Ein Wafer (oder Halbleiterwafer) ist in erster Linie einfach eine dünne Scheibe, die aus einem Halbleitermaterial besteht, meistens aus kristallinem Silizium.

Der Begriff „Wafer“ bezieht sich dabei auf seine dünne, flache Form, die ähnlich aussieht wie eine Hostie (englisch: wafer).

Für was braucht man Wafer?

Wafer, speziell Siliziumwafer, sind essenziell in der Mikroelektronik und Photovoltaik.

In der Mikroelektronik dienen Siliziumwafer als Grundlage für integrierte Schaltkreise, die in nahezu allen elektronischen Geräten verwendet werden. Z.B.

• Computer
• Smartphones
• Fahrzeuge

Auf den Wafern werden die elektronischen Komponenten wie Transistoren, Dioden und Widerstände in mikroskopischer Größe aufgetragen und verbunden.

Für die Photovoltaik werden aus den Wafern die Solarzellen hergestellt, die das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln. Dazu werden die Wafer mit bestimmten Materialien dotiert, um die notwendigen elektrischen Eigenschaften zu erzeugen.

Qualität und Bearbeitung des Wafers haben direkten Einfluss auf die Leistung und Effizienz der Solarzelle.

Aufbau einer Solarzelle aus Wafern

Um eine funktionierende Solarzelle zu erhalten, wird ein Wafer unterschiedlich dotiert. Das heißt, es werden Fremdatome eingebracht, wodurch eine n-dotierter und ein p-dotierter Schicht entsteht.

An ihrer Kontaktstelle bildet sich ein p-n-Übergang, der den Fluss der Elektronen steuert und so zur Generierung von elektrischem Strom durch den photoelektrischen Effekt beiträgt.

Die Herstellung von Wafern

Siliziumwafer sind die am weitesten verbreitete Art von Wafern in der Halbleiterindustrie und der Photovoltaik. Die Produktion eines Wafers beginnt deshalb mit der Gewinnung von Silizium und dessen Reinigung.

Warum wird Silizium verwendet?

Neben seinen vorteilhaften physikalischen Eigenschaften ist Silizium mit ca. 27,7% das zweithäufigste Element in der Erdkruste. Es ist meist in Form von Silikaten und Siliziumdioxid (Quarz) zu finden.

Quarzsand wird im Speziellen verwendet und ist eine günstige Methode, um Silizium herzustellen, weil er Siliziumdioxid enthält und weltweit leicht verfügbar ist.

Wie werden Wafer hergestellt?

100.000.000 Tonnen Quarzsand werden jährlich aus Gruben gefördert und durch mehrere Raffinierungsprozesse zu hochreinem Silizium verarbeitet. Dabei wird ein mono- oder polykristalliner Siliziumzylinder erzeugt.

Ein Wafer entsteht, wenn dieser Siliziumzylinder (ein sogenannte Ingot) in dünne Scheiben gesägt wird.

Die Größe und Dicke eines Wafers kann je nach Herstellungsprozess und angestrebter Effizienz der Solarzelle variieren. Typischerweise sind Solarwafers 15 bis 20 Zentimetern breit, aber nur ein paar Zehntel eines Millimeters dick.

Warum sind Silizium Wafer rund?

Siliziumwafer haben eine runde Form, da sie aus kristallinen Silizium-„Ingots“ hergestellt werden, die zylinderförmig sind. Diese zylindrische Form ergibt sich aus dem Prozess der Kristallzüchtung.

Wenn der Ingot dann in dünne Scheiben geschnitten wird, erhält man runde Wafer. Die runde Form trägt auch zur strukturellen Stabilität des Wafers bei und minimiert das Risiko von Brüchen während des Herstellungsprozesses.

Ursprünglich waren Siliziumwafer, die zur Herstellung von Solarzellen verwendet werden, ebenfalls rund, genau wie die für Halbleiterchips. Jedoch, um Materialverschwendung zu reduzieren und die Effizienz zu erhöhen, hat sich die Solarindustrie in Richtung quadratischer oder rechteckiger Wafer bewegt.

