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Waferherstellung

Die Herstellung von Wafern ist ein zentraler Prozess in der Mikroelektronik und Photovoltaik, bei dem dünne Scheiben aus kristallinen Halbleiterrohlingen (Ingots) geschnitten werden. Diese Wafer dienen als Grundlage für die Fertigung elektronischer Bauelemente wie Chips in Smartphones und Computern sowie Solarzellen in Solarmodulen. Monokristallines Silizium ist das vorherrschende Material, aus dem Wafer gefertigt werden, wobei die Industrie auch polykristallines Material nutzt, insbesondere in der Photovoltaik. Die Größe der Wafer hat direkten Einfluss auf die Effizienz und Kosten der Produktion: größere Durchmesser ermöglichen eine höhere Ausbeute an Chips oder Solarzellen pro Wafer, was die Produktionskosten senkt. Die Fertigung von Wafern umfasst das Sägen der Ingots, wobei das Drahtsägen aufgrund seiner Präzision und geringen Materialverluste die bevorzugte Methode ist. Nach dem Sägen werden die Wafer poliert, um eine glatte Oberfläche zu erzielen, die für die weitere Verarbeitung essenziell ist. In der Photovoltaik, wo Wafer für Solarzellen verwendet werden, ist eine Politur allerdings nicht notwendig; hier liegt der Fokus auf der Reduktion der Waferdicke, um Materialkosten zu sparen und die Umweltbelastung zu minimieren. Innovative Herstellungsmethoden, die das energie- und abfallintensive Drahtsägen vermeiden, werden besonders in der Photovoltaikbranche erforscht und angewendet. Diese Verfahren zielen darauf ab, die Umweltbelastung zu reduzieren und die Effizienz der Solarzellen zu steigern. Die kontinuierliche Entwicklung in der Waferherstellung trägt somit wesentlich zur Steigerung der Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit von Photovoltaiksystemen bei.
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    Das Wort Wafer kommt aus dem englischen und bedeutet übersetzt soviel wie dünner Keks. In diesem Sinn steht es für Bauteile in der Mikroelektronik und der Photovoltaik. Diese Bauteile sind runde oder quadratische, etwa nur ein Millimeter dicke Scheiben, welche aus sogenannten Ignots, kristallinen Halbleiterrohlingen, hergestellt werden und bilden eine Grundplatte für diverse elektronische Bauelemente.

    Beispielhafte Einsatzgebiete sind Smartphones, Laptop sowie Solarzellen und Solarmodule.

    Aufbau & Herstellung

    Um einen fertigen Wafer herzustellen, benötigt man als Grundmaterial in den meisten Fällen monokristallines Silizium. Diese Scheiben werden je nach Einsatzgebiet und Halbleiterwerkstoff in verschiedenen Durchmessern, üblicherweise 150 mm, 200 mm und 300 mm, gefertigt.

    Derzeit wird geprüft, ob ein größerer Durchmesser technisch sinnvoll ist, da somit in der Produktion weniger Abschnitt erfolgen müsste und damit das Endprodukt günstiger wird. Weiterhin ist ein größerer Durchmesser sinnhaft, da hier dann auch mehr ICs, integrierte Schaltkreise oder Chips, darauf passen würden.

    Die Herstellungskosten der einzelnen Wafer hängen von der Art, unstrukturiert und strukturiert, und dem Herstellungsverfahren ab. Kosten für strukturierte oder bearbeitete Wafer steigen mit der Anzahl an Prozessschritten ab. 2008 lag der Preis für einen Computerchip mit 200 mm Durchmesser und einer Strukturgröße von 90 nm bei ungefähr 850 Euro.

    Anhand von verschiedenen Herstellungsmethoden werden sogenannte Ignots aus einem Halbleitermaterial, entweder monokristallin oder polykristallin, hergestellt. Ein Ignot ist ein quadratischer oder zylinderförmiger Block, welcher durch Einschmelzen des Halbleitermaterials, meist Silizium, hergestellt wird. Aus diesem Ignot werden dann quer zu der Längsachse die einzelnen Wafer herausgeschnitten.

    Um möglichst geringen Verschleiß bei dem Sägen zu haben, hat sich mittlerweile das Drahtsägen etabliert. Für nahezu alle Anwendungen muss die Oberfläche der einzelnen Wafer absolut Faserfrei und glatt sein. Hierzu wird der dünne Wafer vorerst geläppt und anschließend mit einer chemisch-mechanischen Politur veredelt.

    Einsatz in der Photovoltaik

    Zum Einsatz im Bereich der Energieherstellung anhand von Solarkraft kommen grundsätzlich nur zwei Arten. Zum einen sind das die monokristallinen Wafer und zum anderen die polykristallinen. Der Prozessschritt des Sägens aus Ignots ist derselbe, jedoch werden hier verschiedenen Ignots aus Ausgangsmaterial verwendet. Polykristalline Wafer werden aus quadratischen Ignots geschnitten, wobei monokristalline Wafer nach dem Sägen Quadrate mit abgerundeten Ecken sind. Hier fällt weniger Verschnitt an, welche dadurch günstiger sind und eine bessere Umweltbilanz vorweisen. Bei dem Prozess des Sägens werden mit Schneidhilfsmitteln gearbeitet. Diese Schneidhilfsmittel sowie der Drahtabrieb beim Sägen verbindet sich mit dem Abrieb und formt eine Suspension. Diese Suspension muss entsorgt werden und kann so nicht wiederverwertet werden.

    Den Firmen Evergreen Solar oder Schott Solar ist es gelungen, andere Herstellungsverfahren zu entwickeln, mit welchen das abwasser-, energie- und abfallintensive Drahtsägen obsolet wird. Anders als in der Mikroelektrik ist die Waferdicke in der Photovoltaik weitaus dünner. Lediglich circa 200 Mikrometer misst eine einzelne Wafer in der Massenproduktion. Im Bereich der Solarzellen ist keine Politur notwendig und diese Wafer könne direkt zu einzelnen Solarzellen transformiert werden. Diese Solarzellen zusammengeschnürt in einem Paket geben dann ein fertiges Solarmodul.

    Carsten Steffen
    Autor: Carsten Steffen
    Carsten Steffen, Gründer von photovoltaik.sh, bringt sein tiefes Verständnis für Photovoltaik und seine Begeisterung für erneuerbare Energien ein, um Kunden in Schleswig-Holstein seit 2021 schneller und kostengünstiger zu ihrer eigenen Photovoltaikanlage zu verhelfen. Ermöglicht wird das Dank der Zusammenarbeit mit lokalen Solarteuren. Regelmäßige Schulungen runden unsere Expertise ab. Mit der Gründung von photovoltaik.sh sind wir Ihr vertrauenswürdigen Partner für alle, die ihren Stromverbrauch nachhaltig gestalten möchten.
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