Reinstes Wasser für maximalen Wirkungsgrad von Solarzellen

Bei der Herstellung von Solarwafern und Solarzellen werden höchste Anforderungen an die
Reinheit des verwendeten Wassers für Reinigungs- und Spülzwecke gestellt. Moderne Online-
Messverfahren überwachen die Qualität von UPW hinsichtlich ionischer und organischer
Verunreinigungen im Spurenbereich in Echtzeit mit höchster Präszision.

(firmenpresse) - Reinstwasser in der Solarzellenproduktion
UPW wird in der Halbleiter- und Solarwafer-Produktion in großen Mengen und in
hochreiner Qualität benötigt. Nachdem aus den Siliziumsäulen (Ingots) durch Drahtsägen
die Rohwafer gewonnen wurden, werden diese durch Reinigungsprozesse vom
Schleifmittel (Slurry) befreit und im letzten Spülgang mit UPW gewaschen. Nach der
Texturierung der Oberfläche mit Kalilauge (KOH) oder Gemischen von Flusssäure und
Salpetersäure (HF / HNO3) werden durch eine weitere Spülung mit Reinstwasser Reste
der Ätzbäder entfernt. Danach wird durch Phosphordiffusion der p / n-Übergang
geschaffen. Die dabei auf der Oberfläche entstehende Phosphorglasschicht muss durch
eine Oxidätze entfernt werden, die einen weiteren Spülgang erfordert, bevor zur
Reduzierung von optischen Verlusten und zur elektrischen Oberflächenpassivierung eine
blaue Antireflexionsschicht aufgetragen wird (Coating). Eine saubere Oberfläche der
Wafer vor den Verarbeitungsschritten Phosphordiffusion und Coating ist unerlässlich für
die Erreichung eines maximalen Wirkungsgrades der späteren Solarzelle. Auch bei der
Verarbeitung der Solarzellen zu Modulen in der Matrixeinheit spielt die saubere
Oberfläche der Spezialglasscheiben eine entscheidende Rolle, bevor im Laminator die
Zellen in das Glas-Folien-Sandwich eingebettet werden. Der letzte Spülgang (Final
Rinse) mit Reinstwasser höchster Qualität stellt sicher, dass die Silizium- und
Glasoberflächen keine Verschmutzungen durch Ablagerungen von Salzen oder
organischen Verbindungen aufweisen und so den Wirkungsgrad der Solarzellen negativ
beeinträchtigen. Die Qualität des Reinstwassers nach Erzeugung und im Verteilsystem
wird online durch hochpräzise Leitfähigkeitsmessungen und TOC-Bestimmungen
überwacht. Desweiteren wird anhand dieser Messungen entschieden, ob niedrig belastete

Spülwässer dem UPW-Aufbereitungssystem wieder zugeführt (Recycle) oder anderweitig
(Reclaim) verwendet werden, was die nicht unerheblichen Kosten für die
Wasseraufbereitung signifikant senken kann.

Hochpräzise Leitfähigkeitsmessung
In der Halbleiter- und Photovoltaikindustrie werden die höchsten Anforderungen an die
Reinheit von Wasser gestellt. Zum Einsatz kommt Wasser mit einer Leitfähigkeit, die dem
theoretischen Wert von 0,005501 μS/cm bei 25 °C entspricht. Zur Überwachung auf
ionische Verunreinigungen wird in diesen Branchen der reziproke Wert der
elektrolytischen Leitfähigkeit, der spezifische Widerstand, angegeben. Angestrebt wird
dabei ein Wert von 18,18 MV 3 cm bei 25 °C. Das Temperaturverhalten von Reinstwasser
ist mit einem Koeffizienten von 4 bis 7 %/K deutlich anders als bei gewöhnlichen
Elektrolyten (z.B. ca. 2 %/K für KCl). Darum müssen für eine präzise
Temperaturkompensation spezielle Algorithmen für Reinstwasser zugrunde gelegt
werden. Neben diesen Rechenverfahren ist die exakte Bestimmung der Zellkonstanten
der Leitfähigkeitssensoren von höchster Bedeutung für die Genauigkeit der Messung.
Mettler-Toledo Thornton ist seit 1964 mit großem Erfolg auf dem Gebiet der
Reinstwasseranalytik tätig und verfügt anerkanntermaßen über die präzisesten
Messsysteme für die Bestimmung des spezifischen Widerstands / der elektrolytischen
Leitfähigkeit in Rein- und Reinstwasser. Auf dem speziellen Teststand «AutoLoop»
werden im Herstellerwerk von Thornton die Zellkonstanten der Leitfähigkeitssensoren mit
einer maximalen Unsicherheit von nur ± 1 % bestimmt. Als Kalibriermedium kommt dabei
Reinstwasser zum Einsatz, das auch dem späteren Arbeitsbereich der Messzellen in UPW-
Anwendungen entspricht. Die Zellkonsanten sind zudem rückführbar auf allgemein
anerkannte Standards wie sie von ASTM und NIST festgelegt sind.

