Photovoltaik-Solarzellen zu Hause mit einem Mikrowellenofen herstellen
Maker Dr. Semiconductor zeigt die Herstellung funktionsfähiger Siliziumzellen mit gängigen Chemikalien und niederenergetischer Mikrowellenerwärmung.
Von Letizia Giugliano
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Die Halbleiterfertigung erfordert normalerweise spezialisierte Reinräume, doch der Tüftler Dr. Semiconductor hat ein praktisches Tischverfahren vorgestellt, mit dem sich funktionsfähige Silizium-Solarzellen zu Hause herstellen lassen. Das Verfahren nutzt handelsübliche Chemikalien und einen Standard-Mikrowellenofen, um auf blanken Siliziumwafern eine Phosphordiffusion durchzuführen, und erreicht eine anfängliche Umwandlungseffizienz von rund 5 %.
Chemische Beschichtung auf blankem Silizium
Der Fertigungsablauf beruht auf einem DIY-Ansatz für Halbleiter-Innovation, der blanke Siliziumwafer ohne kommerzielle Foundry-Ausrüstung in funktionierende Photovoltaik-Bauelemente verwandelt. Wie Hackaday berichtet, beginnt das Verfahren mit einem unveränderten, blanken p-dotierten Siliziumwafer, der zu einem Quadrat geschnitten wird. Um die erforderliche n-dotierte Schicht zu erzeugen, wird eine aktive Phosphor-Dotierstoffmischung hergestellt, indem 1 mL Tetraethylorthosilikat (TEOS), 0,3 mL 85 gew.-%ige Phosphorsäure, 5 mL Ethanol und 0,25 mL destilliertes Wasser bei schwacher Hitze 30 Minuten lang gekocht werden.
Nachdem die chemische Mischung gekocht wurde, wird sie auf das Siliziumsubstrat aufgeschleudert. Der Tüftler nutzte einen wiederverwendeten Computer-Kühlventilator als rotierende Plattform, um die Lösung vor der Wärmebehandlung gleichmäßig auf der Waferoberfläche zu verteilen, und demonstrierte damit eine praktische Tischtechnik, wie auf Hackaday ausführlich beschrieben.
Thermische Dotierung mit einem Mikrowellenofen
Um den Phosphor-Dotierstoff in das Siliziumgitter einzutreiben, wird der beschichtete Wafer in einen speziellen Mikrowellenofen gelegt. Laut Hackaday wird der Ofen in einem herkömmlichen Mikrowellengerät eine halbe Stunde lang erhitzt.
Die Wärmesteuerung während dieser Erhitzungsphase ist entscheidend, da Mikrowellenöfen schnell extreme Temperaturen erreichen. Das Videoexperiment zeigte, dass der Betrieb des Geräts mit weniger als 50 % Leistung notwendig war, um ein Schmelzen des Siliziumwafers zu vermeiden und dennoch genügend Wärme zum Dotieren des Materials und zum Aufbau des Halbleiterübergangs bereitzustellen, wie in der Berichterstattung von Hackaday erläutert wird.
Kontaktaufbringung und gemessene Effizienz
Nach dem thermischen Diffusionsschritt bildet sich eine dünne isolierende Glasschicht auf der Oberfläche des Bauteils. Um an die darunterliegenden aktiven Schichten zu gelangen, wird dieses Glas entweder durch Schleifen oder chemisches Ätzen entfernt, um klare Kontaktflächen freizulegen, so Hackaday.
Anschließend werden die elektrischen Kontakte manuell aufgebracht: Ein Gallium-Indium-Kontakt wird auf der hinteren p-dotierten Siliziumseite angebracht, während ein Klumpen elementares Indium auf die neu dotierte Phosphor-Siliziumfläche gelegt wird. Die im Projekt hergestellte fertige Prototyp-Zelle erzielte eine Effizienz von etwa 5 %. Die Quelle merkt an, dass künftige Iterationen die Leistung in diesem erneuerbaren Energie-Experiment durch Arbeiten in einem Reinraum, das Aufbringen einer Antireflexionsbeschichtung und die Optimierung des Kontaktwiderstands steigern könnten.
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