Ingot

 

Ingots

 
 

Woraus werden Solarzellen gesägt?

Die letzte Vorstufe der Solarzelle ist der Photovoltaik-Wafer, und er ist gar nicht mehr so weit entfernt vom Endprodukt. Eigentlich ist schon alles vorhanden für die Solarzelle – der Wafer muss bloß noch zurechtgeschnitten, geschliffen, gereinigt und eingepackt werden – schon steht der Solarstrom-Produktion in der Photovoltaikanlage nichts mehr im Wege.
Die Vorstufe des Wafers aber ist der Ingot.

Der Ingot (engl.: Barren) steht zwischen dem Ausgangsprodukt Quarzsand, dessen Silizium-Anteil herausgeschmolzen, gereinigt, gefiltert und angereichert wird – und dem späteren Produkt Wafer, Zelle und Photovoltaikmodul. Flapsig gesprochen, bildet der Ingot in der photovoltaischen Wertschöpfungskette das Scharnier zwischen schlicht ambitioniert verbessertem Sand vorher – und dem Hightech-Produkt aus der Weltraumforschung, genannt “Photovoltaik", nachher.
Und worum handelt es sich?
Die Antwort klingt erst einmal etwas unspektakulär: Es handelt sich um das in Blöcke gegossene oder in Säulen gezogene Halbleitermaterial, aus dem der Wafer gesägt wird – in der Regel Silizium; verwendet werden aber auch Siliciumcarbid, Galliumarsenid oder (selten) Indiumphosphid.

Zu unterscheiden sind dabei monokristalline und poly- oder multikristalline Ingots.
(Dies alles bezieht sich übrigens allein auf die Dickschicht-Photovoltaik – in der Dünnschicht-Photovoltaik wird das Material direkt auf die zugrunde liegende Folie oder Glasscheibe aufgedampft, und zwar ohne Umweg über Ingots und Wafer; aber das ist eine andere – faszinierende – Geschichte.)

Jetzt kostenlos PV-Anlage berechnen




Monokristalliner Ingot

Ingot-Umriss

Foto: Stahlkocher / Wikipedia.de

Ein monokristalliner Ingot wird im Czochralski-Verfahren hergestellt: Das Material wird bei einer Temperatur nur wenig über dem Schmelzpunkt von rund 1.450 °C in einem Tiegel gehalten; in diesen Tiegel wird ein kristallisierter Impfkeim oder Impfstab eingetaucht, der durch langsames Drehen und Heben Schmelze anlagert.
Beim Auskühlen erstarrt das Material und setzt die kristalline Form des Impfkeims fort – ein künstlich gezüchteter Einkristall entsteht.

Ausgeliefert werden im Czochralski-Verfahren gezogene monokristalline Ingots als charak­teristische Zylinder, auf denen ein kegelförmiger Kopf mit geschwungenen Stufen aufsitzt – im Aussehen erinnern sie ein wenig an das Empire Estate Building, NY (s. Bild).

Der Durchmesser des Ingots lässt sich:

  • über die Temperatur des Siliziums
  • und die Ziehgeschwindigkeit des Impf­kristalls verändern.

Maximal können Silizium-Stäbe von 2 Metern Länge und 30 Zentimetern Dicke hergestellt werden.
Für die Photovoltaik zieht man multikristalline Ingots mit Durchmessern von 12,5 bis 15 Zentimetern (5-6 Zoll) – das entspricht der typischen Solarzellengröße.

Poly- oder multikristalliner Ingot

Polykristalline – oder multikristalline Ingots entstehen dadurch, dass das Ausgangsmaterial – wiederum i.d.R. Silizium – in einem quaderförmigen Tiegel aus Graphit mit Hilfe einer Induktionsheizung (Heizringe) geschmolzen wird. Danach kühlt das polykristalline Silizium langsam aus. Am Boden des Tiegels entstehen Ein­kristalle, die seitlich so lange weiter wachsen, bis sie an der Tiegelwand oder aneinander anstoßen. In die Höhe wachsen die Einkristalle, indem die Heizringe langsam nach oben gezogen werden. Durch dieses kumulative Wachstum und die Form des Tiegels erhalten multikristalline Ingots ihre typische Quaderform.

