Frisch zu mehr Ertrag

Titelstory

Wafer-Fertigung - Erfolgreiches Investment in alternative Energien berücksichtigt relevante Innovationen – nicht nur der Energietechnik selbst, sondern auch der Verfahren im Komponenten- und Anlagenbau. Ein Beispiel aus der Solarenergie: Eine neue Drahtsägen-Generation ermöglicht deutlich verbesserte Ausbeute bei der Wafer-Produktion. Schnellere Bearbeitung und minimierter Materialverbrauch reduzieren zudem die Stückkosten.

07. September 2016

Den größten Anteil an den Stückkosten eines Photovoltaik-Wafers haben das Rohmaterial Silizium und der diamantbestückte Schneidedraht, mit dem der Siliziumblock (Brick) in 100 bis 180µm dünne Scheiben – die Wafer – geschnitten wird. Hauptansatzpunkte zum Verbessern der Produktivität und der Kosten in der Wafer-Produktion sind damit das Steigern der Ausbeute pro Silizium-Block, pro Arbeitsschicht und pro Maschine sowie das Senken des Diamantdrahtverbrauchs.

Ein Unternehmen hat die Drahtsägetechnologie in den letzten Jahren entscheidend weiterentwickelt: die Schweizer Firma Meyer Burger, einer der weltweit führenden Anbieter von Lösungen für die Herstellung von PV-Komponenten und Systemen. Das Portfolio deckt sämtliche Produktionsphasen ab: vom Sägen des Rohmaterials Silizium zu Wafern über die Produktionstechnologie für die Zell- und Modulfertigung bis hin zur Herstellung anschlussbereiter PV-Module und installationsfertiger oder fassadenintegrierter PV-Systeme.

Patentiertes System

Ein besonderes Augenmerk des Unternehmens gilt seit jeher der kostensensitiven Wafer-Produktion. Die wichtigsten Innovationsschritte der letzten Jahre waren der Wechsel von Slurry auf Diamantdraht, das speziell dazu entwickelte und patentierte Diamantdraht-Managementsystem, prozesstechnische Optimierungen sowie ein für das Drahtsägen optimiertes Automatisierungskonzept. Die erste Maschine (Bild links), in der all diese Aspekte voll zum Tragen kommen, ist die mit Siemens-Technik ausgestattete Diamantdrahtsäge ›DW288 Series 3‹. Meyer Burgers patentiertes Diamantdraht-Managementsystem (DWMS) beruht auf einer klaren Trennung der Wickelbereiche in einen ›Drahtspeicherbereich‹ und einen im Schnitt genutzten ›Arbeitsbereich‹.

Der aktuell genutzte Drahtabschnitt wird hierbei einlagig geführt gewickelt. So kommt der beim Sägen zyklisch auf- und abgewickelte, sehr abrasive Diamantdraht nicht mehr in Kontakt zum Nachbardraht; die Abnutzung durch ständigen Draht-Draht-Kontakt während der Wickelvorgänge ist damit unterbunden.

Der erreichte Effekt: Mit dem DWMS wird die Standzeit des teuren Schneidedrahtes um mehr als 20% erhöht.

Haarfeines Schneidwerkzeug

Mit ihrer besonders schonenden Drahtführung sowie optimierten Abständen und Durchmessern der Drahtführungsrollen kann die Drahtsäge DW288 Series 3 die dünnsten Schneidedrähte für die Industrie produktiv nutzen.

Mit 70-µm-Draht ist auf der Maschine standardmäßig ein präziser, klar definierter Schnitt bei prozesssicherem und performantem Betrieb möglich, auch erste 60-µm-Drähte sind bereits erfolgreich im Einsatz.

Als Vorstellungshilfe: Die bereits heute standardmäßig verwendeten Schneidedrähte liegen im Bereich von 80 bis 120µm und sind damit kaum dicker als ein menschliches Haupthaar.

