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04-05 | 2019

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Special Erneuerbare

Special Erneuerbare Energien In dieser Epitaxie-Anlage können viele Wafer in kurzer Zeit hergestellt werden. Sie wurde am Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme in Freiburg entwickelt - und steht heute bei NexWafe. Die Revolution der Siliziumwafer-Herstellung Die junge Freiburger Firma Nex- Wafe revolutioniert die Herstellung von Siliziumwafern für die Photovoltaik und revitalisiert die in Deutschland für ausgestorben geglaubte Solarindustrie. Als das Ende der Fertigung von Solarzellen und -modulen in Deutschland absehbar war, beschlossen die Physiker Stefan Reber und Frank Siebke mit Mitstreitern aus dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg im Breisgau, eine dort entwickelte Technologie zur Herstellung von Wafern zu kommerzialisieren, um die Energiewende voranzutreiben. Siliziumwafer sind die teuerste Komponente eines Solarmoduls. Sie verursachen bis zu 40 Prozent der Herstellungskosten. Die hohen Waferkosten sind eine hohe Hürde für das Unterfangen, die Kosten der Solarmodule weiter zu senken und die Solarenergie zu der Energiequelle der Zukunft zu machen Reber und Siebke hatten früh erkannt, dass die energieaufwendige und mit hohen Materialverlusten verbundene Herstellung von Wafern durch völlig neue Ansätze revolutioniert werden muss: bei der konventionellen Fertigung von Siliziumwafern wird Polysilizium – ausgehend von hochreinen Chlorsilanen – in einem energieintensiven Hochtemperaturprozess abgeschieden. Dies Material wird in Stücke zerbrochen und wieder eingeschmolzen. Aus der Schmelze werden große Einkristalle gezogen. Diese so genannten Ingots werden anschließend in annähernd quaderförmige Blöcke geteilt. Diese wiederum werden auf Drahtsägen gespannt und in einzelne Siliziumwafer zersägt. Insgesamt geht hierbei fast die Hälfte des in den Herstellungsprozess eingebrachten Siliziums unwiderruflich verloren. Die einzelnen Schritte dieser Prozesskette sind in den letzten 30 Jahren zwar kontinuierlich verbessert worden. Doch heute ist das Optimierungspotential weitestgehend ausgereizt. Diese Sicht teilt auch Peter Pauli, ehemaliger Vorstandsvorsitzende des Schweizer Technologieunternehmens Meyer & Burger, der Weltmarktführer im Bereich Drahtsägen für Photovoltaik war, und seit 2018 Vorsitzender des NexWafe-Beirats ist: „Weitere massive Kostensenkungen sind nur durch ein radikales Umdenken möglich.“ 12 UmweltMagazin April - Mai 2019

Erneuerbare Energien Special Das NexWafe-Team im Sommer 2018. Ein in Freiburg bei NexWafe epitaktisch gewachsener Siliziumwafer. Ein nur 51 Mikrometer dicker bei NexWafe gewachsener flexibler Wafer. Eine Kassette mit epitaktisch gewachsenen Siliziumwafern. Geklonte Wafer In den letzten 20 Jahren hat Stefan Reber mit seinem Team am Fraunhofer ISE ein Verfahren entwickelt, mit dem sie Wafer „klonen“: auf einem konventionell hergestellten Saatwafer wird erst eine mikrometerdünne Trennschicht aufgebracht wird. Auf dieser Trennschicht wird dann aus einem Gemisch aus Chlorsilan und Wasserstoff in einem als Epitaxie bekannten Hochtemperaturprozess Silizium abgeschieden. Schicht für Schicht wächst ein neuer Wafer. Dieser gewachsene Wafer wird dann mechanisch von dem Saatwafer getrennt und geht in die Solarzellenfertigung, während der Saatwafer wiederverwendet wird. Der zugrunde liegende generische Prozess ist schon seit mehr als 20 Jahren bekannt. Das revolutionäre an der von NexWafe kommerzialisierten Technologie ist, dass alle Prozesse in Durchlaufanlagen durchgeführt werden, statt in aus der Halbleiterindustrie bekannten Batch-Anlagen. Hierdurch kann der Durchsatz der Anlagen dramatisch gesteigert und die Kosten gesenkt werden. Ein Durchlaufofen von NexWafe wird die gleiche Kapazität wie 750 konventionelle Epitaxiereaktoren haben. Nex- Wafe reduziert die Siliziumverluste in der Waferfertigung um mehr als 90 Prozent und senkt den Energieverbrauch und die CO 2 -Emissionen um 50 Prozent. Gleichzeitig wird der Kapitaleinsatz zum Aufbau der Fertigung um mehr als die Hälfte gesenkt. Durch diese Einsparungen wird NexWafe in der Lage sein, in Deutschland Siliziumwafer zu Kosten herzustellen, die deutlich unter denen der heutigen Marktführer aus China liegen werden. „Damit können wir als deutscher Hersteller ein auf dem Weltmarkt konkurrenzfähiges Produkt anbieten“, freut sich Reber. Auf Grund des großen Know-How Vorsprungs und den steten Prozessinnovationen ist Reber davon überzeugt, dass NesWafe seinen jahrelangen Vorsprung vor unseren Wettbewerbern halten kann. Das Potential ist riesig: „Würden die heutige weltweite Waferfertigung auf unser Verfahren umgestellt, könnten pro Jahr 50 Millionen Tonnen CO 2 und 200.000 Tonnen Siliziumabfall eingespart werden.“ Die von NexWafe hergestellten Wafer sind Klone der Saatwafer und verhalten sich genauso wie konventionell hergestellte Wafer. Sie können von den Kunden direkt ohne Änderung von Prozessen oder Anlagen in bestehende Solar- UmweltMagazin April - Mai 2019 13

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