Die Verleihung des Ulrich-Gösele-Young-Scientist-Awards 2018 fand während der internationalen Konferenz „Crystalline Silicon for Solar Cells“ in Sendai in Japan statt. Der Preis ehrt junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die herausragende wissenschaftlich-technische Beiträge auf dem Gebiet des Silizium-Grundmaterials, der Züchtung von Siliziumkristallen, der Herstellung von Silizium-Wafern oder des so genannten Defect Engineering von Silizium speziell für Photovoltaikanwendungen erzielt haben. Namensgeber ist Prof. Dr. Ulrich Gösele, der auch nach seinem Tod als einer der weltweit renommiertesten Wissenschaftler auf dem Gebiet der Halbleiterphysik und -technik gilt.

Siliziumkristalle als Basis für Solarzellen werden aus einer über 1400 °C heißen Siliziumschmelze hergestellt, die kontrolliert abgekühlt wird und dabei – ausgehend von einem Kristallisationskeim – „gerichtet“ erstarrt. Die so produzierten Kristalle bestehen aus vielen kleinen, aneinandergrenzenden, einkristallinen Bereichen, den Körnern, und weisen ein multikristallines Gefüge auf. Bei der gerichteten Erstarrung werden allerdings Kristallfehler in den Siliziumkristall eingebaut, die letztendlich den Wirkungsgrad und damit die elektrische Leistungsfähigkeit der aus den Kristallblöcken gefertigten Solarzellen begrenzen. Die dafür verantwortlichen Kristallfehler sind insbesondere Versetzungen und metallische Verunreinigungen.

Für die Verringerung der schädlichen Versetzungen hat es sich als zielführend erwiesen, über eine entsprechende Vorgabe von Kristallisationskeimen zu Kristallisationsbeginn am Tiegelboden ein möglichst feinkörniges Gefüge des multikristallinen Siliziums einzustellen. Dieses sogenannte High Performance Multi-Silizium, kurz HPM, führt zu höheren Wirkungsgraden der Solarzellen als konventionelles multikristallines Silizium mit grobkörnigem Gefüge. Aufbauend auf grundlegenden Experimenten und theoretischen Überlegungen entwickelte Herr Trempa gemeinsam mit seinem Team ein fundiertes Verständnis der Keimbildungs- und Kornwachstumsprozesse, die während der Züchtung auftreten. „HPM-Silizium kann auf unterschiedliche Arten realisiert werden: Durch Ankeimen auf einem geeigneten Siliziumrohstoff, durch Optimierung der Morphologie der Siliziumnitridbeschichtung des Tiegels oder durch geeignete Konditionierung des Quarzguttiegels“, erläutert Matthias Trempa. „Jedoch gehen die Vorteile des HPM-Siliziums verloren, wenn die Siliziumkristalle sehr lang werden, da sich energetisch bedingt das feinkörnige Gefüge in ein eher grobkörniges Gefüge umwandelt.“

Für die Vermeidung der metallischen Verunreinigungen spielen ebenfalls die Siliziumnitridbeschichtung und insbesondere der Quarzguttiegel eine große Rolle. Hier arbeitet Herr Trempa derzeit mit seinen Kolleginnen und Kollegen an der Optimierung der Beschichtungszusammensetzung, um den Metalleintrag in das Silizium zu reduzieren. Zum anderen mindern spezielle diffusionshemmende Schichten auf den Innenflächen des Quarzguttiegels die Eindiffusion von Metallen aus dem Tiegel in das Silizium. „Mit beiden Varianten bestehen einfache und damit kostengünstige technologische Maßnahmen, die Ausbeute an gutem Material zu steigern“, so Trempa.

Die von Matthias Trempa gewonnenen wissenschaftlich-technologischen Ergebnisse zur Defektvermeidung bei der Siliziumkristallproduktion helfen der deutschen Zulieferindustrie, ihre spezifischen Produkte auf dem hart umkämpften Weltmarkt besser platzieren zu können.