Diese Form ermöglicht eine engere Anordnung der Zellen auf einem Solarmodul und minimiert so den ungenutzten Raum. Die runden Ecken an diesen quadratischen oder rechteckigen Wafern sind ein Überbleibsel des ursprünglichen runden Ingots, aus dem sie geschnitten wurden.

Unterschiede zwischen monokristallinen und polykristallinen Wafern

Monokristalline Wafer haben eine einheitliche Struktur, die sie effizienter macht, wenn es darum geht, Sonnenlicht in Strom umzuwandeln.

Polykristalline Wafers haben dagegen eine weniger geordnete Struktur und sind daher in der Herstellung günstiger, allerdings auch weniger effizient.

Was passiert beim Recycling der Solarzellen mit dem Wafer?

Beim Recycling der Solarzelle werden die Oberflächenschichten durch einen chemischen Prozess abgelöst. Aus dem übrig bleibenden Silizium können dann neue Wafer hergestellt werden.

Die so erzeugten neuen Solarzellen sind wesentlich kosteneffizienter, da zu ihrer Herstellung nur ein Drittel der Energie benötigt wird, die bei der Herstellung von neuen Zellen verbraucht wird.

Deshalb amortisieren sich die recycelten Zellen bei gleicher Lebensdauer in einer viel kürzeren Zeit. Trotz der Tatsache, dass sie mit ca. 19,7 einen kleineren Wirkungsgrad haben als die recycelten Zellen, aus denen sie hergestellt werden.

Fazit

Solarwafer spielen eine zentrale Rolle in der Photovoltaik und sind ein Schlüsselelement bei der Umwandlung von Sonnenlicht in nutzbaren Strom.

Ihre Herstellung:

• Extraktion von Silizium aus Quarzsand
• Formung von Ingots
• das Sägen der Wafer
• Dotierung des Materials

ist ein komplexer Prozess, der die Leistung und Effizienz von Solarzellen maßgeblich beeinflusst.

Kurz gesagt:
Wafer sind dünne Scheiben aus einem Halbleitermaterial, häufig Silizium. In der Photovoltaik werden sie mit Fremdatomen unterschiedlich dotiert, um einen p-n-Übergang zu erzeugen und bilden so die Grundbausteine von Solarzellen.

Nachgefragt:

Wie entsteht ein Wafer?

1. Die Herstellung eines Wafers beginnt mit der Gewinnung von Silizium, welches oft aus Quarzsand extrahiert wird.
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2. Nach einer Reinigung wird das Silizium in einem speziellen Ofen erhitzt und in kristalline Form gebracht.
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3. Dieser kristalline Siliziumzylinder, auch Ingot genannt, wird anschließend in sehr dünne Scheiben geschnitten – das sind die Wafers.
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4. Sie werden danach poliert, um eine glatte Oberfläche zu erhalten, die für weitere Bearbeitungsschritte optimal geeignet ist.

Wie ist ein Wafer aufgebaut?

Ein Wafer ist in seiner Grundform einfach eine dünne Scheibe aus Halbleitermaterial und besitzt deshalb keine unterschiedlichen Teile, aus denen er zusammengesetzt ist. Trotzdem besitzt er einen interessanten und für die Funktion wichtigen Aufbau.

Bei der Herstellung von Solarzellen wird ein Siliziumwafer zuerst n-dotiert, um eine hohe Konzentration von Elektronen bereitzustellen.

Dann wird eine dünne Oberfläche des Wafers p-dotiert, um eine hohe Konzentration von ‚Löchern‘ zu erzeugen.

Dieser Kontrast zwischen der hohen Elektronen-Konzentration und der hohen Löcher-Konzentration erzeugt den p-n-Übergang. Dieser ist das Herzstück einer Solarzelle und ermöglicht es, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln.

Können Wafer aus anderen Materialien als Silizium hergestellt werden?

Ja. Wafer können auch aus anderen Materialien hergestellt werden, aber Silizium ist die gängigste Wahl wegen seiner hohen Verfügbarkeit und seiner physikalischen Eigenschaften.