Arbeitsgruppe Multikristallines Silizium - Überblick

Die gerichtete Erstarrung ist der etablierte Prozess für die großtechnische Produktion von multikristallinen Siliziumblöcken für Solarzellen. Die Motivation, die Materialqualität von mc-Si zu verbessern, ist hoch, da dies zu einer deutlichen Kostensenkung in Bezug auf Preis / Wp führen würde. Gerade in der Photovoltaikindustrie richtet sich der Fokus mehr und mehr auf höhere Wirkungsgrade, und damit verbunden auf das Ziel, lebensdauerreduzierende Defekte zu verringern. Dementsprechend ist die Branche ständig gezwungen, neue Wachstumstechnologien zu entwickeln und anzuwenden.

Weil der Erstarrungsprozess ursächlich für die Entstehung der meisten Defekte verantwortlich ist, wurden neue Erstarrungskonzepte entwickelt. In der Gruppe Multikristallines Silizium werden drei Wachstumsansätze mit verschiedenen Blockqualitäten praktiziert:  Multikristallines Si, quasi-mono-Si und das sogenannte high performance mc-Si. Für diese Prozessentwicklungen wurden immer Wandermagnetfelder angewandt, um die Bedingungen an der fest-flüssigen Wachstumsfront durch gezielt eingestellte Schmelzenströme zu verbessern. Diese Prozesse wurden in G1- und G2-Öfen entwickelt, welche mit KRISTMAG® Heizer-Magnet-Modulen ausgerüstet sind.

Die Gruppe wurde mit dem Innovationspreis Berlin Brandenburg ausgezeichnet.

Schlüsselpublikationen

F.M. Kiessling, F. Büllesfeld, N. Dropka, Ch. Frank-Rotsch, M. Müller, P. Rudolph
Characterisation of Mc-Si Directionally Solidified in Travelling Magnetic Fields.
J CRYST GROWTH 360 (2012) 81-86
doi:10.1016/j.jcrysgro.2012.03.017

Ch. Kudla, A.T. Blumenau, F. Büllesfeld, N. Dropka, Ch. Frank-Rotsch, F.M. Kiessling, O. Klein, P. Lange, W. Miller, U. Rehse, U. Sahr, M. Schellhorn, G. Weidemann, M. Ziem, G. Bethin, R. Fornari, M. Müller, J. Sprekels, V. Trautmann, P. Rudolph
Crystallization of 640 Kg Mc-Silicon Ingots Under Traveling Magnetic Field by Using a Heater Magnet Module.
J CRYST GROWTH 365 (2013) 54 - 58
doi:10.1016/j.jcrysgro.2012.11.049

P. Karzel, M. Ackermann, L. Gröner, C. Reimann, M. Zschorsch, S. Meyer, F. Kiessling, S. Riepe, and G. Hahn
Dependence of Phosphorous Gettering and Hydrogen Passivation Efficacy on Grain Boundary Type in Multicrystalline Silicon.
J APPL PHYS 114 (2013) 244902
doi:10.4229/28thEUPVSEC2013-2CO.1.5

Arbeitsgruppe Multikristallines Silizium - Methoden

  • Beeinflussung und Kontrolle der Strömungsverhältnisse und Fremdstoffverteilungen in Siliziumschmelzen mit Hilfe nichtstationärer Magnetfelder

  • Züchtung nach der Vertical Gradient Freeze-Methode (VGF) in wandernden Magnetfeldern zur Beeinflussung der Morphologie der Wachstumsfront, Einstellung der Phasengrenzform und Kontrolle des Dotierungs- und Verunreinigungseinbaus in G1- (15 kg) und G2- (75 kg) konfektionierten Anlagen

  • Prozessentwicklungen zur gerichteten Erstarrung der Silizumschmelze unter dem Einfluss verschiedener nichtstationärer Magnetfelder für quasi-mono, high-performance mc-Si und multikristalline Si-Blöcke

  • Untersuchung der Auswirkungen verschiedener Materialqualität der Tiegel, der Tiegelbeschichtungen und Gasprozessparameter auf die Eigenschaften von Si-Blöcken

  • Sowohl 2D- als auch 3D-Modellierung von Temperatur- und Lorentzkraft-Feldern als auch von Strömungsfeldern in der Schmelze und Gasphase mit den Programmcodes CrysMAS und ANSYS CFX / ANSYS Emag

Arbeitsgruppe Multikristallines Silizium - Publikationen

Publikationen

 I. Buchovska, O. Liaskovskiy, T. Vlasenko, S. Beringov, F.M. Kiessling
Different Nucleation Approaches for Production of High-Performance Multi-Crystalline Silicon Ingots and Solar Cells
SOL ENERG MAT SOL C 159 (2017) 128 - 135
doi.org/10.1016/j.solmat.2016.08.038

N. Dropka, Ch. Frank-Rotsch, P. Rudolph    
Influence of Peripheral Vibrations and Traveling Magnetic Fields on VGF Growth of Sb - Doped Ge Crystals
J CRYST GROWTH 453 (2016) 27 - 33
doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2016.07.040

