Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Weltraumexperiment verbessert Verständnis der Vorgänge bei der Produktion von Solarsilizium

27.01.2016

Am 23. Januar 2016 um 9:30 Uhr Mitteleuropäischer Zeit startete vom Raumfahrtzentrum Esrange bei Kiruna in Schweden die unbemannte Forschungsrakete TEXUS 53 in den Weltraum. Der zwanzigminütige Flug der 12,5 Meter hohen und 2,6 Tonnen schweren Rakete des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ging auf eine Höhe von 259 Kilometern. Während des Fluges herrschte sechs Minuten lang Schwerlosigkeit. Forscher des Fraunhofer IISB und der Universität Freiburg nutzten diese Zeit, um auf der Rakete einen Siliziumkristall ohne Einfluss von Gravitation zu züchten.

Das Experiment mit der Kurzbezeichnung ParSiWal-II („Bestimmung der kritischen Einfanggeschwindigkeit von Partikeln bei der gerichteten Erstarrung von Solarsilizium im Weltall“) hilft dabei, die Herstellung von Siliziumkristallen für die Photovoltaik auf der Erde besser zu verstehen. Nach dem Flug von TEXUS 53 brachte ein Fallschirm die Nutzlasten wohlbehalten zum Boden zurück.


Siehe IPTC-Daten

Fraunhofer IISB

Um die industrielle Herstellung von Siliziumkristallen für die Photovoltaik unter terrestrischen Bedingungen besser zu verstehen, führten Forscher vom Fraunhofer IISB in Erlangen und von der Universität Freiburg auf der deutschen Forschungsrakete TEXUS 53 das Weltraumexperiment ParSiWal-II durch.

Das Experiment sollte klären, durch welche Mechanismen Siliziumnitrid-Partikel (Si3N4) bei der Kristallisation in den Siliziumkristall eingebaut werden. Diese Si3N4 wirken sich nämlich nachteilig auf die Eigenschaften des Siliziums aus. ParSiWal-II wird vom DLR-Raumfahrtmanagement mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert.

Bei der Produktion von Silizium für die Photovoltaik spielen Partikel in Form von Siliziumkarbid (SiC) und Siliziumnitrid (Si3N4) eine große Rolle. Diese sind problematisch für die mechanische Bearbeitung und können den Wirkungsgrad von Solarzellen verschlechtern. In der industriellen Produktion muss deshalb der Einbau der Partikel in den Siliziumkristall vermieden werden.

SiC-Partikel entstehen während der Kristallisation in der Siliziumschmelze. Dabei wird der Kohlenstoff über die Gasphase in die Schmelze eingebracht. Si3N4-Partikel werden hingegen vor allem durch Erosion der standardmäßig eingesetzten Si3N4-Tiegel­beschichtung in die Schmelze eingetragen. Beide Partikelarten bewegen sich dann mit der Strömung durch das Schmelzvolumen und werden schließlich in den Festkörper eingebaut.

„Das Einbauverhalten von SiC-Partikeln bei der Siliziumkristallzüchtung konnten wir bereits erfolgreich auf der TEXUS 51-Mission im April 2015 untersuchen“, erläutert Dr. Christian Reimann, Leiter des ParSiWal-Projektes am Fraunhofer IISB. „In einem 8 mm 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 zum Referenzexperiment auf der Erde wurden die SiC-Partikel im Weltraumexperiment bei deutlich geringeren Wachstumsgeschwindigkeiten in den Kristall eingebaut.

Das liegt daran, dass unter Schwerelosigkeit strömungsbedingte Kräfte fehlen, die die Partikel von der Phasengrenze wegbewegen. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass auf der Erde in der industriellen Produktion der Einbau von SiC-Partikeln in den Siliziumkristall durch gezieltes Rühren der Siliziumschmelze minimiert werden kann.

In der TEXUS 53-Mission wurde jetzt das Einbauverhalten von Si3N4-Partikeln untersucht. Diese unterscheiden sich von SiC bezüglich ihrer Morphologie und in ihrem Benetzungsverhalten. Während die benetzenden SiC-Partikel isometrisch sind, liegt Si3N4 eher nadelförmig vor und verhält sich je nach Verunreinigungsgehalt nicht benetzend.