Schnellste TOC Bestimmung
Da über den spezifischen Widerstand in der Regel keine Aussage über organische
Verunreinigungen getroffen werden kann, müssen diese mit einem TOC Analyzer
überwacht werden. Die Grenzwerte für UPW liegen nach Vorgaben der Anlagenbetreiber
bei 1 oder 0,5 ppb Kohlenstoff (μg/L C). Der Sensor 5000TOC von Thornton ist der
derzeit schnellste Analyzer auf dem Markt. Statt einer Batch-Oxidation, die Anlysenzeiten
von typischerweise 7 bis 15 Minuten benötigt, verwendet er das Verfahren der
dynamischen UV-Oxidation. Ein Probenstrom des UPW durchfließt im offenen Bypass mit
20 mL/min permanent den Analysator. Zunächst wird die Eingangsleitfähigkeit
gemessen, dann durchströmt die Probe eine Wendel aus Quarzglas und wird mit
energiereichem UV-Licht bei 185 nm bestrahlt. Die durch Radiolyse entstehenden
hochreaktiven Hydroxylradikale oxidieren organische Inhaltsstoffe komplett zu CO2, das
im Wasser Kohlensäure bildet. Kohlensäure ist eine schwache Säure und dissoziert zum
geringen Teil in Wasserstoffionen H+ und Hydrogencarbonat HCO3–. Durch die Bildung
von H3O+-Ionen steigt die Leitfähigkeit an, und über die Differenz der Leitfähigkeit vor
und nach UV-Oxidation wird der TOC-Gehalt berechnet.

CO2 + H2 0 →H2 CO3
H2 CO3 + H2 0 →H3O+ + HCO3-

Diese Methode ist nicht nur besonders schnell, sondern auch besonders
wartungsfreundlich,
da auf bewegliche Teile wie Pumpen, sowie Chemikalien und Membranen vollständig
verzichtet werden kann. Lediglich die UV-Lampe muss in regelmäßigen Intervallen
ausgetauscht werden. Mit einer Nachweisgrenze von 0,025 ppb C und einer Ansprechzeit
von <1 Minute werden die strengen Anforderungen der Photovoltaik- und
Halbleiterindustrie an das Messsystem vollumfänglich erfüllt.

Hohe Flexibilität durch Intelligente Multiparameter-Mehrkanal-Messsysteme
Der Transmitter 770MAX von Thornton ist ein Mehrkanal-Messgerät, das über zwei
analoge Pulseingänge und vier sogenannte Smart-Kanäle verfügt. Erstere finden
Verwendung für die Durchflussmessung mit Flügelrad- oder Vortex-Durchflusssensoren.
Die Smart-Kanäle werden meist mit Sensoren für Leitfähigkeit und TOC belegt, es
können auch Sensoren für die Messung von pH-Wert, Redox-Potential, gelöstem
Sauerstoff und Ozon angeschlossen werden. Eine Besonderheit der Smart-Technologie
stellt die «Plug and Measure» Funktionalität dar, die die Sensoren automatisch erkennt,
ihre charakteristischen Daten automatisch einliest und das Messsystem selbstätig
konfiguriert. Dadurch werden der Aufwand für Installation und Inbetriebnahme auf ein
Minimum reduziert und Bedienungsfehler eliminiert. Desweiteren verfügt er für die
Anbindung an die Prozesssteuerung oder ein Leitsystem über acht analoge 0/4 … 20 mA
Signale, vier Schaltkontakte und eine digitale RS232-Schnittstelle, die auch eine
Integration in Profibus® DP-Netzwerke erlaubt.

Produkt Update
Der 5000TOC wurde nun durch den 5000TOCe abgelöst. Änderungen in der Hard- und
Software führen zu noch weiteren Verbesserungen bei Zuverlässigkeit und
Langzeitstabilität.

Fazit
Die Güte von Ultra Pure Water ist mitentscheidend für die Produktqualität von
Solarwafern, -zellen und - modulen. Moderne Reinstwasser-Analysensysteme garantieren
die geforderte Wasserqualität hinsichtlich Leitfähigkeit und TOC und sind aufgrund ihres
modularen Konzepts sehr flexibel für die Anlagensteuerung und in der Qualitätssicherung
einsetzbar.

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Bereitgestellt von Benutzer: MettlerToledo
Datum: 07.04.2011 - 07:15 Uhr
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