DE2850790A1

DE2850790A1 - Verfahren zum herstellen von scheiben- oder bandfoermigen siliziumkristallen mit kolumnarstruktur fuer solarzellen

Info

Publication number: DE2850790A1
Application number: DE19782850790
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl Phys Dr R Grabmaier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-11-23
Filing date: 1978-11-23
Publication date: 1980-06-12
Also published as: JPS5573451A; DE2850790C2; US4319953A; JPS6251920B2

Description

.SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA

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Verfahren zum Herstellen von scheiben- oder bandförmigen Siliziumkristallen mit Kolumnarstruktur für Solarzellen.

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von scheiben- oder bandförmigen Siliziumkristallen mit Kolumnarstruktur, wie sie insbesondere zur Weiterverarbeitung für Solarzellen verwendet werden, durch Inkontaktbringen des geschmolzenen Silizium mit einem gegen die Schmelze resistenten Trägerkörper und nachfolgendes Erstarrenlassen in einem Temperaturgradienten an der Oberfläche dieses Trägerkörpers.

Zur Herstellung von Solarzellen aus Silizium soll möglichst billiges Silizium verwendet werden, da die Anforderungen, die an diese Bauelemente in Bezug auf Kristallqualität gestellt werden, nicht so hoch sind wie bei den für integrierte Schaltungen einsetzbaren ' Halbleiterbauelementen.

Es war deshalb ein lieg zu finden, Siliziumkristalle auf 25einfache und billige Weise herzustellen, d. h., möglichst ohne Materialverlust. Außerdem sollen die Edt 1 PIr / 21.11.1978

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teueren Arbeitsgänge wie z. B. das Sägen eines nach der herkömmlichen Kristallzüchtungsmethode hergestellten Siliziumstabes in Kristallscheiben und das Läppen und Polieren dieser Scheiben entfallen. 5

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 25 08 803 ist nun bekannt,- daß plattenförmige Siliziumkristalle mit Kolumnarstruktur als Grundmaterial für Solarzellen sehr gut geeignet sind, "wobei ein Wirkungsgrad von über 10 % erzielt werden kann. Das in der deutschen Offenlegungsschrift beschriebene Herstellverfahren beruht darauf, daß eine aus vorgereinigtem polykristallinen Silizium hergestellte Schmelze in eine gekühlte Gießform aus Grafit eingegossen und dort in einem Temperaturgradienten zum Erstarren gebracht wird. Nach dem Erstarren weisen die plattenförmigen Siliziumkristalle'eine in Richtung der kürzesten Achse ausgebildete Kolumnarstruktur aus einkristallinen Kristallbezirken mit kristallografischer Vorzugsorientierung auf und besitzen Halbleitereigenschaften.

Zur Herstellung von Solarzellen werden aus diesen Platten mit den in der Halbleitertechnologie üblichen . Diamantsägen Kristallscheiben von ungefähr 100 χ 100 mm und ca. 500 /um Dicke gesägt. Die aus diesen Scheiben nach bekannten Verfahren hergestellten Solarzellen haben einen Wirkungsgrad, der zwischen 8,2 % am Rand bis zu 10,5 % im Innern der Scheibe schwankt. Damit wird der Wirkungsgrad der aus einkristallinen Silizium hergestellten Solarzellen von 12 bis 1&- % fast erreicht. Bei dem hier beschriebenen Verfahren kann, wie dargelegt, der Sägeprozeß der zum Zerteilen der Platten in Scheiben durchgeführt wird, nicht eingespart werden. Außerdem wird die Größe der Platten durch die Größe der zu ihrer Herstellung erforderlichen Gießform festgelegt.

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Ein weiteres Verfahren, billiges Silizium herzustellen, ist aus der Zeitschrift »Electronics", April 4, 1974, Seite 108, zu entnehmen. Bei diesem Verfahren "wird ein polykristallines Siliziumband von mindestens einem Meter Länge durch Aufgießen einer Siliziumschmelze auf eine gekühlte bewegte Unterlage aus Molybdän oder aus einem, mit einer Siliziumnitridschicht überzogenen transportablen Band ähnlich dem Fließbandprinzip gebracht. Dieses Solärzellenmaterial weist aber keine Kolumnarstruktur auf und erreicht deshalb nur einen Wirkungsgrad im Bereich von weniger als 5 %·

