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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Siliziumblocks mit einer gerichteten Erstarrungsstruktur und
einem geeigneten Orientierungsgrad für die Herstellung eines Siliziumsubstrats
zur Verwendung in fotovoltaischen Solarzellen, insbesondere auf
ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumblocks mit einer gerichteten
Erstarrungsstruktur mit einer breiten, horizontalen Querschnittsfläche und
einem guten Orientierungsgrad. Weiterhin bezieht sich die Erfindung
auf eine Vorrichtung zur Herstellung solcher Siliziumblöcke.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Siliziumsubstrate,
die polykristallines Silizium enthalten, sind aus dem Stand der
Technik als eine Art Siliziumsubstrat für die Verwendung in fotovoltaischen
Solarzellen bekannt. Das Siliziumsubstrat, das das polykristalline
Silizium enthält,
wird hergestellt, indem ein Siliziumblock mit einer gerichteten
Erstarrungsstruktur in Scheiben geschnitten wird. Obwohl der Siliziumblock
mit einer gerichteten Erstarrungsstruktur billiger ist als Einkristall-Silizium,
haben viele Forscher damit angefangen, die Anforderungen für viel günstigere
Siliziumsubstrate zu erfüllen.
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5 zeigt
einen Beispielquerschnitt zur Beschreibung des Verfahrens für die Herstellung
eines herkömmlichen
Siliziumblocks mit einer gerichteten Erstarrungsstruktur. Wie in 5(a) dargestellt ist, umfasst das Verfahren
die Schritte, ein Siliziumrohmaterial 2 in einen Schmelztiegel 1 zu
füllen,
das Siliziumrohmaterial 2 durch Erhitzen des Schmelztiegels 1 mit
einer Induktionsspule 3 zu schmelzen und das geschmolzene
Silizium 8 wie in 5(b) dargestellt
in einen Erstarrungstiegel 4 einzugeben. Um den Erstarrungstiegel 4 herum ist
eine Isolierheizvorrichtung 5 angebracht und zusätzlich ist
eine Trennwand 6 an dem unteren Ende der Isolierheizvorrichtung 5 vorgesehen,
um die Hitze von der Heizvorrichtung 5 abzuschirmen. Eine
Kühlplatte 7 berührt den
Boden des Erstarrungstiegels 4. Das in den Erstarrungstiegel
eingegebene, geschmolzene Silizium 4 beginnt, vom Boden
nach oben hin zu erstarren, da der Boden des Erstarrungstiegels 4 mit
der Kühlplatte 7 gekühlt wird.
Eine Hebewelle 11 ist ferner an der Unterseite der Kühlplatte 7 vorgesehen,
eine gerichtete Erstarrungsstruktur 12 über dem gesamten Bereich der
geschmolzenen Siliziumflüssigkeit
wachsen zu lassen, indem man zulässt,
dass das geschmolzene Silizium 8 vom Boden her erstarrt,
während
die Kühlplatte 7 durch Verwenden
der Hebewelle 11 mit einer Geschwindigkeit herunterfährt, die
auf die Kristallwachstumsgeschwindigkeit des geschmolzenen Siliziums
abgestimmt ist. Das Siliziumsubstrat für die Verwendung in der fotovoltaischen
Solarzelle wird hergestellt, indem der Siliziumblock in Scheiben
geschnitten wird, nachdem der Seitenwandanteil des Siliziumblocks
abgenommen wurde, da die Seitenwand des wie oben beschrieben erhaltenen
Siliziumblocks mit einer gerichteten Erstarrungsstruktur eine durch
den Tiegel 4 eingebrachte hohe Verunreinigungskonzentration
aufweist sowie viele Formfehler.
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Wenn
der erhaltene Siliziumblock jedoch eine kleine horizontale Querschnittsfläche aufweist,
wird die horizontale Querschnittsfläche des Siliziumblocks nach
Abnehmen des Seitenwandanteils mit Zunahme des Beseitigungsanteils
der Seitenwand des Siliziumblocks noch kleiner, was es unmöglich macht,
das teure Siliziumrohmaterial effektiv zu nutzen.