Die Möglichkeit, nun einen noch deutlich dünneren Draht nutzen zu können, reduziert die Spanverluste und nutzt gleichzeitig das teure Rohmaterial besser aus: Eine um 10µm schmalere Schnittkerbe bewirkt dabei Materialeinsparungen von zirka 100.000 US-Dollar pro Jahr und pro Maschine.

Antriebstechnik optimiert

Einen wesentlichen Beitrag zur großen Dünndrahtfähigkeit der Maschine leistet die optimierte Antriebstechnik. »Weil der Arbeitsdraht mit dem Diamantdrahtmanagement einlagig geführt wird, bleibt der Durchmesser des Wickels immer gleich. Das vereinfacht die Regelaufgabe des Wicklers und es steht mehr Regeldynamik zum Einhalten einer konstanten Drahtspannung zur Verfügung«, erläutert Christoph Eggimann; er ist Product Manager Wafering und Verantwortlicher für Drahtsägen bei Meyer Burger am Schweizer Standort Thun.

Durchgängiges System

»Gemeinsam mit Siemens haben wir ein hierauf optimiertes Automatisierungskonzept erarbeitet. Steuerung, Antriebsregler und die Servo-Motoren der Drahtverleger und auch die Peripheriesysteme bilden dabei ein durchgängiges System aus einer Hand«, erklärt er.

Zum Einsatz kommen unter anderem ein kundenspezifisches Touchpanel IFP1500 und eine Microbox IPC427D, auf der die Bedienung und eine fehlersichere Simatic WinAC RTX-F 2010 laufen, und die auch die Sicherheitsreaktionen der Maschine steuert.

Die Antriebsregelung wurde mit Drive-Control-Chart (DCC) direkt im Antriebsregler des Typs Sinamics S120 programmiert. Das präzise Führen des empfindlichen Drahtes leisten Servomotoren des Typs 1FK7.

Die für den Prozess benötigten Sensoren und Aktoren sind über das Peripheriesystem ET200SP in Schutzart IP20 und ET200ecoPN in Schutzart IP65/67 eingebunden, was den Aufbau der Maschine vereinfacht und zu einem schlanken System beiträgt. Die gesamte Kommunikation nutzt das performante Profinet, was auch die einfache und schnelle Diagnose der Maschine begünstigt.

Selbst bei dünnsten Drähten hält die Regelung den schmalen Grat zwischen optimaler Ausbeute und Drahtbruchgefahr ein: Die Drahtspannung bleibt bis auf 0,5N konstant. Ohne den Draht zusätzlich zu belasten, können zyklische Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge dynamischer gestaltet und zudem eine höhere Schnittgeschwindigkeit gefahren werden – bis zu 30m/s.

»Die Maschine operiert an der Grenze des heute technisch Machbaren«, so Thomas Weber, Geschäftsführer des Technologie- und Produktecenters von Meyer Burger in Thun. »Die durchgängige Automatisierungstechnik ist darum ein zentrales Element für höchste Prozesssicherheit.« Das Konzept geht auf: Die Maschine hat mit die geringste Drahtbruchquote am Markt.

Fortschritte der Fertigung

Der schnellere Wechsel der Schnittrichtung und die höhere Schnittgeschwindigkeit erhöhen den Durchsatz der neuen Maschinengeneration erheblich: Einen 650mm langen Brick schneidet sie in weniger als zwei Stunden zu Tausenden von Qualitätswafern mit einer Dickenvarianz (TTV) von unter 10µm. Meyer-Burger gibt so eine um 30% verbesserte Schnittzeit im Vergleich zum Marktstandard an.

Welche Entwicklung die Wafer-Fertigung in den letzten Jahren durchlaufen hat, zeigt ein Vergleich der Diamantdrahtsäge DW288 Series 3 mit den heute noch viel verwendeten slurrybasierten Drahtsägen DS271, bei denen die Schneidpartikel nicht vom Draht, sondern von einem Fluid in den Sägespalt eingebracht werden: Für eine Jahresfertigungskapazität von 500MW werden 50 Slurry-Drahtsägen benötigt.