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, besteht nun darin, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe Siliziumkristallscheiben und -bänder mit Kolumnarstruktur für Solarzellen mit erhöhtem Wirkungsgrad " hergestellt werden können, ohne daß nachfolgende Sägeprozesse, die Material- und Zeitverluste bedingen, erforderlich sind. Außerdem soll das auf in Gießformen beschränkte Erstarren, welches zusätzliche Arbeitsgänge und Vorrichtungen erforderlich macht, und zudem noch die Größe der so hergestellten Siliziumplatte bestimmt, umgangen werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß dadurch gekenns ei chnet ist, daß das in einem Tiegel aufgeschmolzene Silizium durch einen im Boden des Tiegels befindlichen Spalt auf einen, Kristallisationskeimzentren für den Aufbau der Kolumnarstruktur in periodischen Abständen enthaltenden Trägerkörper gegossen und zum Abkühlen veranlaßt wird.

Dabei liegt es im Rahmen des Erfindungsgedankens, daß als Trägerkörper eine bandförmige Unterlage verwendet .wird,.-die zur Bildung der Kristallisationskeime mit

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einem Löchersystem versehen ist und daß der Trägerkörper von der Unterseite her gekühlt wird.

In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, den Schmelztiegel und den Trägerkörper relativ zueinander in Bewegung zu versetzen. In einer "besonderen Ausführungsform ist die Unterlag von der Art eines Fließbandes und wird über Rollen bewegt.

Wegen der hohen Oberflächenspannung des geschmolzenen Siliziums können die Stege zwischen den einzelnen Löchern der Unterlage sehr dünn sein, so daß die Unterlage in erster Näherung die Form eines Netzes annimmt. Diese Art der Unterlage ist insofern von Vorteil, als bei ihr bei einheitlicher Maschenweite die einzelnen Kristallsäulen der Siliziumschicht mit einem sehr gleichmäßigen Querschnitt wachsen, wobei die Maschenweite des Netzes den Säulenquerschnitt bestimmt.

Das einkristalline, säulenartige Wachstum in der Siliziumschicht wird begünstigt durch eine Kühlung von unten durch einen Gasstrom, wobei gemäß einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung eine, auf die Unterseite des mit den Löchern versehenen Trägerkörpers gerichtete, Inertgasströmung verwendet wird. Ist der zur Kühlung der Unterlage verwendete Gasstrom stark genug, dann, läßt sich die Siliziumschicht auf einem Gaspolster auskristallisieren. Die Kristallisationszentren sind dabei nach ihrer Lage und Dichte zwangsläufig durch die Anordnung und Dichte der Löcher in der Unterlage bestimmt.

Die Ausbildung der Kolumnarstruktur, wie auch eine Steigerung der Bandziehgeschwindigkeit, erklären sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Hinweis auf die in der Zeichnung abgebildete Figur wie folgt:

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Infolge des Temperaturgradienten senkrecht zur Unterlage 2 (verursacht durch die nicht stattfindende Abstrahlung der Schmelzwärme durch die Stege 9 zwischen den Löchern 4) bilden sich Kristallisationskeime 3, be-5vorzugt im tiefsten Punkt der jeweils zwischen benachbarten Stegen 9 (bzw. der Löcher) der Unterlage 2 nach unten konvexen Siliziumschmelze 5. Im allgemeinen haben diese Keime sehr unterschiedliche Wachstumsrichtungen (siehe Pfeile 6, 7, S). Aufgrund der besonderen Ausführung der Unterlage 2 haben aber nur solche Keime große WachsturnsChancen, die senkrecht zur Unterlage

: -wachsen "(siehe Pfeile 7).

Im Hinblick auf den hohen Schmelzpunkt des Silizium 15" (143O⁰C) und der Eigenschaften des Quarzglases, daß es von geschmolzenem Silizium nicht oder nur wenig benetzt wird, verwendet man gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung als Trägerkörper oder als Unterlage für das geschmolzene Silizium zu Folien oder Matten gepreßte Quarzglaswatte, Zur Erzielung der gewünschten Kolumnarstruktur mit Kristallsäulen von gleichmäßigem Querschnitt bringt man die Löcher in der . Unterlage in periodischen Abständen an. Besonders vorteilhaft ist dabei eine, hexagonale Anordnung der Löcher. "En Anpassung an die Säulenstruktur weisen die Löcher eine Weite im Bereich von 100 bis 300 /um auf, während der Abstand Lochmitte zu Lochmitte im Bereich von 150 bis 350 /um liegt.