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Folglich
ist ein Siliziumblock mit einer gerichteten Erstarrungsstruktur
mit einer breiten, horizontalen Querschnittsfläche sowie einem ausgezeichneten
Orientierungsgrad erwünscht.
Wenn man jedoch versucht, einen Siliziumblock mit einer breiten,
horizontalen Querschnittsfläche
durch das herkömmliche
Produktionsverfahren herzustellen, bei dem die Temperatur gesteuert
wird, indem wärmeerzeugende
Quellen auf Seitenflächen
angeordnet sind, ergibt sich wegen der entlang der horizontalen
Richtung verursachten Temperaturdifferenz ein schlechter Orientierungsgrad
in vertikaler Richtung, was es unmöglich macht, einen Siliziumblock mit
geeignetem Orientierungsgrad zu erhalten.
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In
einer bekannten Vorrichtung zur Herstellung eines Metallblocks mit
einer gerichteten Erstarrungsstruktur (
DE 3323896 A1 ,
2)
mit einer Bodenheizung, einer Kühlplatte
oberhalb der Bodenheizung, auf der Kühlplatte angebrachte Tiegel,
eine über
den Tiegeln vorgesehene Deckenheizung und einem Wärmedämmstoff,
der die Tiegel umgibt, die Kühlplatte
ist in einem festen Abstand über
der Bodenheizung vorgesehen. Diese Vorrichtung ist zum Erstarren
von Metallschmelzen von wenigsten 600°C vorgesehen. Die Wärme des
erstarrenden, geschmolzenen Metalls wird ausschließlich durch
die Kühlplatte
entzogen. Es sind keine Mittel vorgesehen, die Bildung von SiC in
dem geschmolzenen und erstarrenden Metall zu unterbinden.
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In
einer weiteren bekannten Vorrichtung zur Herstellung eines aus Halbleiterpolykristall
bestehenden Blocks (EP-A-0141999), wird der Tiegel, der das geschmolzene
Metall enthält,
in einer Ar-Schutzgasatmosphäre
gehalten, wobei das Ar-Schutzgas aus einer externen Quelle zugeführt wird.
Das Erwärmen
des Ar-Schutzgases nimmt mit der Erstarrung des geschmolzenen Metalls
ab, für
das der Block erstellt wird.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Siliziumblock mit
einem guten Orientierungsgrad und einer breiteren, horizontalen
Querschnittsfläche
als bei herkömmlichen
Siliziumblöcken
bereitzustellen und mit einer verbesserten Reinheit des Siliziumblocks
gegenüber
jener von herkömmlichen
Siliziumblöcken.
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Dieses
Ziel wird durch ein Verfahren erreicht, das die Merkmale von Anspruch
1 umfasst.
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Verbesserungen
und weitere Details dieses Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis
4.
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Außerdem wird
das obige Ziel durch eine Vorrichtung mit den Markmalen aus Anspruch
5 erreicht.
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Verbesserungen
einer solchen Vorrichtung und weitere Merkmale dieser sind Gegenstand
der abhängigen
Ansprüche
6 bis 9.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
es, einen Siliziumblock mit einer gerichteten Erstarrungsstruktur und
einem geeigneten Orientierungsgrad für die Herstellung eines Siliziumsubstrats
zur Verwendung in fotovoltaischen Solarzellen herzustellen.
