Das Projekt "Cutting Edge Charakterisierung und Technologie für die deutsche PV-Industrie - Teil A: Technologie" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme durchgeführt. Das Projekt 'CUT A' wird der deutschen PV-Industrie auf der Basis des Photovoltaik-Technologie Evaluations Center PV-TEC die schnelle und kosteneffiziente Entwicklung von Cutting-Edge Prozess-Technologie bieten. Im Mittelpunkt des Projektes stehen beidseitig passivierte PERC Solarzellen aus multikristallinem bzw. Czochralski-gezogenem p-Typ Silizium, Im Rahmen dieses Projektes wird diese Zellstruktur- / Material-Kombination auf ein deutlich höheres Wirkungsgradniveau von 20,0% (mc-Si) bzw. 21,5% (Cz-Si) gehoben. Die Planung umfasst die gezielte Modernisierung und Erweiterung der PV-TEC Prozessplattform und eine gezielte Weiterentwicklung der Einzelprozesse. Die Entwicklung des Gesamtprozesses erfolgt durch eine turnusmäßig im 6-Wochen-Rhythmus stattfindende Herstellung von mono bzw. multi-kristallinen PERC-Solarzellen. Hierbei werden parallel (i) die Sicherung einer hohen Güte des Basisprozesses sowie (ii) die Weiterentwicklung des Prozesses hin zu einem für großflächige multikristalline Siliziumsolarzellen bisher nicht erreichten Spitzenwirkungsgrad von 20,0% (mc-Si) bzw. 21,5% (Cz-Si) auf produktionstauglichen Anlagen verfolgt. Die Basistechnologie wird kontinuierlich an die Spitzenergebnisse angepasst.
Das Projekt "Teilvorhaben: Modellexperimente zur Strömung im Tiegel des Cz-Prozesses" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von HZDR Innovation GmbH durchgeführt. Das Fernziel besteht darin, die Strömung im Tiegel bei der Czochralski (Cz)-Kristallzüchtung unter den Parametern des realen Industrieprozesses zu verstehen und numerisch simulieren zu können. Da eine direkte Messung der Strömungsgeschwindigkeiten in der Si-Schmelze nicht verfügbar ist und bestenfalls mit der kontaktlosen Strömungstomographie in einigen Jahren zur Verfügung steht, sind Modellexperimente wesentlich zur Validierung numerischer Simulationen. Diese Modellexperimente sollen möglichst im Bereich der realen Prozessparameter stattfinden und eine umfassende Ausmessung der Strömung erlauben, womit für die Modellschmelze nur Metallschmelzen mit relativ niedriger Schmelztemperatur in Frage kommen. Mit den Arbeiten im Vorhaben sollen systematisch lokale Strömungsgeschwindigkeiten und lokale Temperaturen in Modellexperimenten durchgeführt werden. Die Daten sollen zur Validierung der numerischen Simulationen von Projektpartnern dienen.
