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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Silizium-Wafern. Das Verfahren betrifft weiterhin eine Scheibe aus monokristallinem Silizium. Schließlich betrifft die Erfindung vollquadratische Wafer aus monokristallinem Silizium.
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Zur Herstellung von Solarzellen können vorteilhafterweise Silizium-Einkristalle verwendet werden. Die aus derartigen Einkristallen hergestellten Wafer haben üblicherweise abgeschnittene Ecken. Hierdurch geht ein Teil der möglichen Leistung verloren. Es besteht jedoch ein fortwährendes Bedürfnis, die Leistung von Solarzellen zu steigern.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Silizium-Wafern zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, einen zylindrischen Silizium-Kristall zur Herstellung von Wafern entlang seiner Längsachse zu zersägen. Bei dem zylindrischen Kristall handelt es sich insbesondere um einen kreiszylindrischen Kristall, d. h. einen Kristall mit einem kreisförmigen Querschnitt. Es handelt sich allgemein um einen Silizium-Block, insbesondere um einen monokristallinen Silizium-Kristall, d. h. einen Einkristall aus Silizium. Im Folgenden wird der Silizium-Block der Einfachheit halber nur noch als Silizium-Kristall bezeichnet. Ein derartiger Einkristall kann beispielsweise nach einem Czochralski-Verfahren hergestellt werden. Der Silizium-Kristall kann in Richtung seiner Längsachse eine Länge von über 1 m aufweisen.
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Benachbarte Sägeschnitte weisen einen Abstand von höchstens 1 cm auf. Sie können insbesondere einen Abstand von höchstens 1 mm, insbesondere höchstens 500 µm, insbesondere höchstens 300 µm, insbesondere höchstens 200 µm aufweisen. Durch den Abstand benachbarter Sägeschnitte wird die Dicke der hergestellten Silizium-Scheiben festgelegt. Sie ist höchstens so groß wie der Abstand zweier benachbarter Sägeschnitte. Der Abstand zweier benachbarter Sägeschnitte kann insbesondere gerade der Dicke der herzustellenden Wafer entsprechen.
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Zum Einbringen der Sägeschnitte wird der Silizium-Kristall vorzugsweise an einem Endbereich gehalten. Er kann insbesondere an dem selben Endbereich gehalten werden, an welchem er während des Czochralski-Prozesses gehalten wurde. Dies vereinfacht die Halterung des Silizium-Kristalls.
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Die Halterung des Silizium-Kristalls erfolgt insbesondere klebstofffrei. Auf das Aufkleben einer zusätzlichen Glasplatte kann verzichtet werden. Auch hierdurch wird das Verfahren vereinfacht.
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Da sich die Sägeschnitte vorteilhafterweise in Richtung der Längsachse nur über einen Teil des Silizium-Kristalls erstrecken, bleiben die Scheiben zunächst mit dem Endbereich des Silizium-Kristalls, insbesondere mit dem Endbereich, an welchem dieser gehalten wird, verbunden. Die Sägeschnitte erstrecken sich in Richtung der Längsachse, insbesondere über höchstens 99%, insbesondere höchstens 95%, insbesondere höchstens 90% der Länge des Silizium-Kristalls.
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Durch vollständiges Abtrennen eines oder mehrerer Randbereiche vom Silizium-Kristall kann dieser mit ebenen Seitenflächen versehen werden. Er kann insbesondere quadriert werden, d. h. in eine quaderförmige Form gebracht werden. Der abgetrennte Randbereich erstreckt sich insbesondere in Längsrichtung über die gesamte Länge des Silizium-Kristalls. Es kann insbesondere vorteilhaft sein, jeweils zwei einander bezüglich der Längsachse gegenüberliegende Randbereiche vom Silizium-Kristall abzutrennen, so dass dieser zwei parallele Seitenflächen aufweist. Die Randbereiche können vorteilhafterweise nach dem Abtrennen ebenfalls zu Wafern weiterverarbeitet werden. Hierdurch wird insbesondere die Gesamtausbeute verbessert.
