Home / Kennisbank / Productie van silicium zonnecellen / Verschillende soorten kristallijne zonnecellen
monokristallijn polykristallijn en amorfe cellen

Verschillende soorten kristallijne zonnecellen

Silicium en andere halfgeleidermaterialen die worden gebruikt voor zonnecellen kunnen monokristallijn, multikristallijn, polykristallijn of amorf zijn. Het voornaamste verschil tussen deze materialen is de mate waarin de halfgeleider een regelmatige, perfect geordende kristallijne structuur heeft. Daarom kan onderscheid worden gemaakt tussen halfgeleidermaterialen op basis van de korrelgrootte van de kristallen waaruit de materialen bestaan.

Termen voor kristallijne silicium zonnecellen [1].

Terminologie voor de verschillende soorten kristallijn silicium (c-Si).

Term Symbool Korrelgrootte Meest gebruikte technieken voor kristalvorming
Monokristallijn sc-Si > 10cm Czochralski (CZ) Zonesmelten (Float Zone, FZ)
Multikristallijn mc-Si 1mm-10cm Gieten, platen, linten
Polykristallijn pc-Si 1µm-1mm Chemical-vapour deposition (CVD)

Chemisch opdampen

Microkristallijn

amorf sillicium, dunne film

µc-Si < 1µm Plasma deposition

(plasma-enhanced chemical vapour deposition)

Monokristallijn Silicium

Het grootste deel van de silicium zonnecellen wordt gemaakt van silicium wafers, die zowel monokristallijn of multikristallijn kunnen zijn. Monokristallijne wafers hebben betere materiaaleigenschappen, maar zijn dan ook duurder. Kristallijn silicium heeft een geordende kristalstructuur, waarbij elk atoom perfect op een vaste plek ligt. Kristallijn silicium vertoont voorspelbaar en gelijkvormig gedrag, maar vanwege de zorgvuldige en tijdrovende technieken die worden toegepast voor de fabricage is het ook het duurste soort silicium.

siliciumstructuur
De zeer stricte ordening van siliciumatomen in monokristallijn silicium zorgt voor een goede bandstructuur. Elk siliciumatoom heeft vier elektronen om de kern heen. De elektronen vormen paren samen met elektronen van andere atomen, zodat elk atoom zich bindt met de vier atomen er omheen.

vorm van monokristallijne zonnecel

Monokristallijn silicium wordt voornamelijk geproduceerd als grote cylindervormige gegoten staaf, waar men vervolgens ronde of achthoekige zonnecellen van maakt. De achthoekige cellen zijn in feite hetzelfde als de ronde, maar hierbij worden de rondingen weggehaald zodat ze efficiënter kunnen worden toegepast in een rechthoekig zonnepaneel.

Czochralski silicium

Monokristallijne substraten worden onderscheiden vanwege de manier waarop ze worden geproduceerd. Czochralski (CZ)[1] wafers zijn het meest gebruikte soort silicium wafers, ze worden zowel bij de fabricage van zonnecellen als bij het maken van chips gebruikt. Het productieproces van een grote staaf monokristallijn silicium volgens de Czochralski-methode is hieronder afgebeeld. Door het gebruik van kwartsen smeltkroezen bij het productieproces wordt één deeltje per miljoen zuurstof opgenomen in de gegoten silicium massa. De zuurstof zelf is relatief onschadelijk, maar het veroorzaakt wel problemen met borium doteerstof, wat zorgt voor een verkorte levensduur van de ladingsdrager.[2][3] N-type staven die worden gemaakt met fosforhoudende doteerstoffen hebben dezelfde concentraties zuurstof, maar vertonen niet deze daling in levensduur. Hetzelfde is het geval met wafers met een lagere weerstand of met gallium doteerstoffen.[4]

Bovenkant van een Czochralski staaf. Het onderste cylindervormige deel is ervan afgehaald om wafers van te maken. Dergelijke “kop en staart”-resten van de halfgeleiderindustrie vormen een grote bron van silicium voor de productie van zonnecellen.

Verwijzingen

1.            Czochralski, J., “Ein neues Verfahren zur Messung der Kristallisationsgeschwindigheit der Metalle”, Zeitschrift für physikalische Chemie, vol. 92, pp. 219–221, 1918.

2.            Glunz, S. W., S. Rein, W. Warta, J. Knobloch, en W. Wettling, “Degradation of carrier lifetime in Cz silicon solar cells”, Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 65, nr. 1-4, pp. 219 – 229, 2001.

3.            Bothe, K., R. Sinton, en J. Schmidt, “Fundamental boron-oxygen-related carrier lifetime limit in mono- and multicrystalline silicon”, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 13, issue 4, pp. 287 – 296, 06/2005.

4.            Zhao, J., A. Wang, en M. A. Green, “24.5% efficiency PERT silicon solar cells on SEH MCZ substrates and cell performance on other SEH CZ and FZ substrates”, Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 66, nr. 1-4, pp. 27 – 36, 2001.

Siliciumproductie door zonesmelten

Hoewel de CZ-methode veel wordt gebruikt voor commerciële substraten, heeft deze een aantal nadelen voor zeer efficiënte zonnecellen voor laboratoria en voor zonnecellen in het marktsegment. CZ wafers hebben een hoge concentratie zuurstof in de silicium wafer. Onzuiverheden als zuurstof verkorten de levensduur van de kleinste ladingsdrager in de zonnecel, waardoor het voltage, de stroom en de efficiëntie afnemen. Bovendien kunnen ook de zuurstof en de problemen die de zuurstof in combinatie met andere stoffen veroorzaakt een rol gaan spelen bij hogere temperaturen, waardoor de wafers gevoelig worden voor behandeling met hoge temperaturen. Om deze problemen te omzeilen kunnen wafers die zijn geproduceerd door middel van zonesmelten (Float Zone, FZ) worden gebruikt.[1] Bij deze methode wordt een inductiespoel langzaam langs een staaf of baar silicium geleidt. Onzuiverheden blijven in het gesmolten gedeelte, in plaats van dat ze in het vaste deel worden opgenomen. Hierdoor blijft een uiterst puur deel monokristallijn silicium over nadat het is gesmolten door de inductiespoel. Het is met deze methode erg moeilijk om staven met een grote diameter te produceren en het dus ook erg duur, waardoor FZ wafers voornamelijk worden gebruikt voor zonnepanelen in laboratoria en ze dus ondervertegenwoordigd zijn in de commerciële productie.[2]

waferproductie met Float Zone procede

Verwijzingen

1.            Pfann, W. G., “Zone-refining”, Trans. AIME,, vol. 194, 1952.

2.            Green, M. A., “The path to 25% silicon solar cell efficiency: History of silicon cell evolution”, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 17, nr. 3, pp. 183-189, 2009.