Waferproduktion:
Im Nachgang werden Säulen bzw. Blöcke in Sägemaschinen eingespannt und imit Drahtsägen in hauchfeine Waferscheiben geschnitten (150 bis 250 μm dünn). Rund 30 bis 50% des Rohsiliziums fallen dabei als Sägespäne ab. Sie bilden mit dem Schmiermittel (Öl oder Glykol) und den die Sägekraft verstärkenden, hochfesten Siliziumcarbid-Körnern die sogenannte Slurry.
Die Späne konnten von ihr lange nicht mit ausreichender Reinheit getrennt werden. Mittlerweile gibt es aber serienreife Recycling-Verfahren, sodass heute bei der Waferproduktion weniger Rohsilizium verloren geht.

Sie wollen wissen, wie kristalline Solarzellen funktionieren? Hier lesen Sie alle Details dazu.
Wie aus diesen Solarzellen PV-Module werden, erfahren sie in unserem Artikel zum Aufbau der PV-Module
.




Ziele der Ingotproduktion

Bei der Ingotproduktion wird eine höchstmögliche Reinheit des Materials angezielt. Verunreinigungen werden bei der Kristallisation ausgeschieden.

Die elektrische Leitfähigkeit des Ingotmaterials wird u.U. durch Dotierung z.B. mit Bor, Aluminium oder Phosphor erhöht.

Beim Abkühlen müssen thermische Spannungen vermieden werden, so dass Materialverschiebungen oder Gitterfehler minimiert werden können.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Woraus werden Solarzellen gesägt?

Die letzte Vorstufe der Solarzelle ist der Photovoltaik-Wafer, und er ist gar nicht mehr so weit entfernt vom Endprodukt. Eigentlich ist schon alles vorhanden für die Solarzelle – der Wafer muss bloß noch zurechtgeschnitten, geschliffen, gereinigt und eingepackt werden – schon steht der Solarstrom-Produktion in der Photovoltaikanlage nichts mehr im Wege.
Die Vorstufe des Wafers aber ist der Ingot.

Der Ingot (engl.: Barren) steht zwischen dem Ausgangsprodukt Quarzsand, dessen Silizium-Anteil herausgeschmolzen, gereinigt, gefiltert und angereichert wird – und dem späteren Produkt Wafer, Zelle und Photovoltaikmodul. Flapsig gesprochen, bildet der Ingot in der photovoltaischen Wertschöpfungskette das Scharnier zwischen schlicht ambitioniert verbessertem Sand vorher – und dem Hightech-Produkt aus der Weltraumforschung, genannt “Photovoltaik", nachher.
Und worum handelt es sich?
Die Antwort klingt erst einmal etwas unspektakulär: Es handelt sich um das in Blöcke gegossene oder in Säulen gezogene Halbleitermaterial, aus dem der Wafer gesägt wird – in der Regel Silizium; verwendet werden aber auch Siliciumcarbid, Galliumarsenid oder (selten) Indiumphosphid.

Zu unterscheiden sind dabei monokristalline und poly- oder multikristalline Ingots.
(Dies alles bezieht sich übrigens allein auf die Dickschicht-Photovoltaik – in der Dünnschicht-Photovoltaik wird das Material direkt auf die zugrunde liegende Folie oder Glasscheibe aufgedampft, und zwar ohne Umweg über Ingots und Wafer; aber das ist eine andere – faszinierende – Geschichte.)

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Monokristalliner Ingot

Ingot-Umriss

Foto: Stahlkocher / Wikipedia.de

Ein monokristalliner Ingot wird im Czochralski-Verfahren hergestellt: Das Material wird bei einer Temperatur nur wenig über dem Schmelzpunkt von rund 1.450 °C in einem Tiegel gehalten; in diesen Tiegel wird ein kristallisierter Impfkeim oder Impfstab eingetaucht, der durch langsames Drehen und Heben Schmelze anlagert.
Beim Auskühlen erstarrt das Material und setzt die kristalline Form des Impfkeims fort – ein künstlich gezüchteter Einkristall entsteht.

Ausgeliefert werden im Czochralski-Verfahren gezogene monokristalline Ingots als charak­teristische Zylinder, auf denen ein kegelförmiger Kopf mit geschwungenen Stufen aufsitzt – im Aussehen erinnern sie ein wenig an das Empire Estate Building, NY (s. Bild).

