozessbedin-gungen zu beanspruchen. Entspre-chend konnten inzwischen Sägespalt-breiten von 90 μm am Fraunhofer IWM in Freiburg erreicht werden (Abbildung 2, unten).

Solarzellenfertigung: Prozessgrundlagen für denEinsatz dünner Drähte zum Sägen von Siliziumblöcken

Bernd Weber