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In
einem Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung eines Siliziumblocks mit einer gerichteten Erstarrungsstruktur
bereit, das die folgenden Schritte umfasst: Einbringen eines Siliziumrohmaterials
in einen Tiegel einer Schmelzvorrichtung, die durch Anbringen einer
Kühlplatte,
die im Stande ist, mit einem Kühlmittel
zu kühlen,
auf einer Bodenheizung, Anbringen des Tiegels auf der Kühlplatte, Anordnen
einer Deckenheizung über
dem Tiegel und Umgeben des Tiegelumfangs mit einem Wärmedämmstoff
aufgebaut ist; Schmelzen des Siliziumrohmaterials, indem die Bodenheizung
und die Deckenheizung von einem Strom durch flossen werden, während die
Kühlmittelzufuhr
zur Kühlplatte
gestoppt wird, gefolgt von dem Unterbrechen oder Verringern des
Stroms durch die Bodenheizung, nachdem das Siliziumrohmaterial vollständig geschmolzen
ist, das geschmolzene Silizium vom Tiegelboden her abgekühlt wird,
indem die Kühlplatte durch
Zuführen
des Kühlmittels
gekühlt
wird; und intermittierendes oder kontinuierliches Absenken der Temperatur
der Deckenheizung zusammen mit dem Unterbrechen des Stroms oder
Reduzieren der elektrischen Leistung in der Bodenheizung, worin
das Siliziumrohmaterial in dem Tiegel während des Schmelzens des Rohmaterials
und während
der Erstarrung desselben unter einer Schutzgasatmosphäre gehalten
wird.
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In
einem anderen Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung eine
Vorrichtung zur Herstellung eines Siliziumblocks mit einer gerichteten
Erstarrungsstruktur bereit, ausgestattet mit einer Bodenheizung,
einer auf der Bodenheizung angebrachten Kühlplatte, einem auf der Kühlplatte
angebrachten Tiegel, einer über
dem Tiegel angeordneten Deckenheizung und einen den Umfang des Tiegels
umgebenden Wärmedämmstoff,
die Kühlplatte
auf der Bodenheizung angebracht ist und eine Schutzgaszuführungsvorrichtung
zum Aufrechterhalten einer Schutzgasatmosphäre in dem Tiegel vorgesehen
ist, womit die Vorwärmvorrichtung
eine Vorwärmkammer
aufweist, die einen Vorwärmer
zum Erwärmen
des von der Schutzgaszuführungsvorrichtung
zugeführten
Schutzgases enthält.
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In
den Abbildungen sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
dargestellt, in denen
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1 einen
Beispielquerschnitt kennzeichnet, der eine Vorrichtung zur Herstellung
eines Siliziumblocks mit einer gerichteten Erstarrungsstruktur gemäß einer
Ausführungsform
darstellt, die außerhalb
der vorliegenden Erfindung liegt;
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2 einen
Querschnitt der Vorrichtung entlang der Linie A-A in 1 darstellt;
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3 einen
Beispielquerschnitt kennzeichnet, der eine andere Vorrichtung zur
Herstellung eines Siliziumblocks mit einer gerichteten Erstarrungsstruktur
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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4 einen
Beispielquerschnitt kennzeichnet, der eine dritte Vorrichtung zur
Herstellung eines Siliziumblocks mit einer gerichteten Erstarrungsstruktur
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt; und
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5 einen
Beispielquerschnitt kennzeichnet, der eine Vorrichtung zur Herstellung
eines Siliziumblocks mit einer gerichteten Erstarrungsstruktur und
das Verfahren zum Schmelzen des Siliziumblocks gemäß des herkömmlichen
Beispiels darstellt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Wie
in 1 dargestellt ist, wird das Siliziumrohmaterial
in einen Tiegel einer Schmelzvorrichtung eingebracht, die durch
Anbringen einer Kühlplatte 15 auf
einer Bodenheizung 13, Anbringen eines Tiegels mit einer
breiten, horizontalen Querschnittsfläche auf der Kühlplatte 15,
Anordnen einer Deckenheizung 16 über dem Tiegel 14 und
Umgeben des Umfangs des Tiegels 14 mit einem Wärmedämmstoff 17 aufgebaut
ist. Das Siliziumrohmaterial wird geschmolzen, indem die Bodenheizung 13 und
die Deckenheizung 16 von einem Strom durchflossen werden.