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Vorzugsweise werden die Sägeschnitte derart ausgerichtet, dass sie senkrecht zu einer 100-Kristallorientierung des Silizium-Kristalls, d. h. des Siliziumkristalls, verlaufen. Dies ist insbesondere für die Weiterverarbeitung, insbesondere für nachfolgende Ätzverfahren, vorteilhaft. Zum Ausrichten der Sägeschnitte kann der Silizium-Kristall um seine Längsachse rotiert werden. Er kann hierdurch präzise relativ zur Säge, insbesondere zu einem Drahtfeld einer Drahtsäge, ausgerichtet werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich aus dem Silizium-Kristall besonders große Scheiben herstellen. Zumindest ein Teil der Scheiben weist, insbesondere nach deren vollständigen Separierung vom Silizium-Kristall, eine Fläche von mehr als 400 cm2, insbesondere mehr als 484 cm2, insbesondere mehr als 625 cm2, insbesondere mindestens 800 cm2 auf. Die Scheiben können eine rechteckige Form aufweisen. Dies erleichtert die Weiterverarbeitung. Sie können eine Länge L von mindestens 15cm, insbesondere mindestens 30 cm, insbesondere mindestens 50 cm, insbesondere mindestens 100 cm aufweisen. Aus derartig großen Scheiben lassen sich besonders leistungsstarke Solarmodule fertigen. Zudem lassen sich somit besonders große Solarzellen besonders kostengünstig fertigen.
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Die Scheiben können prinzipiell unterschiedliche Breiten B aufweisen. Es kann jedoch vorteilhaft sein, die Sägeschnitte derart anzuordnen, dass sämtliche Scheiben dieselbe Breite aufweisen. Es kann auch vorteilhaft sein, die Sägeschnitte derart anzuordnen, dass Scheiben mit zwei unterschiedlichen Breiten B1, B2 aus dem Silizium-Kristall geschnitten werden. Hierbei kann es insbesondere vorteilhaft sein, wenn die größere Breite B1 ein ganzzahliges Vielfaches der kleineren Breite B2 ist, insbesondere B1 = 2B2.
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Die Scheiben weisen vorzugsweise eine Länge L auf, welche mindestens doppelt so groß ist wie deren Breite B. Die Länge L der Scheiben ist mindestens dreimal so groß, insbesondere mindestens viermal so groß wie deren Breite B. Vorzugsweise ist die Länge L ein ganzzahliges Vielfaches der Breite B. Dies erleichtert die Herstellung von quadratischen Wafern.
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Der Silizium-Kristall weist vorzugsweise eine monokristalline Struktur auf. Dies führt zu besonders effizienten Solarzellen.
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Zur vollständigen Separierung der Scheiben vom Silizium-Kristall kann ein Laser-Verfahren vorgesehen sein. Die Scheiben können insbesondere nach dem Sägen mittels eines Laser-Verfahrens vom Endbereich, an welchem der Silizium-Kristall gehalten wird, und mit welchem die Scheiben nach dem Sägen noch immer verbunden sind, abgetrennt werden.
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Entsprechend kann zur Konfektionierung der Scheiben, d. h. zur Aufteilung der Scheiben in Wafer, ein Laser-Verfahren vorgesehen sein.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Wafer aus monokristallinem Silizium zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 15 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, Wafer derart aus monokristallinem Silizium zu sägen, dass sie eine (100)-Kristallorientierung senkrecht zu ihrer Oberfläche aufweisen. Bei den Wafern handelt sich insbesondere um rechteckige Scheiben mit einer Länge L von mindestens 20 cm. Die Länge L kann insbesondere mindestens 22 cm, insbesondere mindestens 25 cm, insbesondere mindestens 30 cm betragen. Die Breite B der Scheiben beträgt mindestens 50 mm, insbesondere mindestens 78 mm. Sie kann mindestens 105 mm betragen. Sie kann vorzugsweise mindestens 125 mm, insbesondere mindestens 156 mm betragen. Die Scheiben weisen insbesondere eine Dicke D im Bereich von 50 µm bis 1 cm, insbesondere 150 µm bis 1 mm, insbesondere höchstens 300 µm auf.
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Die Wafer weisen ein vollquadratisches Format mit einer Seitenlänge von mindestens 156 mm, insbesondere mindestens 200 mm, insbesondere 220 mm, insbesondere mindestens 250 mm, insbesondere mindestens 300 mm auf. Ein vollquadratischer Wafer hat gegenüber einem sogenannten pseudoquadratischen Wafer mit abgerundeten Ecken eine größere Fläche bei gleicher Seitenlänge, was zu einer Steigerung der Leistung der aus diesem Wafer hergestellten Solarzelle führt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
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1 einen schematischen Querschnitt durch einen Silizium-Kristall, bei welchem die Anordnung der Sägeschnitte dargestellt ist,
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2 eine schematische Ansicht eines zu sägenden Silizium-Kristalls, in welcher die Kristallorientierungen des Silizium-Kristalls hervorgehoben sind,
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3 eine schematische Ansicht eines Silizium-Kristalls während des Einbringens von Sägeschnitten,
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4 eine Darstellung entsprechend 1 mit einer alternativen Anordnung der Sägeschnitte,
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5 eine entsprechende Darstellung zu 1 mit einer alternativen Anordnung der Sägeschnitte,
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6 eine schematische Ansicht einer Silizium-Scheibe, aus welcher vier vollquadratische Wafer hergestellt werden können, und
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7 eine weitere Darstellung zur Erläuterung einer meanderartigen Anordnung der Sägeschnitte.