Anstelle von Quarzglaswatte als Trägerkörpermaterial läßt sich aber auch für das erfindungsgemäße Kristallisationsverfahren Grafit oder Zirkonoxid verwenden. Auch diese Materialien lassen sich zu Matten oder Netzwerken verarbeiten.

Zur Erzielung einer gleichmäßigen Schichtdicke ist es

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zv/eckmäßig, den mit dem geschmolzenen Siliziumfilm versehenen Trägerkörper durch einen Spalt bestimmter Öffnungsweite zu führen, wobei die überschüssige Schmelze abgestreift wird.

Für die Weiterverarbeitung wie auch für die Anwendung der scheiben- bzw. bandförmigen Siliziumschichten für Solarzellen (Dicke im Bereich von 100 bis 500 /um) ist es von Vorteil, wenn die Siliziumschicht mit der matten- oder netzartigen Unterlage verbunden bleibt. Dadurch werden die Schichten bzw. die aus ihnen gefertigten Solarzellen selbsttragend. Auch kommt man dadurch mit relativ wenig Material aus. Außerdem kann für spezielle Zwecke auch ein Trägerkörpermaterial verwendet werden, welches mit einer leitfähigen Schicht versehen ist oder selbst leitend ist, wie z. B. Molybdän.

Die Siliziumschichten können nach den beschriebenen Verfahren direkt in der gewünschten Dicke von einigen 100 /um und'mit einer hohen Oberflächenplanität hergestellt werden, so daß die Säge- und Polierprozesse, wie sie bei den herkömmlichen Methoden zur Herstellung von Siliziumscheiben für Solarzellen notwendig sind, entfallen können. Entsprechend den gewünschten Abmessungen werden die Grundkörper für die Solarzellen von den fertiggestellten Siliziumband, welches auch aufgespult werden kann, einfach abgetrennt.

Durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist aber auch die Möglichkeit gegeben, auf billige Weise Substrate für großflächige, amorphe Solarzellen herzustellen.

11 Patentansprüche
1 Figur

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Claims

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1. Verfahren zum Herstellen von scheiben- oder bandförmigen Siliziumkristallen mit Kolumnarstruktur, wie sie insbesondere zur Weiterverarbeitung für Solarzellen verwendet werden, durch Inkontaktbringen des geschmolzenen Silizium mit einem gegen die Schmelze resistenten Trägerkörper und nachfolgendes Erstarrenlassen in einem Temperaturgradienten an der Oberfläche dieses Trägerkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß das in einem Tiegel aufgeschmolzene Silizium durch einen im Boden des Tiegels befindlichen Spalt auf einen, Kristallisationskeimzentren für den Aufbau der Kolumnarstruktur in periodischen Abständen enthaltenden Trägerkörper gegossen und zum Abkühlen veranlaßt wird. '

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k, e η η ze i c h η e t , daß als Trägerkörper eine bandförmige Unterlage verwendet wird, die zur Bildung der Kristallisationskeime mit einem Löchersystem versehen ist und daß der Trägerkörper von der Unterseite her gekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Schmelztiegel und der Trägerkörper relativ zueinander in Bewegung versetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gek e η η ζ ei c h η e t , daß zur Erzielung einer Siliziumschicht:von 100 /um eine Bandziehgeschwindigkeit im Bereich von 1 m pro Minute eingestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch

g e k e η η ζ e i c h η e t·, daß die Kühlung durch

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eine auf die Unterseite des mit den Löchern versehenen Trägerkörpers gerichtete Inertgasströmung erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß ein Trägerkörper verwendet wird, dessen Löcher eine Weite im Bereich von 100 bis 300 /um aufweisen.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß ein Trägerkörper verwendet wird, bei dem der Abstand Lochmitte zu Lochmitte im Bereich von 150 bis 350 /um liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet ,. daß ein Trägerkörper mit hexagonal ausgebildeten Löchern verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß als Trägerkörpermaterial zu Folien oder Matten gepreßte Quarzglaswatte, Grafit oder Zirkonoxid verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet , daß netzförmige Trägerkörper mit einheitlicher, der Kolumnarstruktur des Silizium angepaßter Maschenweite verwendet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß zur Erzielung einer gleichmäßigen Schichtdicke der mit dem geschmolzenen Siliziumfilm versehene Trägerkörper durch einen Spalt bestimmter Öffnungsv/eise geführt wird, wobei die überschüssige Schmelze abgestreift wird.

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