Die Herstellung von Solarzellen ist ein hochpräziser und technologisch anspruchsvoller Prozess, der aus einer Vielzahl von chemischen, physikalischen und thermischen Verfahrensschritten besteht. Solarzellen, die Grundlage für Photovoltaikanlagen, wandeln Sonnenenergie direkt in elektrische Energie um und spielen eine Schlüsselrolle in der nachhaltigen Energiegewinnung. Die industrielle Fertigung von Solarzellen erfordert umfangreiche Wasseraufbereitungs- und Abwasserbehandlungssysteme, da hohe Reinheitsanforderungen an das Prozesswasser bestehen und Abwässer mit spezifischen Schadstoffbelastungen entstehen.

Überblick über die Herstellung von Solarzellen

Solarzellen bestehen hauptsächlich aus Halbleitermaterialien, insbesondere Silizium, und werden in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten hergestellt. Dabei wird zwischen der Produktion von monokristallinen, polykristallinen und dünnschichtigen Solarzellen unterschieden.

1. Herstellung von Siliziumwafern

Der Ausgangsstoff für Solarzellen ist hochreines Silizium, das durch energieintensive Prozesse gewonnen wird:

• Schmelzprozess:
  • Reines Silizium wird bei hohen Temperaturen geschmolzen und kristallisiert (Czochralski-Verfahren für monokristallines Silizium, Blockgussverfahren für polykristallines Silizium).
• Sägen und Schneiden:
  • Die Siliziumblöcke werden in hauchdünne Wafer (typischerweise 150–200 µm) gesägt.

2. Oberflächenvorbereitung

Die Waferoberflächen werden chemisch behandelt, um die Textur zu optimieren und Defekte zu beseitigen:

• Ätzen:
  • Entfernung von Sägespuren und Verunreinigungen durch chemisches oder alkalisches Nassätzen.
  • Typische Chemikalien: Fluorwasserstoffsäure (HF), Kaliumhydroxid (KOH).
• Reinigung:
  • Einsatz von ultrapurem Wasser (UPW), das frei von Partikeln, Ionen und organischen Verbindungen ist.

3. Dotierung und Schichtenbildung

Die elektrische Leitfähigkeit der Solarzellen wird durch Dotierung mit Fremdatomen, wie Phosphor oder Bor, gezielt beeinflusst:

• Diffusion:
  • Erzeugung einer pn-Übergangsschicht durch Hochtemperaturbehandlung mit Dotiergasen (z. B. Phosphortrichlorid, Bortrioxid).
• Antireflexbeschichtung:
  • Aufbringen von Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder anderen Materialien, um die Lichtreflexion zu minimieren.

4. Metallisierung

• Kontaktstruktur:
  • Aufdrucken und Sintern von metallischen Leiterbahnen (z. B. Silberpasten) auf die Vorder- und Rückseite der Wafer.

5. Assemblierung und Qualitätssicherung

• Laminierung:
  • Solarzellen werden mit Schutzschichten und Glasscheiben laminiert.
• Elektrische Tests:
  • Prüfung der Zellen auf Wirkungsgrad, Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung.

Wasserbedarf und Anforderungen in der Solarzellenproduktion

Die Herstellung von Solarzellen erfordert große Mengen an Prozesswasser, insbesondere Reinstwasser (Ultra Pure Water, UPW), das nahezu vollständig frei von Verunreinigungen sein muss. Die Qualität des Wassers ist entscheidend, da selbst kleinste Partikel oder chemische Rückstände die Effizienz und Qualität der Solarzellen beeinträchtigen können.

Wasseranwendungen in der Produktion

1. Reinigung und Spülen:
   • Entfernung von Chemikalien und Partikeln nach Ätz-, Diffusions- oder Beschichtungsprozessen.
2. Chemische Prozessbäder:
   • Verwendung von Reinstwasser als Lösungsmittel in Nassätzen und Reinigungsbädern.
3. Kühlung:
   • Einsatz von Wasser in Kühlsystemen für thermische Prozesse (z. B. Diffusion oder Sinterung).

Wichtige Qualitätsparameter

1. Leitfähigkeit:

   • Reinstwasser weist eine extrem niedrige Leitfähigkeit auf (< 0,1 µS/cm). Idealerweise liegt die Leitfähigkeit bei 0,055 µS/cm (theoretischer Wert für vollständig deionisiertes Wasser bei 25 °C).
   • Eine niedrige Leitfähigkeit ist ein Indikator für den minimalen Gehalt an gelösten Salzen und Ionen.

2. Gesamtorganischer Kohlenstoff (Total Organic Carbon, TOC):

   • TOC-Werte müssen unter 5 ppb liegen, um die Anwesenheit organischer Verbindungen zu minimieren.
   • Organische Stoffe können sich auf den Siliziumwafern ablagern und die Effizienz der Solarzellen reduzieren.

3. Partikel:

   • Partikelfreiheit ist entscheidend, da schon mikroskopische Partikel (< 0,1 µm) die Struktur der Wafer beschädigen können.
   • Die Partikelkonzentration muss nahe null liegen.

4. Bakterien und Pyrogene:

   • Bakterien müssen vollständig entfernt werden (< 1 KBE/mL).
   • Pyrogene (bakterielle Rückstände) dürfen nicht vorhanden sein.

5. Ionenfreiheit:

   • Kationen (z. B. Natrium, Kalium) und Anionen (z. B. Chlorid, Sulfat) müssen nahezu vollständig entfernt werden, um Korrosion und chemische Reaktionen zu vermeiden.

6. Silika (SiO₂):

   • Siliziumdioxid ist ein natürlicher Bestandteil vieler Wässer und muss vollständig entfernt werden (< 1 ppb), um Ablagerungen auf den Wafern zu vermeiden.