Erstmalig soll die Gesamtprozesskette der GaAs-Herstellung bezüglich des Energieeinsparpotentials unter Berücksichtigung der technologisch einzuhaltenden Randbedingungen untersucht werden. Da Energieeinsparungen grundsätzlich einzelne Technologie- aber auch nachgelagerte Prozessschritte beeinflussen können, sind diese zu untersuchen und die gegenseitigen Einflussgrößen zu ermitteln, um die Produktqualität zu erhalten. Die dazu erforderlichen Entwicklungen bestimmen das Energieeinsparpotential. Die Analyse des Energieverbrauches zeigt, dass bei Vollauslastung 9 GWh pro Jahr variabel sind, d.h. für die einzelnen Technologieschritte benötigt werden. Die prognostizierte Gesamtenergieeinsparung und damit Ziel des Vorhabens beträgt 1,93 GWh pro Jahr, was eine Einsparung von 21,5% bedeutet. Diese Ergebnisse lassen sich mittelfristig auch auf ähnliche Prozessketten in der Halbleiterindustrie übertragen. Aufgaben: - Vergrößerung der Einsatzmassen, Prozesszeitverkürzung bzw. Minimierung der Kühlwasserenergie/Einsatzmasse bei der Synthese von GaAs durch Optimierung und Neuentwicklung einer Maschinengeneration zur massiven Durchsatzerhöhung - Entwicklung energiesparender Methoden der Tiegelpräparation - Weiterentwicklung interner GaAs-Recyclingkreisläufe - Durchsatzerhöhung bei der VGF-Kristallzüchtung durch Steigerung von Ausbeute, Einsatzmassen und Wachstumsgeschwindigkeit - Verringerung des Energiebedarfes in der VGF-Kristallzüchtung durch Einsatz eines energetisch effizienteren Inertgases - Energetische Optimierung bzw. Ersatz des Temperns von VGF-Kristallen - Entwicklung einer Material-/Energie-sparenden Kristalltestung - Senkung des Materialverlustes beim Drahttrennläppen durch Drahtstärkereduzierung und Profilierung der Vorschubgeschwindigkeit - Energetische Optimierung von Polierprozessen durch Erhöhung der Abtragrate und Minimierung des Abtrages - Neuentwicklung von energiesparenden Endreinigungstechnologien und energetische Optimierung der Verpackungsreinigung.
III-V Mehrfachsolarzellen erreichen bei weitem die höchsten Umwandlungseffizienzen von Sonnenlicht in elektrischen Strom von bis zu 38 %. Der Einsatz der III-V Halbleiter in photovoltaischen Flachmodulen schien bisher aufgrund hoher Herstellungs- und Substratkosten als unrealistisch. Die Verbundpartner am Fraunhofer ISE, der TU Ilmenau und der Univ. Marburg konnten aber kürzlich zeigen, dass sich III-V Verbindungen mit hoher Qualität auch direkt auf Silicium abscheiden lassen. Nur wenige Mikrometer an III-V Halbleitermaterial reichen dabei aus, um Mehrfachsolarzellen mit Wirkungsgraden von über 30 % auf Si zu realisieren. Die Kombination etablierter Silicium Solartechnologie mit den Vorteilen der III-V Halbleiter, eröffnet neue Optionen für höchsteffiziente Solarzellen und steht im Mittelpunkt des Projekts MehrSi. Durch eine Reduktion von Defektdichten und durch optimierte Solarzellenstrukturen sollen erstmals direkt auf Si gewachsene GaInP/GaAs(P) Mehrfachsolarzellen mit größer als 30 % Effizienz demonstriert werden. Neben grundlegender Material- und Bauelemententwicklung in den Forschungsgruppen werden Produktionsaspekte von Anfang an berücksichtigt. Der MOVPE Anlagenhersteller Aixtron SE bringt seine langjährige Erfahrung aus der LED Fertigung ein und wird Konzepte für großflächige und kostengünstige III-V Epitaxieprozesse erarbeiten.