Der Durchmesser des Ingots lässt sich:

  • über die Temperatur des Siliziums
  • und die Ziehgeschwindigkeit des Impf­kristalls verändern.

Maximal können Silizium-Stäbe von 2 Metern Länge und 30 Zentimetern Dicke hergestellt werden.
Für die Photovoltaik zieht man multikristalline Ingots mit Durchmessern von 12,5 bis 15 Zentimetern (5-6 Zoll) – das entspricht der typischen Solarzellengröße.

Poly- oder multikristalliner Ingot

Polykristalline – oder multikristalline Ingots entstehen dadurch, dass das Ausgangsmaterial – wiederum i.d.R. Silizium – in einem quaderförmigen Tiegel aus Graphit mit Hilfe einer Induktionsheizung (Heizringe) geschmolzen wird. Danach kühlt das polykristalline Silizium langsam aus. Am Boden des Tiegels entstehen Ein­kristalle, die seitlich so lange weiter wachsen, bis sie an der Tiegelwand oder aneinander anstoßen. In die Höhe wachsen die Einkristalle, indem die Heizringe langsam nach oben gezogen werden. Durch dieses kumulative Wachstum und die Form des Tiegels erhalten multikristalline Ingots ihre typische Quaderform.

Waferproduktion:
Im Nachgang werden Säulen bzw. Blöcke in Sägemaschinen eingespannt und imit Drahtsägen in hauchfeine Waferscheiben geschnitten (150 bis 250 μm dünn). Rund 30 bis 50% des Rohsiliziums fallen dabei als Sägespäne ab. Sie bilden mit dem Schmiermittel (Öl oder Glykol) und den die Sägekraft verstärkenden, hochfesten Siliziumcarbid-Körnern die sogenannte Slurry.
Die Späne konnten von ihr lange nicht mit ausreichender Reinheit getrennt werden. Mittlerweile gibt es aber serienreife Recycling-Verfahren, sodass heute bei der Waferproduktion weniger Rohsilizium verloren geht.

Sie wollen wissen, wie kristalline Solarzellen funktionieren? Hier lesen Sie alle Details dazu.
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.




Ziele der Ingotproduktion

Bei der Ingotproduktion wird eine höchstmögliche Reinheit des Materials angezielt. Verunreinigungen werden bei der Kristallisation ausgeschieden.

Die elektrische Leitfähigkeit des Ingotmaterials wird u.U. durch Dotierung z.B. mit Bor, Aluminium oder Phosphor erhöht.

Beim Abkühlen müssen thermische Spannungen vermieden werden, so dass Materialverschiebungen oder Gitterfehler minimiert werden können.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Woraus werden Solarzellen gesägt?

Die letzte Vorstufe der Solarzelle ist der Photovoltaik-Wafer, und er ist gar nicht mehr so weit entfernt vom Endprodukt. Eigentlich ist schon alles vorhanden für die Solarzelle – der Wafer muss bloß noch zurechtgeschnitten, geschliffen, gereinigt und eingepackt werden – schon steht der Solarstrom-Produktion in der Photovoltaikanlage nichts mehr im Wege.
Die Vorstufe des Wafers aber ist der Ingot.

Der Ingot (engl.: Barren) steht zwischen dem Ausgangsprodukt Quarzsand, dessen Silizium-Anteil herausgeschmolzen, gereinigt, gefiltert und angereichert wird – und dem späteren Produkt Wafer, Zelle und Photovoltaikmodul. Flapsig gesprochen, bildet der Ingot in der photovoltaischen Wertschöpfungskette das Scharnier zwischen schlicht ambitioniert verbessertem Sand vorher – und dem Hightech-Produkt aus der Weltraumforschung, genannt “Photovoltaik", nachher.
Und worum handelt es sich?
Die Antwort klingt erst einmal etwas unspektakulär: Es handelt sich um das in Blöcke gegossene oder in Säulen gezogene Halbleitermaterial, aus dem der Wafer gesägt wird – in der Regel Silizium; verwendet werden aber auch Siliciumcarbid, Galliumarsenid oder (selten) Indiumphosphid.

