De productie van zonnecellen is een uiterst nauwkeurig en technologisch veeleisend proces dat bestaat uit een groot aantal chemische, fysische en thermische processtappen. Zonnecellen, de basis voor fotovoltaïsche systemen, zetten zonne-energie rechtstreeks om in elektrische energie en spelen een sleutelrol in duurzame energieopwekking. De industriële productie van zonnecellen vereist uitgebreide waterzuiverings- en afvalwaterzuiveringssystemen, aangezien er hoge zuiverheidseisen zijn voor het proceswater en er afvalwater met specifieke verontreinigende stoffen wordt geproduceerd.

Overzicht van de productie van zonnecellen

Zonnecellen bestaan voornamelijk uit halfgeleidermaterialen, met name silicium, en worden in verschillende opeenvolgende stappen vervaardigd. Er wordt onderscheid gemaakt tussen de productie van monokristallijne, polykristallijne en dunne-film zonnecellen.

1. productie van siliciumschijven

De grondstof voor zonnecellen is zeer zuiver silicium, dat wordt verkregen met behulp van energie-intensieve processen:

• Smeltproces:
  • Zuiver silicium wordt gesmolten en gekristalliseerd bij hoge temperaturen (Czochralskiproces voor monokristallijn silicium, gietproces voor ingots voor polykristallijn silicium).
• Zagen en snijden:
  • De siliciumblokken worden in flinterdunne wafers gezaagd (meestal 150-200 µm).

2. voorbereiding van het oppervlak

De waferoppervlakken worden chemisch behandeld om de textuur te optimaliseren en defecten te verwijderen:

• Ets:
  • Verwijderen van zaagsporen en verontreiniging door chemisch of alkalisch nat etsen.
  • Typische chemicaliën: fluorwaterstofzuur (HF), kaliumhydroxide (KOH).
• Schoonmaken:
  • Gebruik van ultrazuiver water (UPW), dat vrij is van deeltjes, ionen en organische verbindingen.

3. dotering en laagvorming

De elektrische geleiding van de zonnecellen wordt specifiek beïnvloed door doping met vreemde atomen zoals fosfor of boor:

• Diffusie:
  • Genereren van een pn-overgangslaag door behandeling bij hoge temperatuur met doteringsgassen (bijv. fosfortrichloride, boortrioxide).
• Antireflecterende coating:
  • Toepassing van siliciumnitride (Si₃N₄) of andere materialen om de lichtreflectie te minimaliseren.

4. metallisatie

• Contactstructuur:
  • Printen en sinteren van metalen geleidersporen (bv. zilverpasta's) op de voor- en achterkant van de wafers.

5. assemblage en kwaliteitsborging

• Lamineren:
  • Zonnecellen worden gelamineerd met beschermende lagen en glasplaten.
• Elektrische testen:
  • De cellen testen op efficiëntie, kortsluitstroom en open-circuit spanning.

Waterbehoefte en -vereisten bij de productie van zonnecellen

Voor de productie van zonnecellen zijn grote hoeveelheden proceswater nodig, met name ultrazuiver water (UPW), dat bijna volledig vrij moet zijn van onzuiverheden. De kwaliteit van het water is cruciaal, omdat zelfs de kleinste deeltjes of chemische residuen de efficiëntie en kwaliteit van de zonnecellen kunnen aantasten.

Watertoepassingen in productie

1. Reinigen en spoelen:
   • Verwijderen van chemicaliën en deeltjes na ets-, diffusie- of coatingprocessen.
2. Baden voor chemische processen:
   • Gebruik van ultrazuiver water als oplosmiddel in natte ets- en reinigingsbaden.
3. Koeling:
   • Gebruik van water in koelsystemen voor thermische processen (bijv. diffusie of sinteren).

Belangrijke kwaliteitsparameters

1. Geleidbaarheid:

   • Reinstwasser weist eine extrem niedrige Leitfähigkeit auf (< 0,1 µS/cm). Idealerweise liegt die Leitfähigkeit bei 0,055 µS/cm (theoretischer Wert für vollständig deionisiertes Wasser bei 25 °C).
   • Een laag geleidingsvermogen is een indicator voor het minimale gehalte aan opgeloste zouten en ionen.

2. Totaal organische koolstof (TOC):

   • TOC-waarden moeten lager zijn dan 5 ppb om de aanwezigheid van organische verbindingen te minimaliseren.
   • Organische stoffen kunnen zich afzetten op de siliciumwafers en de efficiëntie van de zonnecellen verminderen.

3. Deeltjes:

   • Partikelfreiheit ist entscheidend, da schon mikroskopische Partikel (< 0,1 µm) die Struktur der Wafer beschädigen können.
   • De deeltjesconcentratie moet dicht bij nul liggen.

4. Bacteriën en pyrogenen:

   • Bakterien müssen vollständig entfernt werden (< 1 KBE/mL).
   • Pyrogenen (bacteriële resten) mogen niet aanwezig zijn.

5. Ionenvrij:

   • Kationen (bv. natrium, kalium) en anionen (bv. chloride, sulfaat) moeten bijna volledig verwijderd worden om corrosie en chemische reacties te vermijden.

6. Silica (SiO₂):

   • Siliziumdioxid ist ein natürlicher Bestandteil vieler Wässer und muss vollständig entfernt werden (< 1 ppb), um Ablagerungen auf den Wafern zu vermeiden.