Dr. Stefan Reber im Interview

Eine Chance für die Produktion in Europa

Zerbrechen, Einschmelzen, Kristallisieren und vor allem: Absägen und Schneiden. Bei der Produktion von Silizium-Wafern entstehen viele Silizium-Reste, die zu großen Teilen nicht wiederverwertet werden können. Auch verbraucht das übliche Verfahren viel Energie. Das Unternehmen NexWafe verfolgt daher eine Alternative, die „kerfless“, also sägeverlustfrei auskommen soll. Dabei werden Wafer Atom für Atom kopiert, ein Verfahren namens Epitaxie, bekannt aus der Mikroelektronik. Am Standort Bitterfeld soll nun eine Fabrik für die Massenproduktion solcher Kerfless-Wafer entstehen. Dr. Stefan Reber, Mitbegründer von NexWafe, sieht darin eine Chance.

Warum sehen Sie diese neue Produktionsfabrik als Chance an?

Global gesehen erobert Photovoltaik alle Bereiche der Energieversorgung. Photovoltaik ist an vielen Stellen schon die günstigste Form, verwertbare Nutzenergie herzustellen – in dem Fall Strom. Weltweit brauchen wir Terawatts an installierter Photovoltaikleistung. In Bitterfeld planen wir mindestens zwei bis drei Gigawatt an jährlicher Produktionskapazität aufzubauen, in verschiedenen Stufen. Der Weltmarkt heute ist 120 Gigawatt. Wir wollen und müssen also weiter hochskalieren und groß werden, um einen erheblichen Anteil am Weltmarkt einzunehmen. Wir wollen die Photovoltaik wieder zurück nach Europa bringen und unseren Beitrag dazu leisten, die Energiewende vorwärts zu treiben.

Was ist das Besondere an Ihrem Verfahren? Warum könnte die Produktion damit auch in Deutschland erfolgreich sein?

Also ganz kurz und knapp würde ich sagen, wir produzieren Wafer und keinen Abfall. Sehr plakativ natürlich. Die klassische Technologie, um hochqualitative monokristalline Wafer herzustellen, nennt sich Czochralski-Verfahren. Da wird ausgehend von der Chemikalie Chlorsilan hochreines Silizium hergestellt, bei hohen Temperaturen mit einem sehr hohen Energieaufwand. Das wird dann eingeschmolzen, daraus werden zylindrische Kristallstäbe gezogen und die wiederum quadriert. Das heißt, aus dem runden Kristall wird ein Quader rausgeschnitten und der wiederum mit Drahtsägen in einzelne Scheiben gesägt. Während des Prozesses verliert man eine ganze Menge Silizium, das mehr oder weniger zu unnützem Abfall zerspant wird, trotz hoher Bemühungen, das auch zu recyceln. Also man könnte fast sagen, es ist ein Prozess um Abfall zu produzieren und Wafer fallen als Nebenprodukt an.

Und bei Ihnen ist das nun anders?

Genau, wir machen es komplett anders. Wir gehen vom gleichen Ausgangsmaterial aus, von Chlorsilan, wir enden auch bei dem gleichen Produkt, beim Silizium-Wafer – der allerdings bessere Eigenschaften hat, als der klassische Wafer und damit auch höhere Wirkungsgrade erzielen kann. Dazwischen streichen wir alle Prozessschritte, die viel Energie verbrauchen und viel Abfall produzieren. Wir ersetzen das durch Silizium-Epitaxie bzw. Silizium-Abscheidung. Dabei klonen wir einen klassischen Wafer. Das heißt, ich nehme einen klassisch hergestellten Wafer, lege darauf eine Trennschicht, lasse dann auf diesem Wafer über den Abscheideprozess einen zweiten Wafer wachsen, den ich im nächsten Schritt ablösen kann.

Wie gelingt es, dass der geklonte Wafer genau die gleiche Struktur hat?

Mit Hilfe der Epitaxie. Das ist ein Wachstumsverfahren, welches die Oberfläche, auf der das Wachstum beginnt, sozusagen kopiert. Ich habe eine Gasphase, darin floaten die Siliziumatome. Auf der angebotenen Oberfläche finden sie dann einen guten Platz, um sich einzubauen. Und dieser Platz ist typischerweise ein Kristallgitterplatz. In dieses reguläre Gitter des Einkristalls des Saatwafers baut sich das neue Atom ein. Und dann, Atom für Atom, natürlich mit einer hohen Geschwindigkeit, wächst eine neue Schicht.

Das Bild zeigt den neuartigen Wafer-Typ des Unternehmens NexWafe.

Mit dem neuen Waferherstellungsprozess gelingt es die Siliziumverluste bei der Herstellung deutlich zu reduzieren.

Das Produktionsverfahren ist das Ergebnis jahrelanger Forschung und Entwicklung, zunächst am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, fortgeführt von NexWafe als Ausgründung, in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ISE. Im Laufe der Jahre haben die jeweils zuständigen Bundesministerien, zuletzt das BMWi, diese Arbeiten gefördert. Welche der Projekte würden Sie dabei hervorheben?