Das Projekt "Teilprojekt: Strömungsmessungen in Modell- und Silizium-Schmelzen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz-Zentrum Dresden-Roßendorf, Institut für Fluiddynamik durchgeführt. In diesem Teilvorhaben des Verbundprojektes CzSil besteht das Ziel, eine Messtechnik für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeiten in heißen Siliziumschmelzen zu entwickeln und die Strömungsverhältnisse in den neuartigen Quarzglastiegeln experimentell zu modellieren. Dadurch werden die Voraussetzungen geschaffen, um genauere, schnellere oder ergänzende Aussagen zu den Wärme- und Stofftransportprozessen erzielen zu können, die maßgeblich sind für die Kristalleigenschaften, die durch die von den Partnern zu entwickelnden Anlagen- und Prozessinnovationen verbessert werden sollen. In diesem Teilvorhaben entwickelt der Antragsteller eine neuartige, magnetfeldbasierte Strömungsmesstechnik (AP400) für die Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten in heißen Siliziumschmelzen. Darüber hinaus wird die Entwicklung von neuartigen Quarzglastiegeln (AP200) unterstützt, indem die Strömungsverhältnisse experimentell in kalten Metallschmelzen nachgebildet werden. Das Czochralski-Verfahren ist die führende Silizium-Kristallzüchtungs-Technologie auf dem Markt. Das Projekt trägt deutlich dazu bei, dass das Czochralski-Verfahren seine dominierende Stellung beibehält, indem die Potentiale dieses Verfahrens weiter ausgeschöpft werden. Die Erarbeitung und Umsetzung einer Hochtechnologielinie ist für jeden einzelnen Material-, Zellen- und Modulhersteller überlebensnotwendig, kann aber aufgrund der Komplexität und des firmenübergreifenden Charakters nicht von Einzelfirmen bewältigt werden. Da in diesem Projekt alle notwendigen Partner beteiligt sind (die Anlagenhersteller, die Hersteller des Verbrauchsmittel Tiegel, die Kristallzüchter, die Institute, die den Ziehprozess und die Solarzellen theoretisch und experimentell untersuchen), werden alle Chancen genutzt, um den geforderten Erfolg einzulösen. Damit hat dann die deutsche Photovoltaikindustrie einen nachhaltigen technologischen Vorsprung erarbeitet, mit dem sie die führende Wettbewerbsposition erhalten kann.
Das Projekt "Teilvorhaben: Magnetfeldmessungen an einer industriellen Cz-Züchtungsanlage" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz-Zentrum Dresden-Roßendorf, Institut für Fluiddynamik durchgeführt. Die Fertigung von Hochleistungsmodulen bleibt nach wie vor Kern der Entwicklungsstrategie der SolarWorld AG. Dabei soll das Potential der PERC Technologie ausgenutzt werden, die neue Anforderungen an den PV Wafer stellt, dessen Eigenschaften hauptsächlich während des Kristallisationsprozesses bestimmt werden. Daher sind die Verbesserung von Kristallqualität und Ausbeute bei der Czochralski (Cz)-Kristallzüchtung von PV-Silizium ein zentrales Anliegen, wozu ein online Monitoring der mittleren Strömungsgeschwindigkeit extrem wertvoll wäre. Aufgrund der hohen Temperaturen und der geforderten Reinheit der Siliziumschmelze gibt es bisher weltweit keine Strömungsmessungen im Tiegel einer in der Industrie eingesetzten Cz-Kristallzüchtungsanlage. Die kontaktlose induktive Strömungstomographie (CIFT) hat das Potential zur Strömungsmessung der Schmelze im Cz-Tiegel, da sie mit Hilfe von Magnetfeldern die mittlere dreidimensionale Strömung in Schmelzen kontaktlos messen kann. Das Fernziel des Teilvorhabens besteht daher darin, CIFT für eine online-Strömungsmessung in der Cz-Kristallzüchtung zu entwickeln und zum Einsatz zu bringen. Allerdings muss CIFT für diese Anwendung speziell adaptiert werden, wobei die Herausforderung bei dieser Messung in der robusten Detektion der sehr kleinen strömungsinduzierten Verzerrung des angelegten Magnetfeldes liegt. Zusätzlich wird in enger Kooperation mit der HZDR-Innovation GmbH (HZDRI) ein Experiment zur Modellierung der Strömung im Tiegel aufgebaut, da die HZDRI nicht über die nötige Infrastruktur verfügt.
