ENOWA II – Entwicklung hoch- und kosteneffizienter PV-Siliciumwafer

Laufzeit: Januar 2015 - Juli 2016
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Kooperationspartner: Solarworld Innovations GmbH, Petrofer, Fraunhofer CSP, Fraunhofer IWM
Projektfokus:
REM-Aufnahme des Querschnitts eines harzgebundenen Diamantdrahtes
© Fraunhofer ISE

REM-Aufnahme des Querschnitts eines harzgebundenen Diamantdrahtes.

© Fraunhofer ISE
Mikroskopaufnahme eines Klebefilms
© Fraunhofer ISE

Mikroskopaufnahme eines Klebefilms zur Bestimmung der Restpartikelfracht auf dem gereinigten Wafer; 7,9% der Waferoberfläche sind durch Partikel belegt.

Ein für die gesamte Produktionskette der Silicium-Photovoltaik wesentlicher Prozessschritt ist das Trennen der Siliciumkristalle in Wafer. Der Kostenanteil für die Waferherstellung beträgt ungefähr 30% der Solarzelle. Eine Kostenreduzierung bei diesem Prozessschritt würde also erheblich zur Reduzierung der Gesamtherstellungskosten beitragen. Ein Hebel zur Kostensenkung ist die Anwendung des Diamantdrahtsägeprozesses, der die Verwendung kostengünstigerer, wasserbasierter Kühlschmierstoffe ermöglicht und aufgrund des effizienten Abtragsmechanismus kürzere Prozesszeiten erlaubt. Eine systematische Evaluierung der Hilfs- und Betriebsstoffe sowie die Weiterentwicklung der Wafer-Reinigungsverfahren trägt zur Etablierung der Diamantdrahtsägetechnologie bei.

Zur Etablierung des Diamantdrahtsägeprozesses für Silicium wurden verschiedene Hilfs- und Betriebsstoffe wie Diamantdrähte, Kühlschmierstoffe, Reinigungschemikalien, Opfermaterialien und Klebstoffe evaluiert und der Sägeprozess hinsichtlich dieser Betriebsstoffe optimiert.
Ein wichtiger Aspekt ist die Zusammensetzung des Einbettungsmaterials der Diamantdrähte. Neben den Nickel-gebundenen Diamantdrähten sind auch harzgebundene Drähte am Markt verfügbar, der Querschnitt eines solchen Drahts ist in Abb. 1 gezeigt. Die Diamanten sind sehr tief in das Einbettungsmaterial eingelassen, was Auswirkungen auf die zu wählenden Schnittparameter und die Schnitteffizienz hat. Diese wurde anhand der geometrischen und Oberflächeneigenschaften der hergestellten Wafer beurteilt. Die Festigkeit der Drähte wird zudem durch die chemische Zusammensetzung der Beschichtung beeinflusst. So zeigt beispielsweise ein Draht mit härterer Harzbeschichtung eine geringere Torsionszugfestigkeit. Als Ursache hierfür wurde der Zusatz von SiC-Kleinstpartikeln identifiziert, wie er in der REM/EDX-Aufnahme in Abb. 2 zu sehen ist.
Die mit Diamantdrahtsägen hergestellten Wafer unterscheiden sich nicht nur in ihrer Oberflächenbeschaffenheit, sondern auch in der Oberflächenverunreinigung von den slurry-gesägten Wafern. Im Rahmen des Projekts »ENOWA II« konnten besonders für die Bewertung der Waferreinigung zwei neue, standardisierbare Messverfahren zur Quantifizierung der Restpartikelfracht auf der Waferoberfläche entwickelt werden. Diese Verfahren erfordern eine exakte Probennahme auf der Waferoberfläche, die bereits optisch sauber wirkt. Die anschließende Probenpräparation und automatisierte Bildanalyse ermöglicht eine bisher einmalige quantitative Bewertung des Verschmutzungsgrads der Waferoberfläche. In Abb. 3 ist die mikroskopische Aufnahme eines Klebefilms gezeigt, mit dem Restpartikel am gereinigten Wafer gesammelt wurden. Aus der Mikroskopaufnahme lässt sich quantitativ die Restpartikelfracht (7,9% der Waferfläche im gezeigten Beispiel) sowie die Korngrößenverteilung bestimmen. Dies erlaubt eine Bewertung von Reinigungsprozessen und damit Optimierung der Solarzellenherstellung während des Texturschritts.