Als ich 1996 ans Fraunhofer ISE kam, lief gerade ein BMBF-gefördertes Projekt namens DüSi. Da hatte man die Aufgabe, kristalline Silizium-Dünnschicht-Solarzellen zu entwickeln. Wieso erwähne ich das? Weil in diesen Projekten die Grundlagen gelegt worden sind für die Abscheidetechnologie und die Abscheidereaktoren, die wir heute in NexWafe auch verwenden. Das heißt, wir bauen da auf einer über 20-jährigen Erfahrungskurve auf, die am ISE, auch an anderen Forschungsinstituten in Deutschland und in der Welt begonnen hat. Ein zweites Projekt, das ich hervorheben würde, das ist Si-CVD, gestartet 1999 am Fraunhofer ISE. In dem Projekt hat man eine ganz wichtige Basis gelegt, nämlich das Inline-Prozessieren. Damit lässt sich voll kontinuierlich produzieren. Eines der nächsten wichtigen Projekte, das bei NexWafe lief und durch das BMWi gefördert wurde, war EpiPower. Hier haben wir den Schritt vom Labor in Richtung einer Pilotproduktion gemacht.

Welche Rolle spielt die Projektförderung für Sie?

Ohne Innovation können wir in Deutschland und Europa nicht überleben. Da ist der Konkurrenzdruck aus dem Ausland einfach zu hoch. Aber Innovation heißt auch Risiko. Ich weiß nicht, wohin sich die Welt in drei, vier Jahren entwickelt. Und da ist die Projektförderung ein extrem wichtiger, essenzieller Teil, um dieses Risiko soweit zu minimieren, dass die Hemmschwelle klein genug wird, in eine Innovation zu gehen.

Wie ist der aktuelle Stand in Sachen Produktionsfabrik in Bitterfeld? Wann wird sie an den Start gehen?

Wir planen momentan im ersten Halbjahr 2021 den Baubeginn. Wir werden dann zwischen neun und zwölf Monaten benötigen, um die Epiwafer-Fabrik zu bauen und diese an die bestehende Infrastruktur anzukoppeln. Dann wird im ersten Halbjahr 2022 der erste Wafer aus der Fabrik kommen. Ab da beginnt dann wirklich die Massenproduktion.

Ist NexWafe das einzige Unternehmen, das Wafer auf diese Weise produziert?

Auch andere Firmen haben das sägeverlustfreie Herstellen von Wafern probiert, sie haben es aber nicht geschafft, den nötigen Durchsatz zu erreichen. Wir müssen, um Photovoltaikmengen herstellen zu können, im Bereich von einem Wafer pro Sekunde denken, also mehrere tausend Wafer pro Stunde. Deshalb haben wir uns am ISE, von dem wir uns ausgegründet haben, sehr früh auf das sogenannte Inlineproduzieren fokussiert. Das ist unsere Kernkompetenz. Und das haben eben die anderen Firmen nicht. Neben uns gibt es zwar noch die US-amerikanische Firma 1366. Die hat ein Kerfless-Wafer-Verfahren, bei dem Wafer aus der Schmelze gezogen werden. Das ist auch richtig spannend, hat aber den Nachteil, dass damit nur multikristalline Wafer hergestellt werden können – und das limitiert den Zellwirkungsgrad. Das Verfahren schafft es nicht, den momentan dominierenden und aufstrebenden Markt von Hocheffizienzsolarzellen mit 24 bis 25 Prozent Wirkungsgrad bedienen zu können – wir schaffen das.

Kann man sagen, mit dem Start der Produktion ist das Ziel erreicht?

Das ist der Anfang. Wir haben ganz viele Ideen, wie man, aufbauend auf diesem ersten Produkt mit vielen weiteren Produktideen, Innovationen entwickeln und dann auch umsetzen kann.

Was bedeutet es Ihnen persönlich, wenn die Kerfless-Wafer-Technologie in die Massenproduktion geht?

Es macht mich stolz. Ich habe 1996 am ISE angefangen, also vor 24 Jahren. Als Doktorand. In der ganzen Zeit habe ich mich mehr oder weniger konstant mit dem Thema Siliziumphotovoltaik beschäftigt. Das heißt, da steckt schon ein Großteil meines Arbeitslebens mit drin. Wenn wir das zu einem Zwischenstand bringen, dass wir in die Massenproduktion gehen können und es umsetzen können, bedeutet mir das viel.

Was hat Sie als Wissenschaftler zum Thema Photovoltaik gebracht?

Ein Zeitungsartikel von Martin Green Ende der 80er Jahre. Da war ich Abiturient. Martin Green hat gesagt, mit „buried-contact“-Solarzellen werden wir in Zukunft Photovoltaik für 50 Cent pro Watt herstellen können. Das war schon gewagt, weil damals ein Watt noch 15 Euro gekostet hat, also Faktor 30. Letztendlich fand ich das so faszinierend, auch die Thesen des Club of Rome, dass ich gedacht habe, da muss ich dabei sein. Das hat mich dann auch zum ISE gebracht und das wiederum zum Silizium. Als Physiker fand ich es sehr spannend, in die Materialforschung, die Materialentwicklung zu gehen. Wie ich immer zu sagen pflege: Solar cells are fascinating. Es begeistert mich nach wie vor.

Das Interview führte Meike Bierther, Wissenschaftsjournalistin beim Projektträger Jülich.

Zur Person

Dr. Stefan Reber ist Geschäftsführer und Mitbegründer der NexWafe GmbH, die 2015 aus dem Fraunhofer ISE ausgegründet wurde. 1996 begann er beim Fraunhofer ISE seine Wissenschaftler-Karriere als Doktorand und beschäftigt sich seitdem mit dem Material Silizium. Bereits in seiner Zeit als Abteilungsleiter am Fraunhofer ISE hat er zahlreiche Neuentwicklungen hervorgebracht und mehrere Patente angemeldet. Er hat Physik an der Technischen Universität Darmstadt studiert und an der Universität Mainz promoviert.

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