Das Projekt "Teilprojekt: Herstellung von langzeitstabilen Quarzglastiegeln für monokristalline CZ-Solarwafer" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG durchgeführt. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung langzeitstabiler Quarzglastiegel, welche es durch längere Tiegelstandzeiten erlauben, mehr Kristallmaterial aus einem Quarzglastiegel zu ziehen und so die Kristall- bzw. Waferkosten deutlich absenken. Neben der Erhöhung der Standzeit des Tiegels ist ein weiteres Ziel, durch modifizierte Tiegelmaterialien bzw. Tiegelformen den Eintrag von Sauerstoff aus dem Tiegelmaterial in den Kristall zu verringern. (i) Entwicklung von dotierten Quarzglastiegeln: Dotierungen im Quarzglas können zu signifikant veränderten Eigenschaften des Quarzglases führen. So bewirkt eine geringe Dotierung von z. B. Aluminium eine Erhöhung der Viskosität. In diesem Arbeitspaket werden Tiegel mit verschiedenartig dotierten Quarzglasinnenschichten entwickelt und diese dann bei den Partnern im Cz-Verfahren Langzeitstabilität getestet. Diese Tiegel werden vor und nach dem Kristallziehprozess hinsichtlich ihrer Innenschichten charakterisiert und bewertet. (ii) Entwicklung von Sonderkonstruktionen von Quarzglastiegeln in Hinblick auf geringen Sauerstoffeintrag: Das Ziel dieses Arbeitspaketes ist es, mit neuen Tiegelformen gezielt Konvektionsströmungen zu verändern um Verunreinigungen aus dem Quarztiegel von der Phasengrenze fernzuhalten und damit den Einbau in den Siliziumkristall zu verhindern. Dazu werden verschiedene Sonderkonstruktionen von Quarzglastiegeln entwickelt und erprobt. Mit der Verfügbarkeit einer neuen Czochralski - Technologie, die durch neuartige Tiegelmaterialien und entsprechend angepasste Prozessführungen sehr sauerstoffarme Siliziumkristalle liefert, ist es möglich Mitteldeutschland als führenden Standort der Photovoltaikindustrie langfristig zu sichern. Die mitteldeutsche Photovoltaikindustrie wird im Anschluss an die Laufzeit dieses Projekts einige Jahre technologische Feinarbeit leisten müssen, um alle Entwicklungen und Kostenreduktionspotentiale, die in diesem Vorhaben erzielt und ermittelt werden, in die Produktion umzusetzen.
Das Projekt "Teilprojekt: Betrieb der Labor-Cz-Kristallationsanlage zur Materialbewertung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von PVA Vakuum Anlagenbau Jena GmbH durchgeführt. Das Ausgangsmaterial (= Feedstock) für hochwertige Solarzellen ist Silizium mit möglichst wenig Verunreinigungen. Zur Entwicklung und Bewertung neuer Feedstockmaterialien sowie alternativer Herstell- und Reinigungsverfahren für Solar-Silizium ist eine schnelle und genaue Materialdiagnostik erforderlich, da die konventionellen chemische Analysen des Ausgangsmaterials nur begrenzt aussagefähig sind. Eine bessere Methode ist die Untersuchung von einkristallinen Proben (kleinen Kristallen, die aus dem Silizium gezüchtet werden) mithilfe derer die für Solarzellen wesentlichen Eigenschaften des Materials genau bestimmt werden können. Das Czochralski-Verfahren (Cz) ermöglicht die reproduzierbare Herstellung derartiger Kristalle aus unterschiedlichen Ausgangsmaterialien. Das vorliegend Projekt beschäftigt sich mit dem Prozessieren der Cz-Laboranlage sowie der Anlagenweiterentwicklung. Zu Beginn des Projektes wird ein Basisprozess für die Cz-Laboranlage entwickelt um im Anschluss daran Silizium für die Probenbereitstellung zu kristallisieren.
Das Projekt "Teilvorhaben: Modellexperimente zu Kristallisationsprozessen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Bergakademie Freiberg, Institut für NE-Metallurgie und Reinststoffe durchgeführt. Die wissenschaftliche Zielstellung umfasst die Entwicklung und Durchführung von Modellexperimenten zur systematischen Untersuchung verschiedener, für die Herstellung von Silizium-Kristallen bedeutsamer Phänomene und Prozesse im Labormaßstab. Konkret handelt es sich um die Untersuchung des Geschwindigkeitsfeldes von Gasströmungen, was besonders für die Kristallisation von Silizium für die PV-Anwendung nach dem Czochralski (Cz)-Verfahren relevant ist, und um die Untersuchung eines neuen Kristallisationsprinzips für Quasimono-Silizium-Blöcke (QM II-Technologie). Ein wesentlicher Aspekt bei den Experimenten zur Gasströmung ist die Validierung von numerischen Modellen und Algorithmen. Bei der Untersuchung der QM II-Technologie steht die Identifizierung von Prozess- und Anlagenparametern für eine stabile Kristallisation im Vordergrund. Die technischen Arbeitsziele beinhalten den Aufbau der zugehörigen Modellanlagen, d.h. einer Czochralski-Modellanlage zur Untersuchung der Gasströmung und einer QM II -Modellanlage zur Untersuchung des neuen Kristallisationsprinzips.