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Zur Herstellung von Silizium-Wafern 1 wird ein Silizium-Kristall 2 bereitgestellt. Der Silizium-Kristall 2 ist zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch ausgebildet. Er erstreckt sich entlang einer Längsachse 3. Die Richtung der Längsachse 3, welche auch als Längsrichtung bezeichnet wird, entspricht insbesondere der Wachstumsrichtung des Silizium-Kristalls 2. Es handelt sich insbesondere um einen monokristallinen Silizium-Kristall 2, d. h. er weist eine monokristalline Struktur auf. Der Silizium-Kristall 2 kann beispielsweise mittels eines Czochralski-Verfahrens oder eines Zonenzieh-Verfahrens hergestellt werden. Er weist beispielsweise einen Durchmesser von 20 cm auf. Er weist eine Länge LB von mindestens 50 cm, insbesondere mindestens 100 cm auf.
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Zur weiteren Verarbeitung wird der Silizium-Kristall 2 an einem Endbereich 5 mittels einer in der 3 schematisch dargestellten Halte-Einrichtung 6 gehalten. Bei der Halte-Einrichtung 6 kann es sich um dieselbe handeln, welche bei der Herstellung des Silizium-Kristalls 2 verwendet wurde. Beim Endbereich 5 handelt es sich in diesem Fall um eine sogenannte Kappe des Silizium-Kristalls 2. Es ist ebenso möglich, eine Halte-Einrichtung 6 an einem Bodenbereich 7 des Silizium-Kristalls 2 anzubringen. Die Halterung des Silizium-Kristalls 2 erfolgt vorzugsweise klebstofffrei. Die Halte-Einrichtung 6 kann insbesondere mechanisch mit dem Silizium-Kristall 2 verbunden sein.
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Zunächst wird der Silizium-Kristall 2 in eine vorbestimmte Ausgangsform gebracht. Hierzu werden Randbereiche 8 vollständig vom Silizium-Kristall 2 abgetrennt. Bei der in 1 dargestellten Anordnung der Sägeschnitte 4 wird zunächst ein oberer und unterer Randbereich 8 vom Silizium-Kristall 2 abgetrennt. Zwei weitere seitliche Randbereiche 14 müssen nicht vom Silizium-Kristall 2 abgetrennt werden. Allgemein wird mindestens ein Randbereich 8 vom Silizium-Kristall 2 abgetrennt. Vorzugsweise werden jeweils zwei einander gegenüberliegende Randbereiche 8 vom Silizium-Kristall 2 abgetrennt. Die Randbereiche 8 erstrecken sich parallel zur Längsachse 3 des Silizium-Kristalls 2. Sie werden auch als Schwarten bezeichnet. Durch das Abtrennen der Randbereiche 8 kann der Silizium-Kristall 2 insbesondere quadriert werden, d. h. in eine quaderförmige Form gebracht werden.
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Prinzipiell ist es auch möglich, den dem mit der Halte-Einrichtung 6 versehenen Endbereich 5 gegenüberliegenden Boden 7 vom Silizium-Kristall 2 abzutrennen. Der Silizium-Kristall 2 kann insbesondere auf seiner dem Endbereich 5 mit der Halte-Einrichtung 6 entgegengesetzten Seite in Richtung der Längsachse 3 mit einer ebenen Stirnfläche, welche insbesondere senkrecht zur Längsachse 3 ausgerichtet ist, versehen werden.
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Nach dem Abtrennen der Randbereiche 8 werden die Sägeschnitte 4 in den Silizium-Kristall 2 eingebracht. Hierbei wird zur Herstellung von Silizium-Scheiben 9 eine Vielzahl von parallelen Sägeschnitten 4 in den Silizium-Kristall 2 eingebracht. Die Sägeschnitte 4 sind in Richtung parallel zur Längsachse 3 ausgerichtet. Die Silizium-Scheiben 9 weisen somit eine Flächennormale 17 auf, welche insbesondere senkrecht zur Längsachse 3 ausgerichtet ist.