Das Gleiche schaffen heute 17 DW288 Series 3 – und zwar ohne den hohen Aufwand für die Lagerung und das Recycling großer Mengen verbrauchten Slurrys. Außerdem werden im Vergleich die Spanverluste durch die Reduktion der Schnittkerbe von 150µm auf unter 90µm deutlich verbessert.

Gerüstet für dünnere Wafer

Von daher profitieren PV-Hersteller, die von slurrybasierten Sägeverfahren auf die Diamantdrahttechnik wechseln, vom Einsatz der neuesten Meyer-Burger-Drahtsäge: Zusätzlich zur gesteigerten Produktivität gewinnen sie die in der Solarbranche nötige Zukunftssicherheit.

Denn der Trend geht in Richtung hocheffiziente, dünnere Wafer. Zum Beispiel ist bei monokristallinen n-Type-Wafern der Umstieg auf die 100-µm-Technologie bereits absehbar. Mit der neuen Drahtsäge der Schweizer ist die PV-Fertigung für diese Aufgaben gerüstet. Ein so vorbereiteter Hersteller von PV-Komponenten kann bei Technologieschritten schnell reagieren und sich frühzeitig Marktanteile sichern.

Freddy Müller (Siemens Schweiz)

Hintergrund: Wafering

Wichtigstes Element einer Photovoltaik-Zelle ist der Wafer, eine dünne Scheibe aus hochreinem Silizium. Wafer werden mit Drahtsägen aus quaderförmigen Blöcken, den sogenannten Bricks geschnitten. Der äußerst dünne und sehr teure Schneiddraht wird dabei mehrfach über zwei Drahtführungsrollen geführt, so dass er ein enges Drahtfeld bildet. Oszillierende Bewegungen der Rollen machen dieses Drahtgitter zur ›Gattersäge‹ für Silizium.

Zwei Schneidverfahren

Es gibt Schneidverfahren mit eher glattem oder mit diamantbestücktem, selbstschneidendem Draht. Beim Sägen mit glattem Draht werden die abrasiven Partikel mit einer Schneidflüssigkeit (Slurry) in den Schnittspalt eingebracht.

Diese slurrybasierten Verfahren sind von der Schnittleistung her nur noch bedingt wettbewerbsfähig: Die Diamant-Partikel im Slurry ›rollen‹ mit nur halber Drahtgeschwindigkeit durch die Schnittkerbe. Darum wird beim Schneiden mit diamantbestückten Drähten schon prinzipiell eine verdoppelte Schnittgeschwindigkeit erreicht. Zudem entstehen bei slurrybasierten Schneidverfahren hohe Kosten zur Lagerung, Aufbereitung und Entsorgung des Fluids.

Zielgrößen für hohe Produktivität

Das Ziel beim Drahtsägen ist, möglichst viele funktionsfähige Wafer aus einem Brick zu schneiden. Kritische Größen sind die Schnittgenauigkeit und die Breite der Schnittkerbe. Die Oberfläche des geschnittenen Wafers muss für den nachfolgenden Texturierungsschnitt optimal beschaffen sein.

Auch die erzielbare minimale Stärke der Wafer hängt von der Schnittgenauigkeit ab. Die Breite der Schnittkerbe ist ein Indikator für den Anteil des durch den Schneidprozess zerspanten, also verlorenen Siliziums – schmalere Schnittkerben bedeuten mehr Wafer pro Brick.

Das Schneiden eines Bricks kann mehrere Stunden dauern. Der Draht wird stark belastet – der Prozess darf aber nicht durch Drahtbruch gefährdet werden. Für eine hohe Produktivität ist so neben der Schnittgeschwindigkeit vor allem die Prozesssicherheit ausschlaggebend.

Erschienen in Ausgabe: 07/2016