III-V Mehrfachsolarzellen erreichen bei weitem die höchsten Umwandlungseffizienzen von Sonnenlicht in elektrischen Strom von bis zu 38 %. Der Einsatz der III-V Halbleiter in photovoltaischen Flachmodulen schien bisher aufgrund hoher Herstellungs- und Substratkosten als höchst komplex und daher schwierig. Die Verbundpartner am Fraunhofer ISE, der TU Ilmenau und der Universität Marburg konnten aber kürzlich zeigen, dass sich III-V Verbindungen mit hoher Qualität auch direkt auf Silicium abscheiden lassen. Nur wenige Mikrometer an III-V Halbleitermaterial reichen dabei aus, um Mehrfachsolarzellen mit Wirkungsgraden von über 30 Prozent auf Si zu realisieren. Die Kombination etablierter Silicium Solartechnologie mit den Vorteilen der III-V Halbleiter, eröffnet neue Optionen für höchsteffiziente Solarzellen und steht im Mittelpunkt des Projekts MehrSi. Durch eine Reduktion von Defektdichten und durch optimierte Solarzellenstrukturen sollen erstmals direkt auf Si gewachsene GaInP/GaAs(P) Mehrfachsolarzellen mit größer als 30 Prozent Effizienz demonstriert werden. Neben grundlegender Material- und Bauelemententwicklung in den Forschungsgruppen werden Produktionsaspekte von Anfang an berücksichtigt. Der MOVPE Anlagenhersteller Aixtron SE bringt seine langjährige Erfahrung aus der LED Fertigung ein und wird Konzepte für großflächige und kostengünstige III-V Epitaxieprozesse erarbeiten. Das Fraunhofer ISE und die Firma Aixtron SE gewährleisten eine Verwertung der Projektergebnisse im Maschinenbau sowie in der PV Industrie in Deutschland. Um die Ziele des Forschungsprojektes im Verbundprojekt zu erreichen, werden die Aufgaben in vier Arbeitspakete (AP) gegliedert: AP1: Nukleation auf Silicium, AP2: Metamorphe Pufferschichten auf Silicium, AP3: III-V Mehrfachsolarzellen auf Silicium, AP4: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und Hochdurchsatz MOVPE.
Die drei Forschungsinstitute FBH, HHI und IAF werden im Rahmen dieses Vorhabens gemeinsam die in der Literatur vorhandenen toxikologisch relevanten Materialdaten der als prioritär eingestuften Verbindungshalbleiter sichten. Das FBH ist dabei für GaAs und SiC zuständig. Die Ergebnisse werden in einer Literatur-Datenbank zusammentragen. Durch Prüfung der verfügbaren Daten werden Datenlücken identifiziert und an die Verbundpartner kommuniziert. Eine Kurzform der Ergebnisse wird dann in ein für den Datenaustausch mit EU-Institutionen kompatibles Datenbankformat übertragen. Nur auf diese Weise sind sie auch unmittelbar, z.B. für die Erstellung eines REACH Dossiers. An den Instituten HHI und FBH werden Freisetzungspotentiale von Stoffen in der Produktion und dessen Umfeld untersucht. Die Messstrategie für die einzelnen Herstellungsschritte wird am FBH exemplarisch für GaAs durchgeführt. Dabei wird analog zu allen einschlägigen Normen vorgegangen. Die Messkampagnen gliedern sich entlang der Prozessschritte. Sie erfolgen in der Zu- und Umluft sowie an potenziell gefährdeten Arbeitsplätzen. Prozessabwässer werden auf Bestandteile der Ausgangsstoffe untersucht und mit den jeweiligen Löslichkeiten korreliert.