Ein Siliziumblock mit einer gerichteten Erstarrungsstruktur kann
hergestellt werden, indem der Strom unterbrochen oder die elektrische
Leistung verringert wird, nachdem das Siliziumrohmaterial vollständig geschmolzen
ist, um das geschmolzene Silizium 8 zu bilden, gefolgt
von dem Durchströmen eines
Schutzgases durch die Kühlplatte
15, um das geschmolzene Silizium vom Tiegelboden her abzukühlen, indem
der Tiegelboden gekühlt
wird zusammen mit intermittierendem oder kontinuierlichem Verringern
der Temperatur der Deckenheizung 16, indem der Stromfluss
durch die Deckenheizung 16 intermittierend oder kontinuierlich
reduziert wird.
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Eine
Bodenheizung 13, eine auf der Bodenheizung 13 angebrachte
Kühlplatte 15,
ein auf der Kühlplatte 15 angebrachter
Tiegel 14, eine über
dem Tiegel vorgesehene Deckenheizung 16 und ein Wärmedämmstoff 17 um
den Umfang des Tiegels herum sind für die Vorrichtung zur Herstellung
des Siliziumblocks mit einer gerichteten Erstarrungsstruktur vorgesehen.
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Ein
Wärmedämmstoff,
der im Wesentlichen faserförmigen
Kohlenstoff enthält,
wird für
den Wärmedämmstoff 17 verwendet,
der den Umfang des Tiegels 14 umgibt. Wenn Silizium in
einem Tiegel geschmolzen wird, der Quarz enthält, wird SiO durch die folgende
Reaktion gebildet: SiO2 +
Si → 2SiO
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SiO
und der faserförmige
Kohlenstoff gehen eine Reaktion ein, die durch die folgende Formel
dargestellt ist: SiO + 2C → SiC + CO
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Das
erzeugte CO-Gas reagiert mit dem geschmolzenen Si durch die Reaktion,
die in der folgenden Formel dargestellt wird, wobei SiC in dem geschmolzenen
Si zurückbleibt,
um manchmal einen Siliziumblock zu bilden, in dem SiC verbleibt. CO + Si(1) → [O] ↑ + SiC
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Eine
große
Menge an SiC bleibt insbesondere zurück, wenn ein dicker Siliziumblock
hergestellt wird, da es erforderlich ist, das Silizium für eine lange
Zeitdauer in einem geschmolzenen Zustand zu halten. Es ist nicht
wünschenswert,
eine fotovoltaische Solarzelle durch Verwenden eines Siliziumblocks
herzustellen, in dem SiC zurückgelassen
ist, da sich der fotovoltaische Wirkungsgrad verschlechtert.
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Folglich
ist es notwendig um zu verhindern, dass SiC in dem Siliziumblock
zurückbleibt,
dass das CO-Gas, das durch Reaktion mit Kohlenstoff in dem Wärmedämmstoff
erzeugt wird, vor dem Kontakt und der Reaktion mit dem in dem Tiegel
geschmolzenen Silizium geschützt
wird, indem in dem Tiegel eine Schutzgasatmosphäre während des Silizium-Schmelzens
gehalten wird. Somit wird die Schutzgasatmosphäre in dem Tiegel während des
Silizium-Schmelzens aufrechterhalten, indem dem Tiegel ein Schutzgas
von einer Schutzgaszuführungsvorrichtung 23 zugeführt wird,
wie in 3 dargestellt ist.
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Das
Verfahren zur Herstellung des Siliziumblocks mit einer gerichteten
Erstarrungsstruktur wie in 3 dargestellt,
umfasst die Schritte:
Einbringen eines Siliziumrohmaterials
in einen Tiegel 14 einer Schmelzvorrichtung, die durch
Anbringen einer Kühlplatte 15,
die im Stande ist, mit einem Kühlmittel
zu kühlen,
auf einer Bodenheizung 13, Anbringen des Tiegels 14 auf
der Kühlplatte 15,
Anordnen einer Deckenheizung 16 über dem Tiegel 14 und
Umgeben des Umfangs des Tiegels 14 mit einem Wärmedämmstoff 17 aufgebaut
ist;
Schmelzen des Siliziumrohmaterials, indem die Bodenheizung 13 und
die Deckenheizung 16 von einem Strom durchflossen werden,
während
die Kühlmittelzufuhr
zu der Kühlplatte 15 unterbrochen
ist, gefolgt von dem Unterbrechen des Stroms oder Verringern der
elektrischen Leistung in der Bodenheizung 13, nachdem das
Siliziumrohmaterial vollständig
geschmolzen ist, das geschmolzene Silizium (8) vom Tiegel boden
her abgekühlt wird,
indem die Kühlplatte
durch Zuführen
des Kühlmittels
gekühlt
wird; und
Intermittierendes oder kontinuierliches Absenken
der Temperatur der Deckenheizung 16, indem der Strom durch
die Deckenheizung 16 intermittierend oder kontinuierlich
zusammen mit dem Unterbrechen des Stroms oder Reduzieren der elektrischen
Leistung in der Bodenheizung verringert wird.