Zu unterscheiden sind dabei monokristalline und poly- oder multikristalline Ingots.
(Dies alles bezieht sich übrigens allein auf die Dickschicht-Photovoltaik – in der Dünnschicht-Photovoltaik wird das Material direkt auf die zugrunde liegende Folie oder Glasscheibe aufgedampft, und zwar ohne Umweg über Ingots und Wafer; aber das ist eine andere – faszinierende – Geschichte.)

Jetzt kostenlos PV-Anlage berechnen




Monokristalliner Ingot

Ingot-Umriss

Foto: Stahlkocher / Wikipedia.de

Ein monokristalliner Ingot wird im Czochralski-Verfahren hergestellt: Das Material wird bei einer Temperatur nur wenig über dem Schmelzpunkt von rund 1.450 °C in einem Tiegel gehalten; in diesen Tiegel wird ein kristallisierter Impfkeim oder Impfstab eingetaucht, der durch langsames Drehen und Heben Schmelze anlagert.
Beim Auskühlen erstarrt das Material und setzt die kristalline Form des Impfkeims fort – ein künstlich gezüchteter Einkristall entsteht.

Ausgeliefert werden im Czochralski-Verfahren gezogene monokristalline Ingots als charak­teristische Zylinder, auf denen ein kegelförmiger Kopf mit geschwungenen Stufen aufsitzt – im Aussehen erinnern sie ein wenig an das Empire Estate Building, NY (s. Bild).

Der Durchmesser des Ingots lässt sich:

  • über die Temperatur des Siliziums
  • und die Ziehgeschwindigkeit des Impf­kristalls verändern.

Maximal können Silizium-Stäbe von 2 Metern Länge und 30 Zentimetern Dicke hergestellt werden.
Für die Photovoltaik zieht man multikristalline Ingots mit Durchmessern von 12,5 bis 15 Zentimetern (5-6 Zoll) – das entspricht der typischen Solarzellengröße.

Poly- oder multikristalliner Ingot

Polykristalline – oder multikristalline Ingots entstehen dadurch, dass das Ausgangsmaterial – wiederum i.d.R. Silizium – in einem quaderförmigen Tiegel aus Graphit mit Hilfe einer Induktionsheizung (Heizringe) geschmolzen wird. Danach kühlt das polykristalline Silizium langsam aus. Am Boden des Tiegels entstehen Ein­kristalle, die seitlich so lange weiter wachsen, bis sie an der Tiegelwand oder aneinander anstoßen. In die Höhe wachsen die Einkristalle, indem die Heizringe langsam nach oben gezogen werden. Durch dieses kumulative Wachstum und die Form des Tiegels erhalten multikristalline Ingots ihre typische Quaderform.

Waferproduktion:
Im Nachgang werden Säulen bzw. Blöcke in Sägemaschinen eingespannt und imit Drahtsägen in hauchfeine Waferscheiben geschnitten (150 bis 250 μm dünn). Rund 30 bis 50% des Rohsiliziums fallen dabei als Sägespäne ab. Sie bilden mit dem Schmiermittel (Öl oder Glykol) und den die Sägekraft verstärkenden, hochfesten Siliziumcarbid-Körnern die sogenannte Slurry.
Die Späne konnten von ihr lange nicht mit ausreichender Reinheit getrennt werden. Mittlerweile gibt es aber serienreife Recycling-Verfahren, sodass heute bei der Waferproduktion weniger Rohsilizium verloren geht.

Sie wollen wissen, wie kristalline Solarzellen funktionieren? Hier lesen Sie alle Details dazu.
Wie aus diesen Solarzellen PV-Module werden, erfahren sie in unserem Artikel zum Aufbau der PV-Module
.




Ziele der Ingotproduktion

Bei der Ingotproduktion wird eine höchstmögliche Reinheit des Materials angezielt. Verunreinigungen werden bei der Kristallisation ausgeschieden.

Die elektrische Leitfähigkeit des Ingotmaterials wird u.U. durch Dotierung z.B. mit Bor, Aluminium oder Phosphor erhöht.

Beim Abkühlen müssen thermische Spannungen vermieden werden, so dass Materialverschiebungen oder Gitterfehler minimiert werden können.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung