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Das Bridgman-Verfahren in der Photovoltaik

Die sogenannten Kristalle spielen für die Fertigung der Photovoltaik-Zellen eine zentrale Rolle. Nur mit diesen können die Module nach der erfolgreichen Installation die Arbeit aufnehmen und aus der Sonnenenergie elektrischen Strom gewinnen.

Bei der Produktion der genannten Kristalle kommt unter anderem das Bridgman-Verfahren zum Einsatz. Bei der Benennung entsprechender Vorgehensweisen erfolgt die Namensfindung oft auf Basis der Erfinder, dies ist auch hier der Fall.

Das Verfahren geht auf die Physiker Bridgman und Stockaberger zurück. Bekannt ist deshalb auch die zusätzliche Bezeichnung Bridgman-Stockaberger-Verfahren

Wie funktioniert das Bridgman-Verfahren?

Der erste Schritt unterscheidet sich beim Bridgman-Verfahren kaum von den anderen gängigen Varianten, die zur Herstellung von Kristallen zum Einsatz kommen. Denn auch hier erfolgt zunächst das Aufschmelzen des sogenannte Reinstsiliciums. Das hierfür verwendete Gerät zeichnet sich im Übrigen durch eine charakteristische Form aus, hierbei handelt es sich um einen röhrenförmigen Ofen.

Die notwendigen Thermoelemente befinden sich an der Außenseite des Geräts. Um die notwendigen Temperaturen im Inneren zu erreichen und vor allem zu halten, kommt natürlich eine effektive Wärmedämmung zum Einsatz. Anschließend wird das Reinstsilicium in einem Tiegel durch den Ofen gefüllt und dann langsam nach unten abgesenkt.

Interessante Tatsache: Eine Nutzung des Verfahrens ist nicht nur für Silizium geeignet, sondern auch für viele andere Metalle und andere Materialien. Da die maximale Heiztemperatur des Ofens über der Schmelzgrenze des Materials liegt, schmilzt dieses nun langsam, während der Tiegel im Ofen verbleibt. Jetzt wird so lange gewartet, bis durch die konstante Temperatureinwirkung eine gleichmäßige Schmelze erreicht ist. Erst anschließend erfolgt das finale Absenken des Tiegels und die eigentliche Produktion der Kristalle beginnt.

Hierfür liegt die Temperatur am unteren Teil des Apparats niedriger als im Ofen. Da der Tiegelboden jetzt als Erstes in den kühleren Bereich eintritt, beginnt an dieser Stelle das Wachstum der Kristalle.

Erst dann erfolgt die Kristallisation auch im oberen Bereich. Auch der spezielle Aufbau des Tiegels spielt für die Herstellung der Kristalle eine zentrale Rolle. Denn dieser verfügt über eine Vertiefung unten, die sich dann nach oben hin verengt.

Sobald dann eine polykristalline Kristallisation beginnt, kann mithilfe der praktischen Verjüngung ein einzelner und vor allem beliebter Keim ausgewählt werden, sodass nur noch dieser nach oben hin weiter wächst. Dieser dient dann als Kern, die umgebende Schmelze setzt an diesem im weiteren Verlauf die Kristallisation fort und orientiert sich hierbei an der vorgegebenen Kristallorientierung.

Welche Vorteile bietet das Verfahren?

Zu den großen Vorteilen des speziellen Verfahrens gehören die geringen Kosten. Diese fallen gerade im Vergleich zu anderen Varianten und Möglichkeiten, die bei der Herstellung von Kristallen zur Anwendung kommen, deutlich günstiger aus. Dies macht sich auch beim fertigen Endprodukt bemerkbar, welches für die Kunden zu günstigeren Preisen zur Verfügung steht.

Welche Nachteile sollten beachtet werden?

Allerdings gilt es auch, die Nachteile zu beachten. So treten unter anderem einfach Kristallfehler auf. Zudem ist schon durch die Form des verwendeten Tiegels, der für die Nutzung des Bridgman-Verfahrens in der Photovoltaik eine zentrale Rolle spielt, die Größe des Ingots bestimmt und nachträgliche Änderungen sind nicht mehr möglich.