N. Dropka, M. Czupalle, T. Ervik, F. M. Kiessling
Scale up Aspects of Directional Solidification and Czochralski Silicon Growth Processes in Traveling Magnetic Fields.
J CRYST GROWTH 451 (2016) 95 - 102
doi:10.1016/j.jcrysgro.2016.07.020

N. Dropka, Ch. Frank-Rotsch
Enhanced VGF Growth of Single- and Multi-Crystalline Semiconductors Using Pulsed TMF.
Magnetohydrodynamics 51 (2015) 149 - 156
ISSN: 0024-998X

N. Dropka, T. Ervik,  F.M. Kiessling
Scale-Up of DS-Silicon Growth Process Under TMF.        
8th Intern. Conference on Electromagnetic Processing of Materials
EPM 2015 proceedings, Cannes, October 2015
Eds. J. Etay, Y. Fautrelle (2015) 129 - 132
HAL Id: hal-01331860

D. Linke, N. Dropka, F.M. Kiessling, M. König, J. Krause, R.-P. Lange, D. Sontag
Characterization of a 75 kg mc-Si Ingot Grown in a KRISTMAG-Type G2-Sized DS Furnace.
SOL ENERG MAT SOL C 130 (2014) 652 - 660
doi:10.1016/j.solmat.2014.04.028

J.W. Tomm, M. Hempel, F. La Mattina, F.M. Kiessling; T. Elsaesser
Analysis of Bulk and Facet Failures in AlGaAs-Based High-Power Diode Lasers.
Proc. SPIE 8640, Novel In-Plane Semiconductor Lasers XII, 86401F (March 4, 2013)
doi:10.1117/12.2003465

Ch. Kudla, A.T. Blumenau, F. Büllesfeld, N. Dropka, Ch. Frank-Rotsch, F.M. Kiessling, O. Klein, P. Lange, W. Miller, U. Rehse, U. Sahr, M. Schellhorn, G. Weidemann, M. Ziem, G. Bethin, R. Fornari, M. Müller, J. Sprekels, V. Trautmann, P. Rudolph
Crystallization of 640 Kg Mc-Silicon Ingots Under Traveling Magnetic Field by Using a Heater Magnet Module.
J CRYST GROWTH 365 (2013) 54 - 58
doi:10.1016/j.jcrysgro.2012.11.049

P. Karzel, M. Ackermann, L. Gröner, C. Reimann, M. Zschorsch, S. Meyer, F. Kiessling, S. Riepe, G. Hahn
Dependence of Phosphorous Gettering and Hydrogen Passivation Efficacy on Grain Boundary Type in Multicrystalline Silicon.
J APPL PHYS 114 (2013) 244902
doi:10.4229/28thEUPVSEC2013-2CO.1.5

M. Hempel, J.W. Tomm, F. La Mattina, I. Ratschinski, M. Schade, I. Shorubalko, M. Stiefel, H.S. Leipner, F.M. Kiessling, T. Elsaesser
Microscopic Origins of Catastrophic Optical Damage in Diode Lasers.
IEEE J SEL TOP QUANT 19 (2013) 1500508
doi:10.1109/JSTQE.2012.2236303

Patente

V. Trautmann, P. Rudolph, F.-M. Kießling, R. Fornari
Kristallisationsanlage und Kristallisationsverfahren.
Deutsches Patent- und Marktenamt 2011-06-01
DE 10 2009 046 845 A1


Europäische Gemeinschaftsmarke KRISTMAG
OHIM - Office for Harmonization in the Internal Market KristMAG®.
006368641

M. Czupalla, F.-M. Kießling, F. Kirscht, O. Klein, P. Lange, B. Lux, W. Miller P. Rudolph, M. Ziem
Verfahren zur Züchtung von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen, die in der Diamant- oder Zinkblendestruktur kristallisieren.
Deutsches Patent- und Markenamt 2014-07-17  KristMAG®.
DE 10 2009 027 436 B4  

F.M. Kießling, P. Rudolph, N. Dropka, Ch. Frank-Rotsch
Verfahren zur gerichteten Kristallisation von Ingots. 
Deutsches Patent- und Markenamt 2016-01-14
DE 10 2011 076 860 B4

P. Lange, D. Jockel, M. Ziem, P. Rudolph, F. Kießling, Ch. Frank-Rotsch, M. Czupalla, B. Nacke, H. Kasjanow
Vorrichtung zur Herstellung von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen. 
Deutsches Patent- und Markenamt 2009-10-08 KristMAG®.
DE 10 2007 028 547 B4 

F. Büllesfeld, N. Dropka, M. Miller, U. Rehse, P. Rudolph, U. Sahr
Verfahren zum Erstarren einer Nichtmetall-Schmelze / Method for the Solidification of a Non-Metal Melt.
Deutsches Patent- und Markenamt 2011-11-17 / United States Patent and Trademark Office 2011-12-22
DE 10 2008 059 521 B4 / US20110309555 A1

N. Dropka, U. Rehse, R. Peter
Verfahren zur Herstellung von Kristallblöcken hoher Reinheit.
Deutsches Patent und Markenamt 2012-11-29
DE10 2010 028 173 B4

Forschung klass Halbleiter Multi Si Bild rechts

mcSi02
Simulierte Strömungsgeschwindigkeiten in der Schmelze bei hälftig erstarrtem G2 großen QM-Si Block

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