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Die Sägeschnitte 4 sind insbesondere derart ausgerichtet, dass sie senkrecht zu einer 100-Kristallorientierung 10 des Silizium-Kristalls 2 verlaufen. Der Silizium-Kristall 2 weist in Richtung der Längsachse 3 eine 100-Kristallorientierung 10 auf. Er weist außerdem in der Ebene senkrecht zur Längsachse 3 jeweils in zwei senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen eine 100-Kristallorientierung 10 auf. Zur Ausrichtung der Sägeschnitte 4 relativ zur Kristallorientierung des Silizium-Kristalls 2 kann letzterer um seine Längsachse 3 rotiert werden. Als Markierung für die Kristallorientierung 10 des Silizium-Kristalls in Richtung senkrecht zur Längsachse 3 können hierbei kleine Vorsprünge 11 dienen, welche auf der Mantelfläche des Silizium-Kristalls 2 erkennbar sind und sich in Längsrichtung erstrecken. Diese Vorsprünge 11 zeigen die 110-Richtung an.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die Silizium-Scheiben 9, welche sich aus einem Zentralbereich 15 des Silizium-Kristalls 2 schneiden lassen, eine Breite B von 156 mm auf. Aus den beiden seitlichen Randbereichen 14 lassen sich weitere Silizium-Scheiben 9 mit einer Breite B von mindestens 78 mm schneiden. Die Ausrichtung der Sägeschnitte 4 in den beiden seitlichen Randbereichen 14 ist parallel zu der der Sägeschnitte 4 im Zentralbebreich 15. Auch aus den abgetrennten Randbereichen 8 können weitere Silizium-Scheiben 9 geschnitten werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Ausrichtung der Sägeschnitte 4 in den Randbereichen 8 senkrecht zu der der Sägeschnitte 4 im Zentralbereich 15.
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Benachbarte Sägeschnitte 4 weisen einen Abstand von höchstens 1 cm, insbesondere höchstens 1 mm, insbesondere höchstens 500 µm, insbesondere höchstens 300 µm auf. Durch den Abstand zweier benachbarter Sägeschnitte 4 wird eine Dicke D der Silizium-Scheiben 5 und damit eine maximale Dicke Dmax der aus diesem herzustellenden Wafern 1 bestimmt. Die Dicke D der fertigen Wafer 1 kann aufgrund von weiteren Verarbeitungsschritten, insbesondere Oberflächen-Ätz-Verfahren und/oder Beschichtungsschritten etwas von der Dicke D der Silizium-Scheiben 9 abweichen.
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Die Scheiben 9 sind somit im Wesentlichen flächig ausgebildet, d. h. sie weisen eine Dicke D auf, welche im Vergleich zu ihrer Breite B und Länge L sehr gering ist. Das Verhältnis der Dicke D der Silizium-Scheiben 9 zu ihrer Breite B beträgt weniger als 1:5, insbesondere weniger als 1:10, insbesondere weniger als 1:50, insbesondere weniger als 1:300.
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Die Sägeschnitte 4 erstrecken sich in Richtung der Längsachse 3 nur über einen Teil des Silizium-Kristalls 2. Sie erstrecken sich insbesondere über höchstens 99%, insbesondere höchstens 95%, insbesondere höchstens 90% der Länge LD des Silizium-Kristalls 2. Die Silizium-Scheiben 9 bleiben somit während des gesamten Sägevorgangs mit dem Silizium-Kristall 2, insbesondere mit dem Endbereich 5, verbunden.
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Zum Einbringen der Sägeschnitte 4 in den Silizium-Kristall 2 dient insbesondere eine Drahtsäge mit einem Drahtfeld 12. Hierbei kann es sich vorzugsweise um ein Diamantdrahtfeld handeln.
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Nachdem Einbringen der Sägeschnitte 4 werden die Silizium-Scheiben 9 vom Endbereich 5 getrennt. Hierzu kann ein Laser-Verfahren vorgesehen sein.
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Alternativ ist es möglich, die Wafer durch Verfahren des Drahtfeldes oder des Kristalls um mindestens die Waferdicke senkrecht zur Längsachse des Kristalls von diesem abzutrennen. Es ist ebenfalls erfindungsgemäß dieses Abtrennen der Wafer jeweils nach Erreichen der gewünschten Waferlänge, insbesondere nach 156 mm, durchzuführen und die Wafer während des Sägeprozesses zu entnehmen. Dabei verlaufen die Sägeschnitte meanderförmig durch den Kristall (siehe 7). Die Methode gestattet es die ersten Waferpakete bereits während des Sägeprozesses zu entnehmen und weiterzuverarbeiten und stellt somit einen besonders wirtschaftlichen Prozess dar.
