DE2850790C2 - Verfahren zum Herstellen von scheiben- oder bandförmigen Siliziumkristallen mit Kolumnarstruktur für Solarzellen - Google Patents
Verfahren zum Herstellen von scheiben- oder bandförmigen Siliziumkristallen mit Kolumnarstruktur für SolarzellenInfo
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Description
- Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von scheiben- oder bandförmigen Siliziumkristallen mit Kolumnarstruktur, insbesondere für Solarzellen, bei dem Silizium in einem Tiegel geschmolzen und durch einen Spalt im Boden des Tiegels auf ein gegen die Schmelze resistentes, von der Unterseite her gekühltes Band gegossen wird, wobei Tiegel und Band relativ zueinander bewegt werden.
- 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 Weg zu finden, Siliziumkristalle auf einfache und billige Weise herzustellen, das heißt, möglichst ohne Materialverlust. Außerdem sollen die teueren Arbeitsgänge wie zum Beispiel das Sägen eines nach der herkömmlichen Kristallzüchtungsmethode hergestellten Siliziumstabes in Kristallscheiben und das Läppen und Polieren dieser Scheiben entfallen.
- 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 kristallographischer Vorzugsorientierung auf und besitzen Halbleitereigenschaften.
- Zur Herstellung von Solarzellen werden aus diesen Platten mit den in der Halbleitertechnologie üblichen Diamantsägen Kristallscheiben von ungefähr 100×100 mm2 und ca. 500 µm 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 einkristallinem Silizium hergestellten Solarzellen von 12 bis 15% 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.
- 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 Solarzellenmaterial 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 gekennzeichnet ist, daß das mit einem Löchersystem versehene Band mit einer Inertgasströmung gekühlt wird. Die Löcher im Band wirken wie Kristallisationskeimzentren für den Aufbau der Kolumnarstruktur, deren Bildung durch den Inertgasstrom unterstützt wird. Ist der zur Kühlung des Bandes 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 im Band 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:
- Infolge des Temperaturgradienten senkrecht zum Band 2 (verursacht durch die nicht stattfindende Abstrahlung der Schmelzwärme durch die Stege 9 zwischen den Löchern 4) bilden sich Kristallisationskeime 3, bevorzugt im tiefsten Punkt der jeweils zwischen benachbarten Stegen 9 (bzw. der Löcher) des Bandes 2 nach unten konvexen Siliziumschmelze 5. Im allgemeinen haben diese Keime sehr unterschiedliche Wachstumsrichtungen (siehe Pfeile 6, 7, 8). Aufgrund der besonderen Ausführung des Bandes 2 haben aber nur solche Keime große Wachstumschancen, die senkrecht zum Band wachsen (siehe Pfeile 7).
- Durch die Relativbewegung von Schmelztiegel und Band ist die Möglichkeit gegeben, nach dem Fließbandprinzip zu arbeiten, wobei die Unterlage über Rollen bewegt wird.
- 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.
- Im Hinblick auf den hohen Schmelzpunkt des Siliziums (1430°C) 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 Band für das geschmolzene Silizium zu Folien oder Matten gepreßte Quarzglaswatte. Zur Erzielung der gewünschten Kolumnarstruktur mit Kristallsäulen von gleichmäßigem Querschnitt bringt man die Löcher im Band in periodischen Abständen an. Besonders vorteilhaft ist dabei eine hexagonale Anordnung der Löcher. In Anpassung an die Säulenstruktur weisen die Löcher eine Weite im Bereich von 100 bis 300 µm auf, während der Abstand Lochmitte zu Lochmitte im Bereich von 150 bis 350 µm 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 zweckmäßig, das mit dem geschmolzenen Siliziumfilm versehene Band durch einen Spalt bestimmter Öffnungsweise 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 µm) ist es von Vorteil, wenn die Siliziumschicht mit dem mattenoder netzartigen Band 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 Band verwendet werden, welches mit einer leitfähigen Schicht versehen ist oder selbst leitend ist, wie zum Beispiel Molybdän.
- Die Siliziumschichten können nach den beschriebenen Verfahren direkt in der gewünschten Dicke von einigen 100 µm 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 dem 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.
Claims (8)
1. Verfahren zum Herstellen von scheiben- oder bandförmigen Siliziumkristallen mit Kolumnarstruktur, insbesondere für Solarzellen, bei dem Silizium in einem Tiegel geschmolzen und durch einen Spalt im Boden des Tiegels auf ein gegen die Schmelze resistentes, von der Unterseite her gekühltes Band gegossen wird, wobei Tiegel und Band relativ zueinander bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einem Löchersystem versehene Band mit einer Inertgasströmung gekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Siliziumschicht von 100 µm eine Bandziehgeschwindigkeit im Bereich von 1 m pro Minute eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Band verwendet wird, dessen Löcher eine Weite im Bereich von 100 bis 300 µm aufweisen.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Band verwendet wird, bei dem der Abstand Lochmitte zu Lochmitte im Bereich von 150 bis 350 µm liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Band mit hexagonal ausgebildeten Löchern verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Bandmaterial zu Folien oder Matten gepreßte Quarzglaswatte, Grafit oder Zirkonoxid verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein netzförmiges Band mit einheitlicher, der Kolumnarstruktur des Siliziums angepaßter Maschenweite verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Schmelzfilm versehene Band durch einen Spalt bestimmter Öffnungsweite geführt wird, wobei die überschüssige Schmelze abgestreift wird.
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