'/%3E%3C/svg%3E){kind=small}
In het vorige artikel lazen we hoe ruwe kwarts stap voor stap wordt omgezet naar polysilicium — kleine, glanzende korrels van bijna puur silicium. Maar een zak korrels wordt geen zonnepaneel. Voordat er een zonnecel van gemaakt kan worden, wordt het silicium eerst omgezet naar een ingot: een grote cilinder van kristallijn silicium met een zeer specifieke structuur. In dit artikel leggen we uit hoe zo’n ingot wordt gemaakt, en waarom die kristalstructuur zo belangrijk is.
Van korrels naar vloeibaar silicium
Het proces begint met het smelten van het polysilicium. De korrels gaan in een grote kroes van kwartsglas of grafiet en worden verhit tot ongeveer 1420 graden Celsius — het smeltpunt van silicium. Dat klinkt heet, en dat is het ook: ter vergelijking, lava uit een vulkaan is zo’n 1200 graden.
Tijdens het verhitten wordt de temperatuur nauwkeurig gecontroleerd. Te heet en de kwaliteit van het silicium lijdt eronder, te koel en het stolt te snel. Wanneer alle korrels volledig gesmolten zijn, ontstaat een bad van vloeibaar, ultrazuiver silicium. Dat vloeibare silicium is het startpunt voor de volgende stap: het kweken van een ingot door middel van het Czochralski-proces.
Hoe wordt een ingot gekweekt?
Een ingot is een grote, cilindrische staaf van kristallijn silicium. Hij wordt niet gegoten of geperst, maar langzaam gekweekt vanuit het vloeibare silicium. Dat gebeurt via het Czochralski-proces, vernoemd naar de Poolse wetenschapper Jan Czochralski die het in 1916 ontdekte.
Het Czochralski-proces werkt als volgt. Een klein stukje vast silicium, een zaadkristal, wordt in het vloeibare bad gedompeld. Dat zaadkristal heeft al de juiste kristalstructuur. Het vloeibare silicium hecht zich hieraan vast en begint mee te kristalliseren in dezelfde structuur.
Terwijl het zaadkristal langzaam omhoog wordt getrokken, en tegelijk roteert, groeit er een steeds grotere cilinder aan de onderkant. De snelheid waarmee dit gebeurt, en de temperatuur van het bad, bepalen de kwaliteit en diameter van de ingot.
Het eindresultaat is een ingot van ongeveer één meter lang en tot 30 centimeter in doorsnede. Zo’n ingot weegt al snel 100 tot 300 kilo.
Waarom is de kristalstructuur zo belangrijk?
Binnenin de ingot zitten alle siliciumatomen in een perfect herhalend patroon gerangschikt. Dat noem je een monokristallijne structuur. Die structuur is belangrijk omdat elektronen er makkelijk doorheen kunnen bewegen — en dat is precies wat je nodig hebt om stroom efficiënt op te wekken.
Er bestaat ook een goedkopere variant: polykristallijn silicium. Hierbij wordt het silicium in een blok gegoten in plaats van langzaam gekweekt. De atomen liggen dan niet in één doorlopend patroon, maar in meerdere kleine kristal-orrientaties door elkaar. Dat maakt de productie goedkoper, maar de efficiëntie iets lager. Oudere zonnepanelen met een blauw gespikkeld patroon zijn vaak van polykristallijn silicium gemaakt.
Van ingot naar wafer
Voordat de ingot verder verwerkt kan worden, worden de zijkanten rechtgeslepen. De cilindervorm is handig tijdens het kweken, maar voor het zagen wil je een meer rechthoekige vorm.
Daarna wordt de ingot in dunne plakjes gezaagd: wafers. Dat gebeurt met een draadzaag — een systeem van duizenden dunne draden die tegelijkertijd door het silicium snijden. In één zaagbeweging worden zo honderden wafers tegelijk gesneden.
Een wafer is ongeveer 170 micrometer dik. Dat is dunner dan twee mensenharen naast elkaar. Ze zijn breekbaar en worden na het zagen zorgvuldig gereinigd en gecontroleerd op beschadigingen.
Wel gaat er bij het zagen altijd wat materiaal verloren als zaagstof. Dat is verspild zuiver silicium, en fabrikanten doen hun best om dit zoveel mogelijk te hergebruiken.
Klaar voor de volgende stap
Wat overblijft zijn honderden dunne, glanzende siliciumwafers. Op dit punt doen ze nog niets met licht — dat verandert in de volgende stap. De wafers worden behandeld zodat ze daadwerkelijk stroom kunnen opwekken zodra er zonlicht op valt. Hoe dat werkt, lees je in het volgende artikel over celdoping.