„Aus theoretischen Modellen ist bekannt, dass beide Größen – also Morphologie und Benetzungsverhalten – die Kräfte, die auf Partikel in der Schmelze vor der Phasengrenze wirken, beeinflussen. Mit dem neuen Weltraumexperiment können wir untersuchen, ob die existierenden Theorien diese Unterschiede richtig wiedergeben oder ob sie um bislang noch nicht berücksichtigte physikalische Effekte erweitert werden müssen“, so Dr. Reimann.

Die Auswertung des Experimentes erfolgt in den nächsten Monaten nach der Rückkehr der Probe zum Fraunhofer IISB. Im Labor lässt sich zum Beispiel exakt die Partikelverteilung im Siliziumstab bestimmen und die existierenden Theorien können auf ihre Gültigkeit überprüft werden.

ParSiWal setzt die lange Tradition der Erlanger Weltraumexperimente auf dem Gebiet der Kristallzüchtung fort. So züchteten Erlanger Forscher bereits auf früheren Raketenflügen (1984, 1988, 1989, 1992, 2015) und sogar auf dem Space Shuttle (1983, 1985, 1993) technische Kristalle.

Zudem hat die am Fraunhofer IISB entwickelte Software CrysMAS® vor etwa 10 Jahren ein aufwendiges Qualifizierungsverfahren bei der Europäischen Raumfahrtagentur ESA bestanden. Seitdem wird das Programm CrysMAS®, das Temperaturverteilungen in Ofenanlagen berechnet, von Experimentatoren aus ganz Europa erfolgreich eingesetzt, um materialwissenschaftliche Experimente auf der Internationalen Raumstation ISS zu unterstützen.

Die Projekte ParSiWal und ParSiWal II wurden vom DLR-Raumfahrtmanagement mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert.

Ansprechpartner
Dr. Jochen Friedrich
Fraunhofer IISB
Schottkystraße 10, 91058 Erlangen, Germany
Tel. +49-9131-761-270
Fax +49-9131-761-280
info@iisb.fraunhofer.de

Das Bildmaterial zur redaktionellen Verwendung finden Sie unter www.iisb.fraunhofer.de

Fraunhofer IISB
Das 1985 gegründete Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnol-gie IISB betreibt angewandte Forschung und Entwicklung auf den Gebieten der Mikro- und Nanoelektronik, Leistungselektronik und Mechatronik. Mit Technologie-, Geräte- und Materialentwicklungen für die Nanoelektronik sowie seinen Arbeiten zu leistungselektronischen Systemen für Energieeffizienz, Hybrid- und Elektroautomobile genießt das Institut internationale Aufmerksamkeit und Anerkennung. Rund 230 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter arbeiten in der Vertragsforschung für die Industrie und öffentliche Einrichtungen. Neben seinem Hauptsitz in Erlangen hat das IISB zwei weitere Standorte in Nürnberg und Freiberg. Das IISB kooperiert eng mit dem Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.

Weitere Informationen:

http://www.iisb.fraunhofer.de Homepage Fraunhofer IISB
http://www.iisb.fraunhofer.de/presse Pressemeldungen Fraunhofer IISB

Kommunikation | Fraunhofer-Gesellschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Forscher entwickeln effizientere Systeme für Brennstoffzellen und Kraft-Wärme-Kopplung
19.04.2017 | EWE-Forschungszentrum für Energietechnologie e. V.

nachricht Forscher entwickeln Elektrolyte für Redox-Flow-Batterien aus Lignin aus der Zellstoffherstellung
18.04.2017 | Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Im Focus: Wonder material? Novel nanotube structure strengthens thin films for flexible electronics

Reflecting the structure of composites found in nature and the ancient world, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have synthesized thin carbon nanotube (CNT) textiles that exhibit both high electrical conductivity and a level of toughness that is about fifty times higher than copper films, currently used in electronics.

"The structural robustness of thin metal films has significant importance for the reliable operation of smart skin and flexible electronics including...

Im Focus: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Forschungsexpedition „Meere und Ozeane“ mit dem Ausstellungsschiff MS Wissenschaft

24.04.2017 | Veranstaltungen

3. Bionik-Kongress Baden-Württemberg

24.04.2017 | Veranstaltungen

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Phoenix Contact übernimmt Spezialisten für Netzleittechnik

24.04.2017 | Unternehmensmeldung

Phoenix Contact beteiligt sich an Berliner Start-up Unternehmen für Energiemanagement

24.04.2017 | Unternehmensmeldung

Phoenix Contact übernimmt Spezialisten für industrielle Kommunikationstechnik

24.04.2017 | Unternehmensmeldung