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Die vom Endbereich 5 abgetrennten Silizium-Scheiben 9 weisen eine rechteckige Form auf, das heißt die Silizium-Scheiben 9 weisen rechteckige Seitenflächen 16 auf. Sie weisen eine Länge L von mindestens 15 cm, insbesondere mindestens 30 cm, insbesondere mindestens 50 cm, insbesondere mindestens 100 cm auf. Sie können eine Fläche A von mehr als 200 cm2, insbesondere mehr als 400 cm2, insbesondere mehr als 484 cm2, insbesondere mehr als 625 cm2, insbesondere mindestens 800 cm2 aufweisen. Sie können eine einheitliche Breite B aufweisen. Die Breite der Scheiben beträgt bei der in 1 dargestellten Anordnung der Sägeschnitte 4 156 mm. Aus den abgetrennten Randbereichen 8 lassen sich zusätzlich Scheiben 9 mit einer Breite B von 78 mm schneiden. Allgemein beträgt die Breite B der Silizium-Scheiben 9 mindestens 50 mm, insbesondere mindestens 78 mm, insbesondere mindestens 105 mm, insbesondere mindestens 125 mm, vorzugsweise mindestens 156 mm.
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Die Silizium-Scheiben 9 können auch unterschiedliche Breiten B aufweisen. Es ist insbesondere möglich, aus dem Silizium-Kristall 2 Silizium-Scheiben 9 mit zwei unterschiedlichen Breiten B1 und B2 zu schneiden. Hierbei stehen die Breiten B1, B2 vorzugsweise in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander. Es gilt insbesondere: B1 = 2B2.
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Vorzugsweise weisen die Silizium-Scheiben 9 eine Länge L auf, welche mindestens genauso groß, insbesondere aber mindestens halb so groß, insbesondere aber mindestens doppelt so groß, insbesondere mindestens dreimal so groß, insbesondere mindestens viermal so groß ist, wie die Breite B. Die Länge L der Silizium-Scheiben 9 ist insbesondere in ganzzahliges Vielfaches deren Breite B oder aber deren Hälfte.
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Wie exemplarisch in der 6 dargestellt ist, können die Silizium-Scheiben 9 in eine Vielzahl von Wafern 1 konfektioniert werden. Zur Konfektionierung der Silizium-Scheiben 9 in Wafer 1 ist insbesondere in Laser-Verfahren vorgesehen. Die Silizium-Scheiben 9 werden insbesondere mittels eines Lasers geritzt oder geschnitten. Entsprechende Schnitt- oder Ritz-Linien 13 sind in der 6 exemplarisch dargestellt. Auf diese Weise ist es möglich, aus den Silizium-Scheiben 9 vollquadratische Wafer 1 herzustellen. Die vollquadratischen Wafer 1 sind aus monokristallinem Silizium und weisen eine Seitenlänge von mindestens 105 mm, insbesondere mindestens 125 mm, insbesondere mindestens 156 mm auf.
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In 4 ist eine alternative, vorteilhafte Anordnung der Sägeschnitte 4 dargestellt. Bei dieser Anordnung der Sägeschnitte 4 sind die Randbereiche 8 derart ausgebildet, dass der Silizium-Kristall 2 nach dem Abtrennen der Randbereiche 8 eine Breite B von 125 mm aufweist. Die Silizium-Scheiben 9 haben somit eine Breite von 125 mm. Auch aus den Randbereichen 8 lassen sich weitere Silizium-Scheiben 9 mit einer Breite von 125 mm schneiden.
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In 5 ist eine weitere Anordnung der Sägeschnitte 4 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Breite B der Silizium-Scheiben 9 derart gewählt, dass der Flächennutzteil maximiert wird unter der Randbedingung, dass sämtliche Silizium-Scheiben 9 eine identische Breite B aufweisen, und die Sägeschnitte 4 kreuzungsfrei in den Silizium-Kristall 2 eingebracht werden. Bei einem Silizium-Kristall 2 mit einem Durchmesser von 20 cm führt dies zu Silizium-Scheiben 9 mit einer Breite B von 105 mm. Bei dieser Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, aus den Silizium-Scheiben 9 rechteckige Wafer 1 mit einer Breite von 105 mm und einer Länge von 156 mm zu fertigen. Dies führt bei einer vorgegebenen Modulfläche zu einer im Vergleich zu vollquadratischen 156 × 156 mm2-Zellen vergrößerten Anzahl Zellen je Modul, was zu einer höheren Spannung des Moduls bei geringerer Stromstärke und damit zu geringeren Verlusten führt.