Gesamtziel des Verbundes ist es eine geschlossene Datenbasis für Schlüsselmaterialien der Optoelektronik zu erarbeiten, um eine fundierte Klassifizierung dieser Materialien im Zuge der REACH und CLP-Verordnung bei den zuständigen EU Gremien zu erwirken. Ziele des OSRAM Teilvorhabens sind die vollständige Analyse der Stoffströme (Produktion, Produkt, Recycling) und der Freisetzungspotenziale darin von GaAs und GaN-Verbindungshalbleitern sowie darauf aufbauend ein Risikomanagement abzuleiten. Die komplette Lebenszyklus soll durch 1) quantitative Analyse des Stoffstromes durch die Fertigung (Hauptstrom) zum fertigen Halbleiterbauteil sowie der Kennzeichnung von Nebenstoffströmen aus zusätzlichen Stoffquellen (z.B. Epitaxie) bzw. Stoffsenken (z.B. Abfälle und Nebenprodukte), 2) Analyse des Freisetzungsrisikos von GaAs/GaN-Stäuben bei Schlüsselprozessen mittels Messmethoden und Biomonitoring und 3) quantitative Analyse in den Recyclingprozessen erfolgen. Osram wird die TU Berlin sowohl bei der Nutzungsanalyse von Endprodukten an durch Endproduktdefinition und -zusammensetzung sowie Definition der Nutzungsbedingungen als auch die Untersuchungen zu den Entsorgungsszenarien der Endprodukts durch die Bewertung von Rückgewinnungsverfahren von Metallen unterstützen. Am Ende wird OSRAM zusammen mit allen Partnern die Ergebnisse vergleichend bewerten und Schlussfolgerungen für Risikomanagementmaßnahmen während Fertigung, Nutzung und Recycling ableiten.
Deutsche Unternehmen der Opto- und Elektronikindustrie sind auf den Einsatz von Spezialwerkstoffen der Hochtechnologie angewiesen, um ihre aufgrund langjähriger und aufwendiger Forschungsarbeiten herausragende, internationale Position auch in Zukunft halten und innovativ ausbauen zu können. Dabei ist es selbstverständlich, dass die Vorgaben der europäischen und nationalen Chemikaliengesetzgebung hinsichtlich des Gesundheits- und Umweltschutzes wirksam umgesetzt werden. In den letzten Jahren wurden Verfahren zur Bewertung, Einstufung und Kennzeichnung solcher nach Tonnage eher kleiner, technologisch aber hoch bedeutender Materialien (z.B. Galliumarsenid, Indiumphosphid) durch die Fachbehörden der Europäischen Union nach CLP (Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 - Classification, Labelling and Packaging of Substances) durchgeführt. Diese Materialien sind die Funktionswerkstoffe in Leuchtdioden, Lasern in Medizin und Materialbearbeitung, Datennetzen, Mobilfunktechnik, Auto- und Flugzeugradar und konzentrierter Photovoltaik. Die harmonisierte Einstufung bildet die Grundlage für mögliche nachfolgende Regulierungsprozesse unter REACh (Verordnung (EG) Nr. 1907/2006 - Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals) und strahlt in ca. 20 weitere Rechtsgebiete aus. Forschung und Industrie stimmen darin überein, dass die von den EU-Fachbehörden zur Umsetzung der CLP-Verordnung verwendete Informationsbasis für die Bewertung und Einstufung der Materialien in vielen Fällen unzureichend ist. So stehen beispielsweise Bewertungs- und Einstufungsergebnisse zum Schlüsselwerkstoff Galliumarsenid im Widerspruch zu übereinstimmenden Empfehlungen beteiligter Toxikologen wie auch aktuellen wissenschaftlichen Veröffentlichungen. Die europäischen Ansprüche an nachhaltige Chemikaliennutzung, Gesundheits- und Umweltschutz mit industrieller Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit in Balance zu bringen, erfordert deshalb zwingend, die wissenschaftliche Informationsbasis und angewandte Bewertungsmethoden zu verbessern. Das Ziel des vom Bundesforschungsministerium geförderten Verbundprojekts TEMPO (Toxikologische, physikalisch-chemische und gesellschaftliche Erforschung innovativer Materialien und Prozesse der Optoelektronik) besteht darin, diese wissenschaftliche Grundlage für die Stoffe Galliumnitrid, Galliumarsenid, Siliziumcarbid, Indiumphosphid, Indiumarsenid und Galliumantimonid substanziell mit einem ganzheitlichen Ansatz zu vertiefen. Dazu wird vorhandenes (Material-)Wissen konzentriert, es werden Wissensdefizite identifiziert und durch experimentelle Untersuchungen, u.a. zu toxikologischen Schlüsselfragen wie Lungenwechselwirkungen und Bioverfügbarkeit, geschlossen. Der Projektschwerpunkt liegt darüber hinaus auch auf der Analyse der Expositionsrisiken und der vorhandenen Risikomanagementpraxis während des ganzen Lebenszyklus der betreffenden Stoffe von den Arbeitsplätzen bei der Herstellung bis hin zum Produktrecycling.
