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Werkstoff mit Potenzial: Durch Löcher wachsen

26.05.2010: Siliziumkarbid ist ein kommendes Halbleitermaterial. In einer Diplomarbeit wurden die Qualität der Kristalle und der Epitaxieschichten genauer analysiert. Eine andere Arbeit kombiniert die Vorteile von Dünnschichtsolarzellen mit Rückseitenkontakten.

Siliziumkarbid (SiC) ist das ideale Halbleitermaterial für die Leistungselektronik. Aus ihm lassen sich zum Beispiel effiziente Leistungswandler für Elektrofahrzeuge oder Photovoltaikanlagen herstellen, aber auch Elektronik, die bei hohen Temperaturen arbeitet. Bislang sind allerdings noch wenige Bauelemente aus Siliziumkarbid auf dem Markt. Grund dafür: Die Qualität der Kristalle und Epitaxieschichen ist noch nicht ausreichend für die anspruchsvollen Anwendungen. Denn bereits winzigste Materialfehler in Form von Versetzungen können zu einer Störung im Bauelement führen. Versetzungen sind Abweichungen von der idealen Kristallgitterstruktur, welche in unterschiedlichen Varianten vorliegen können.

In seiner Diplomarbeit »Strukturelle Defektcharakterisierung von 4H-SiC Substraten und Epitaxieschichten mittels Röntgentopographie und Röntgendiffraktometrie« untersuchte Sebastian Polster vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB diese Versetzungen. Er verglich die Art und Anzahl dieser Kristallfehler anhand von Röntgenbildern, die er an der Synchrotronquelle ANKA aufnahm, mit Bildern, die mittels des herkömmlichen Ätzverfahrens im Labor erstellt wurden. Auf diese Weise gelang es ihm die Grenzen der etablierten Charakterisierungsmethode aufzeigen. Die Ergebnisse dieser Methode können nun sicherer interpretiert werden. Eine wichtige Grundlage, um schädliche Versetzungstypen im Material zu vermeiden und es gezielt zu verbessern, so dass SiC Bauelemente ihren Markt erobern werden. Für seine Leistungen wird Sebastian Polster mit dem 2. Hugo-Geiger-Preis ausgezeichnet.

Durch Löcher wachsen

Konkurrenzfähiger Strom aus preiswerten photovoltaischen Modulen: dafür arbeiten Forscher engagiert und mit Überzeugung. Zwei mögliche Konzepte um dieses Ziel zu erreichen sind Dünnschichtsolarzellen, die mit einer sehr dünnen Schicht des teuren hochreinen Siliziums auskommen und Solarzellen, deren stromableitende Kontakte nur auf der Rückseite der mit Löchern versehenen Siliziumscheiben liegen. Der Physiker Nils Brinkmann vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE zeigte in seiner Diplomarbeit »Epitaxie durch Löcher - Prozessentwicklung und Charakterisierung«, wie sich die Vorteile beider Varianten vereinen lassen.

Ein entscheidender Faktor im neuen Zellkonzept: Löcher. Durch sie hindurch wachsen die epitaktischen Schichten auf beiden Seiten der dünnen Siliziumgrundlage. Diesen völlig neuen Ansatz erarbeitete Brinkmann im Team mit seinen Kolleginnen und Kollegen mithilfe von Simulationen, die er dann in einen Herstellungsprozess umsetzte. Zudem zeigte er, wie sich der Wirkungsgrad der neuen Solarzellen weiter optimieren lässt. Nils Brinkmann wird der 3. Hugo-Geiger-Preis verliehen.

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