Das Projekt "Teilvorhaben: Experimentelle und numerische Evaluierung von Prozessgrößen zur Herstellung von sauerstoffarmen Silizium-Kristallen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie durchgeführt. Das Ziel der Arbeiten am Fraunhofer IISB in Erlangen und an seiner Außenstelle am Fraunhofer THM in Freiberg ist es, die Czochralski-Kristallzüchtungstechnologie zur Herstellung von hochqualitativen Siliziumkristallen für die Anwendung in der Photovoltaik im Hinblick auf die Reduktion des Sauerstoffs im Kristallmaterial weiter zu entwickeln und gleichzeitig die Prozesskosten zu senken. Die von Fraunhofer IISB/THM erzielten wissenschaftlich-technischen Erkenntnisse aus der Prozess- und Hardwareentwicklung, der numerischen Modellierung und der Materialcharakterisierung bilden dabei die Grundlage für die Optimierung der bestehenden Czochralski-Technologie beim Industriepartner Solar World Innovations GmbH.
Das Projekt "Teilprojekt: Herstellung einkristalliner Proben aus unterschiedlichem Siliciumausgangsmaterial" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer Technologiezentrum Halbleitermaterialien (THM) durchgeführt. In diesem Teilvorhaben ist es das Ziel, die thermischen Bedingungen der in der ersten Projektphase entwickelten Labor-Czochralski-Anlage zu quantifizieren und zu optimieren und damit den Betrieb der Anlage zu unterstützen. Weiterhin sollen Proben aus dieser Anlage so präpariert werden, dass die Projektpartner zuverlässige Messergebnisse durch exakte Kenntnis der Herleitung der Proben und deren Charakterisierung erhalten können. Zur prozesstechnischen Erprobung der Züchtungsanlage wird Fraunhofer THM unterstützend thermische Berechnungen durchführen. Außerdem werden die thermischen Bedingungen und eigentlichen Wachstumsbedingungen während der Züchtung als auch am erstarrten Kristall experimentell ermittelt. Die hergestellten Kristalle werden für die Charakterisierung in den anderen Arbeitspaketen präpariert.
Das Projekt "Teilprojekt: Kristallzuchtexperimente an einer industriellen 20'' Czochralski-Anlage sowie strukturelle und mechanische Materialcharakterisierungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Center für Silizium Photovoltaik CSP durchgeführt. Die Weiterentwicklung des Czochralski-Verfahrens zur Herstellung von monokristallinen Silizium-Wafern ist ein wichtiger Weg, um die Kostenreduktionspotentiale bei der Herstellung von Solarstrom in Hinblick auf das Erreichen der Netzparität ausschöpfen zu können. Im Rahmen des Gesamtvorhabens 'CzSil' geht es darum, in Verbund von Anlagen-, Komponenten- und Materialherstellern - unterstützt durch Forschungseinrichtungen - sowohl die Anlagentechnik als auch den Zyklus des kompletten Kristallzüchtungsprozesses zu optimieren. Die Arbeit an diesem Thema erfolgt mehreren Schritten: - Entwicklung von Nachchargiereinrichtungen, - Entwicklung langzeitstabiler Quarzglastiegel, - Entwicklung optimierter Wachstums- und Abkühlprozesse, - Weiterentwicklung der Messtechnik und Computersimulation. Das Fraunhofer CSP beteiligt sich in allen Punkten bei der Erprobung von neuen Tiegeln, Prozessen und Meßtechnik/Computersimulation sowie bei der Charakterisierung von Materialeigenschaften.
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