Deutsche Unternehmen der Opto- und Elektronikindustrie sind auf den Einsatz von Spezialwerkstoffen der Hochtechnologie angewiesen, um ihre aufgrund langjähriger und aufwendiger Forschungsarbeiten herausragende, internationale Position auch in Zukunft halten und innovativ ausbauen zu können. Dabei ist es selbstverständlich, dass die Vorgaben der europäischen und nationalen Chemikaliengesetzgebung hinsichtlich des Gesundheits- und Umweltschutzes wirksam umgesetzt werden. In den letzten Jahren wurden Verfahren zur Bewertung, Einstufung und Kennzeichnung solcher nach Tonnage eher kleiner, technologisch aber hoch bedeutender Materialien (z.B. Galliumarsenid, Indiumphosphid) durch die Fachbehörden der Europäischen Union nach CLP1 durchgeführt. Diese Materialien sind die Funktionswerkstoffe in Leuchtdioden, Lasern in Medizin und Materialbearbeitung, Datennetzen, Mobilfunktechnik, Auto- und Flugzeugradar und konzentrierter Photovoltaik. Die harmonisierte Einstufung bildet die Grundlage für mögliche nachfolgende Regulierungs- prozesse unter REACh2 und strahlt in ca. 20 weitere Rechtsgebiete aus. Forschung und Industrie stimmen darin überein, dass die von den EU-Fachbehörden zur Umsetzung der CLP-Verordnung verwendete Informationsbasis für die Bewertung und Einstufung der Materialien in vielen Fällen unzureichend ist. So stehen beispielsweise Bewertungs- und Einstufungsergebnisse zum Schlüsselwerkstoff Galliumarsenid im Widerspruch zu übereinstimmenden Empfehlungen beteiligter Toxikologen wie auch aktuellen wissenschaftlichen Veröffentlichungen. Die europäischen Ansprüche an nachhaltige Chemikaliennutzung, Gesundheits- und Umweltschutz mit industrieller Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit in Balance zu bringen, erfordert deshalb zwingend, die wissenschaftliche Informationsbasis und angewandte Bewertungsmethoden zu verbessern. Das Ziel des vom Bundesforschungsministerium geförderten Verbundprojekts TEMPO (Toxikologische, physikalisch-chemische und gesellschaftliche Erforschung innovativer Materialien und Prozesse der Optoelektronik) besteht darin, diese wissenschaftliche Grundlage für die Stoffe Galliumnitrid, Galliumarsenid, Siliziumcarbid, Indiumphosphid, Indiumarsenid und Galliumantimonid substanziell mit einem ganzheitlichen Ansatz zu vertiefen. Dazu wird vorhandenes (Material-)Wissen konzentriert, es werden Wissensdefizite identifiziert und durch experimentelle Untersuchungen, u.a. zu toxikologischen Schlüsselfragen wie Lungenwechselwirkungen und Bioverfügbarkeit, geschlossen. Der Projektschwerpunkt liegt darüber hinaus auch auf der Analyse der Expositionsrisiken und der vorhandenen Risikomanagementpraxis während des ganzen Lebenszyklus der betreffenden Stoffe von den Arbeitsplätzen bei der Herstellung bis hin zum Produktrecycling.
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