Entwicklung von Mehrgrößen-Konzepten zur Temperaturgradientenregelung beim Kristallzüchtungsprozess für Solar-Silizium unter Magnetfeldeinfluss (SOL-SIL CNTRL)

In den letzten Jahren wurden verstärkt Anstrengungen unternommen, um durch den Einsatz von magnetischen Wanderfeldern die physiklischen Prozesse bei der gerichteten Erstarrung und beim Kristallziehen aus der Schmelze gezielt beeinflussen zu können. Konstruktiv wird dieser Effekt mittels elektromagnetischer Spulensysteme realisiert, die durch leistungselektronische Stellglieder hochdynamisch angesteuert werden. Die elektromagnetischen Spulen erfüllen dabei eine Doppelfunktion: Zum einen wird durch den Gleichstromanteil das Silizium knapp über der Schmelztemperatur gehalten. Zum anderen wird mit überlagerten phasenverschobenen Wechselströmen ein magnetisches Wanderfeld (MWF) erzeugt, dass die gezielte Beeinflussung der Strömung und des Temperaturfeldes in der Schmelze ermöglicht. Es ist bisher theoretisch und im Labormaßstab nachgewiesen worden, dass durch ein abwärts gerichtetes MWF eine Verringerung des radialen Temperaturgradienten im Bereich der Phasengrenze und damit eine Minimierung der lokalen thermischen Spannungen erreicht wird. Dies hat eine geringere Versetzungsdichte in den Kristallen und damit eine signifikante Qualitätssteigerung der Silizium-Solarzellen zur Folge.

Um den genannten Effekt im industriellen Maßstab zuverlässig einsetzen zu können, besteht noch Forschungsbedarf bezüglich der Verbesserung der Regelung des Temperaturgradientenfeldes durch die unabhängige Verstellung des Gleich- und Wechselstromanteils. Ziel ist es, ein zuvor definiertes Temperaturgradientenfeld so zu regeln, dass die Kristallisationsfront während der Erstarrung definiert von unten nach oben wächst. Als Stellgröße der Temperaturgradientenregelung dient ein Feld aus örtlich konzentrierten Heizern, die sich neben und unterhalb der Schmelze befinden. Die Regelstrecke ist ein System mit einem örtlich kontinuierlich verteilten Temperaturfeld.

Um die Vielzahl von theoretischen Ansätzen zur Regelung örtlich verteilter Systeme bewerten und problemadäquat einsetzen zu können, bedarf es der Berücksichtigung von zusätzlichen technischen Anforderungen. Diese ergeben sich aus der Gerätetechnik bestehender und zukünftiger Systeme und den Anforderungen, die an die Inbetriebnahme und den laufenden Betrieb in der Serienfertigung gestellt werden.

Zusammengefasst werden die folgenden Zielsetzungen verfolgt:
-Untersuchung, Auswahl und experimentelle Validierung eines für die industrielle Praxis geeigneten modellbasierten Verfahrens zur Regelung des Temperaturgradienten unter Verwendung bestehender elektronischer Stellglieder (Heizelemente mit leistungselektronischer Ansteuerung),
-Auswahl von Regleranforderungen, welche möglichen Kundenwünsche berücksichtigen, wie z.B einfache Parametrierbarkeit und schneller Durchsatz.

Literatur:

[1] Pätzold, O., Lantzsch, R., Grants, I., Stelter, M. und Gerbeth, G.: Vertical Gradient Freeze growth in a combined magnetic AC/DC field, Proc. 7th Intern. pamir Conf. on Fundamental and Applied MHD, Persqu’le de Giens, France (2008), S. 633-635.

[2] Galindo, V., Grants, I., Lantzsch, R., Pätzold, O. und Gerbeth, G.: Numerical and experimental modeling of the melt flow in a travelling magnetic field. Journal of Crystal Growth 303, 2007, S. 258-261.

Projektlaufzeit

1.8.2011 - 31.3.2012

Projektleitung

Kooperationspartner

  • AUTEAM GmbH, Fredersdorf

Mittelgeber

Das Ministerium für Wirtschaft und Europaangelegenheiten, Land Brandenburg

Förderprogramme

BIG - Brandenburger Innovationsgutschein