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Die
Vorrichtung zur Herstellung eines Siliziumblocks mit einer gerichteten
Erstarrungsstruktur ist ausgestattet mit einer Bodenheizung 13,
einer auf der Bodenheizung 13 angebrachten Kühlplatte 15,
einem auf der Kühlplatte 15 angebrachten
Tiegel 14, einer über
dem Tiegel vorgesehenen Deckenheizung 16, einem den Umfang
des Tiegels umgebenden Wärmedämmstoff
und einer Gaszuführungsvorrichtung 23 zum
Zuführen
eines Schutzgases in den Tiegel.
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Die
Oberfläche
des geschmolzenen Siliziums wird bevorzugt in einem flüssigen Zustand
gehalten, damit das geschmolzene Silizium in dem Tiegel ausreichend
einachsig erstarren kann. Deshalb ist es wünschenswert, die Atmosphäre in dem
Tiegel unter einer Hochtemperaturschutzgasatmosphäre zu halten,
die auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts von Silizium
erwärmt
ist. Folglich ist eine Schutzgasvorwärmvorrichtung 27 mit
einer Vorwärmkammer 24 wie
in 3 dargestellt vorgesehen, in der ein Vorwärmer 25 zum Erwärmen des
von der Schutzgaszuführungsvorrichtung 23 zugeführten Schutzgases
angeordnet ist, dadurch wird dem Tiegel das mit der Schutzgaszuführungsvorrichtung 27 erwärmte Schutzgas
durch ein Austrittsrohr zugeführt.
Wenn insbesondere ein Temperatursensor 28 an dem Austrittsrohr 26 angebracht
ist, kann die Temperatur des aus dem Austrittsrohr 26 strömenden Schutzgases
leicht mit einem Programm zur Synchronisierung mit der Temperatur
der Deckenheizung 16 gesteuert werden. Da das Austrittsrohr
stets einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, ist es vorzugsweise
aus einem hitzeresistenten Rohr hergestellt, Rohre, die aus Mo,
C, Al2O3, und SiC
hergestellt sind, sind besonders als hitzeresistentes Rohr vorzuziehen.
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Wie
in 3 dargestellt ist, wird der Siliziumblock mit
einer gerichteten Erstarrungsstruktur ebenfalls durch die Schritte
hergestellt, die umfassen:
Einbringen eines Siliziumrohmaterials
in einen Tiegel 14 einer Schmelzvorrichtung, die durch
Anbringen einer Kühlplatte 15,
die im Stande ist, mit einem Kühlmittel
zu kühlen,
auf einer Bodenheizung 13, Anbringen des Tiegels 14 auf
der Kühlplatte 15,
Anordnen einer Deckenheizung 16 über dem Tiegel 14 und
Umgeben des Umfangs des Tiegels 14 mit einem Wärmedämmstoff 17 aufgebaut
ist;
Schmelzen des Siliziumrohmaterials in dem Tiegel, der
unter einer Hochtemperaturschutzgasatmosphäre gehalten wird, die auf eine
Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts von Silizium erwärmt ist,
indem die Bodenheizung 13 und die Deckenheizung 16 von
einem Strom durchflossen werden, während die Kühlmittelzufuhr zu der Kühlplatte 15 unterbrochen
ist, gefolgt von dem Unterbrechen oder Verringern der elektrischen
Leistung in der Bodenheizung 13, nachdem das Siliziumrohmaterial
vollständig
geschmolzen ist, zusammen mit dem Kühlen der Kühlplatte 15, indem
das Kühlmittel
zugeführt
wird, um das geschmolzene Silizium vom Tiegelboden her abzukühlen; und
Intermittierendes
oder kontinuierliches Absenken der Temperatur der Deckenheizung 16,
indem der Strom durch die Deckenheizung 16 intermittierend
oder kontinuierlich zusammen mit dem Unterbrechen des Stroms oder
Reduzieren der elektrischen Leistung in der Bodenheizung verringert
wird.
