Gallium-dotiertes Silizium – Technologie, Verfahren und Vorteile.

Gallium-dotiertes Silizium ist ein faszinierendes Material, das in der Halbleiterindustrie eine wichtige Rolle spielt. Durch die Dotierung von Silizium mit Gallium können die elektrischen Eigenschaften des Materials gezielt verändert werden, was es für verschiedene Anwendungen in der Elektronik und Photovoltaik besonders wertvoll macht. Die Dotierung von Silizium erfolgt durch das Einbringen von Galliumatomen in das Siliziumgitter. Gallium, ein Element der Gruppe III des Periodensystems, hat drei Valenzelektronen, die es ermöglichen, als Akzeptor zu fungieren und Löcher im Silizium zu erzeugen. Diese Löcher erhöhen die Leitfähigkeit des Siliziums, indem sie als positive Ladungsträger fungieren.

Bei der Herstellung des Ausgangsmaterials wird Silizium zunächst in hochreiner Form gewonnen. Dies geschieht durch das Siemens-Verfahren, bei dem Rohsilizium in Trichlorsilan umgewandelt und anschliessend durch chemische Gasphasenabscheidung  zu elektronischem Silizium gereinigt wird. Das gereinigte Silizium wird dann mit Gallium dotiert. Dies kann durch verschiedene Verfahren geschehen, wie z.B. die Diffusion oder die Ionenimplantation. Bei der Diffusion wird Gallium in einer Hochtemperaturumgebung in das Silizium eingebracht, während bei der Ionenimplantation Galliumionen mit hoher Energie in das Silizium geschossen werden.

Gallium-dotiertes Silizium wird in verschiedenen Bereichen eingesetzt, darunter in der Herstellung von Solarzellen, Leistungsbauelementen und integrierten Schaltungen. Die Dotierung verbessert die Effizienz und Leistung dieser Bauelemente erheblich. Gallium-dotiertes Silizium ist ein Schlüsselmaterial in der modernen Elektronik und Photovoltaik.

Vorteile von Gallium-dotiertem Silizium.

Gallium-dotiertes Silizium bietet zahlreiche Vorteile wie verbesserte elektrische Eigenschaften, Effizienzsteigerung in der Photovoltaik, verbesserte Leistung von Halbleiterbauelementen sowie Zuverlässigkeit und Langlebigkeit.

Durch die Dotierung mit Gallium entstehen zusätzliche Löcher im Silizium, die als positive Ladungsträger fungieren und die Leitfähigkeit des Materials erhöhen. Gallium-dotiertes Silizium zeigt eine verbesserte thermische Stabilität, was es ideal für Anwendungen macht, die hohe Betriebstemperaturen erfordern. Die Dotierung mit Gallium kann die Effizienz von Solarzellen erhöhen, indem sie die Rekombination von Elektronen und Löchern reduziert und somit den Wirkungsgrad der Energieumwandlung verbessert. Solarzellen aus gallium-dotiertem Silizium neigen dazu, eine längere Lebensdauer zu haben, da sie weniger anfällig für Degradation durch Licht und Wärme sind.

In Leistungsbauelementen wie Transistoren und Dioden führt die Gallium-Dotierung zu einer besseren Schaltleistung und geringeren Verlusten. Gallium-dotiertes Silizium wird auch in integrierten Schaltungen verwendet, um die Geschwindigkeit und Effizienz der Bauelemente zu verbessern. Gallium-dotiertes Silizium ist widerstandsfähiger gegen Defekte und Verunreinigungen, was die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der daraus hergestellten Bauelemente erhöht. Die verbesserten elektrischen Eigenschaften, die erhöhte Effizienz und die längere Lebensdauer sind nur einige der Gründe, warum dieses Material so wertvoll ist.

Beispiel: Anwendung von LONGi Solar

LONGi Solar hat sich Anfang 2020 mit Shin-Etsu Chemical Co zusammengetan, um eine neue Gallium-dotierte Siliziumzelle in Serie zu produzieren, die angeblich die Auswirkungen der lichtinduzierten Degradation (LID) in herkömmlichem P-Typ PERC-Silizium drastisch reduziert. LID, d. h. lichtinduzierte Degradation, ist ein bekanntes Phänomen, das in den ersten paar hundert Betriebsstunden zu einem Leistungsverlust von 2 bis 3 % führt, der auf Spuren von Sauerstoff zurückzuführen ist, die bei der Herstellung von gewöhnlichem bordotiertem Silizium zurückbleiben. Während der verbleibenden Lebensdauer des Moduls sinken die LID-bedingten Verluste je nach Qualität und Reinheit des kristallinen Siliziums deutlich auf etwa 0,5 bis 0,8 % pro Jahr.