Forscher züchten Photovoltaik-Siliziumkristall in der Schwerelosigkeit

Am vergangenen Samstag startete die unbemannte Forschungsrakete TEXUS 53 des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Schweden zu einem 20-minütigen Flug ins All. Ziel der Mission war es, dass Verständnis für die Herstellung von Photovoltaik-Silizium auf der Erde zu verbessern. Das Experiment der Forscher des Fraunhofer IISB in Erlangen und der Universität Freiburg trägt den Namen Bestimmung der kritischen Einfanggeschwindigkeit von Partikeln bei der gerichteten Erstarrung von Solarsilizium im Weltall“ – oder kurz ParSiWal-II.

Die Wissenschaftler nutzten die sechs minütige Schwerelosigkeit während des Flugs, um auf der Rakete einen Siliziumkristall ohne Einfluss von Gravitation zu züchten, wie das Fraunhofer IlSB nun mitteilte. Das Experiment sollte klären, durch welche Mechanismen Siliziumnitrid-Partikel (Si3N4) bei der Kristallisation in den Siliziumkristall eingebaut würden, die sich nachteilig auf die Eigenschaften des Siliziums auswirkten. Neben Siliziumkarbid (SiC) führten sie dazu, dass die Wirkungsgrade von Solarzellen schlechter ausfielen.

„Das Einbauverhalten von SiC-Partikeln bei der Siliziumkristallzüchtung konnten wir bereits erfolgreich auf der TEXUS 51-Mission im April 2015 untersuchen“, erklärt Christian Reimann, Leiter des ParSiWal-Projektes am Fraunhofer IISB. „In einem 8 Millimeter dünnen Siliziumstab, in den zuvor SiC-Partikel eingebracht wurden, wurde mithilfe eines Spiegelofens in der Umgebung der Partikel eine flüssige Schmelzzone erzeugt. Anschließend wurde der Siliziumstab mit verschiedenen Geschwindigkeiten in der Ofenanlage verfahren. Dadurch bewegte sich die Schmelzzone durch den Stab und somit auch die sich ausbildende Fest-Flüssig-Phasengrenze."

Im Gegensatz zu diesem Referenzexperiment auf der Erde seien die SiC-Partikel im Weltraumexperiment bei deutlich geringeren Wachstumsgeschwindigkeiten in den Kristall eingebaut worden, so die Forscher. Dies liege daran, dass unter Schwerelosigkeit strömungsbedingte Kräfte fehlten, die die Partikel von der Phasengrenze wegbewegten. Für die industrielle Herstellung von Photovoltaik-Silizium auf der Erde bedeute dies, dass der Einbau von SiC-Partikeln in den Siliziumkristall durch gezieltes Rühren der Siliziumschmelze minimiert werden könne.

Bei der Weltraummission sei es nun speziell um die Untersuchung des Einbauverhaltens von Si3N4-Partikeln gegangen. Die Auswertung des Experiments wollen die Forscher in den kommenden Monaten vornehmen. Das Forschungsprojekt ParSiWal-II wird vom DLR-Raumfahrtmanagement mit Mitteln des Bundeswirtschaftsministeriums gefördert. (Sandra Enkhardt)