Bridgman-Verfahren

Es gibt unterschiedliche Verfahren, die Kristalle für Photovoltaik-Zellen herzustellen. Die meisten Verfahren werden nach ihren Erfindern benannt. Das hier vorgestellte Bridgman-Verfahren wurde von den Physikern Bridgman und Stockaberger (daher wird das Verfahren auch manchmal Bridgman-Stockaberger-Verfahren genannt) entwickelt.

Funktionsweise

Bei der Kristallzüchtung nach dem Bridgman-Verfahren besteht der erste Schritt – wie bei den anderen bekannten Verfahren – im Aufschmelzen des Reinstsiliziums. Das Gerät zur Nutzung des Bridgman-Verfahrens besteht aus einem senkrechten röhrenförmigen Ofen. Am äußeren Rand des Geräts befinden sich die Thermoelemente. Nach außen ist die Apparatur wärmegedämmt. Durch diesen Ofen wird ein Tiegel mit Reinstsilizium gefüllt (das Verfahren kann auch für Metalle oder andere Materialien verwendet werden) und dann langsam abgesenkt. Die maximale Heiztemperatur im Senkrechtofen liegt oberhalb der Schmelzgrenze des Siliziums. Der Tiegel mit dem Silizium verbleibt so lange in dem Ofen, bis eine gleichmäßige Schmelze erreicht ist. Erst dann wird der Tiegel abgesenkt.

Gezieltes Einkristallwachstum

Im unteren Teil des Apparats beginnt beim Bridgman-Verfahren dann das Kristallwachstum. Hier liegt die Temperatur niedriger, sodass die Kristallisation zwingend am unteren Tiegelboden beginnt (der als Erstes in den kühleren Bereich eintritt). Danach setzt sich die Kristallisation nach oben im Tiegel fort. Der Tiegel hat im unteren Teil eine Vertiefung, die sich nach oben hin verengt. Beginnt nun im untersten Teil eine polykristalline Kristallisation, so kann durch die Verjüngung ein beliebiger Kristallkeim ausgewählt werden. Nur dieser wächst dann nach oben fort. An diesem Kern setzt die umgebende Schmelze die Kristallisation fort und zwar in der gleichen Kristallorientierung. So ist die Züchtung von Einkristallen mit diesem Verfahren sehr einfach möglich. Die Apparatur kann beim Bridgman-Verfahren auch umgekehrt funktionieren: Dabei wird nicht der Tiegel abgesenkt, sondern der umgebende Ofen hochgezogen.

Vor- und Nachteile

Das Bridgman-Verfahren gehört zu den preiswerteren Methoden der Kristallzüchtung. Allerdings können vergleichsweise leicht Kristallfehler auftreten. Es kommt auch als horizontales Bridgman-Verfahren zum Einsatz. Durch die Form des Tiegels ist auch hinterher die Größe des Ingots bestimmt.