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Die
Vorrichtung zur Herstellung eines Siliziumblocks mit einer gerichteten
Erstarrungsstruktur ist ausgestattet mit einer Bodenheizung 13,
einer auf der Bodenheizung 13 angebrachten Kühlplatte 15,
einem auf der Kühlplatte 15 angebrachten
Tiegel 14, einer über
dem Tiegel angebrachten Deckenheizung 16, einer Schutzgaszuführungsvorrichtung 23 zum
Zuführen
eines Schutzgases in den Tiegel und einer Schutzgasvorwärmvorrichtung 27.
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Solange
Wasser oder ein Schutzgas (Ar und He sind als Schutzgas vorzuziehen)
bevorzugt als Kühlmittel
verwendet werden, um der Kühlplatte 15 in 1 und 3 zugeführt zu werden,
kann das für
die Kühlung
der Kühlplatte 15 verwendete
Schutzgas dem Tiegel durch einen Gasdurchgang 29 wie in 4 dargestellt
zugeführt
werden, wenn das Schutzgas als Kühlmittel
zum Kühlen
der Kühlplatte 15 verwendet
wird, dadurch kann das für
das Kühlen
der Kühlplatte 15 verwendete
Schutzgas zum Aufrechterhalten einer Schutzgasatmosphäre in dem
Tiegel wiederverwendet werden. Das Siliziumrohmaterial wird geschmolzen,
indem die Bodenheizung 13 und die Deckenheizung 16 von
einem Strom durchflossen werden, während das Ventil 31 in die
wie in 4 angegebene Position gedreht wird. Eine kleine
Menge des Schutzgases wird dem Tiegel durch den Gasdurchgang 29 zugeführt, so
dass die Kühlplatte
während
des Schmelzens des Siliziumrohmaterials nicht gekühlt wird.
Eine Hochtemperaturschutzgasatmosphäre kann in dem Tiegel aufrechterhalten
werden, indem dem Tiegel das Schutzgas zugeführt wird, nachdem das Gas mit
dem Vorwärmer 30 erwärmt wird.
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Wenn
das Siliziumrohmaterial vollständig
geschmolzen ist, wird der Strom durch die Bodenheizung unterbrochen
oder die elektrische Leistung zusammen mit dem Zuführen einer
großen
Schutzgasmenge zur Kühlplatte
verringert, um die Kühlplatte 15 zu
kühlen,
um das geschmolzene Silizium vom Tiegelboden her abzukühlen. Das
meiste für
das Kühlen
der Kühlplatte 15 verwendete
Schutzgas wird aus einem Auslass 32 freigesetzt, indem
die Position des Ventils 31' umgeschaltet
wird, aber ein Teil des Schutzgases, das für das Kühlen der Kühlplatte verwendet wird, wird
dem Tiegel durch den Gasdurchgang 29 zugeführt, während das
Gas mit einem um den Gasdurchgang 29 herum integrierten
Vorwärmer 30 erwärmt wird,
dadurch wird die Hochtemperaturschutzgasatmosphäre in dem Tiegel aufrechterhalten.
Nur ein Teil des für
das Kühlen
der Kühlplatte verwendeten
Schutzgases wird wiedervervendet, da das Gas nicht auf einer hohen
Temperatur gehalten werden kann, wenn das Zuführungsvolumen des Schutzgases
zu groß ist.
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Entsprechend
wird der Siliziumblock mit einer gerichteten Erstarrungsstruktur
wie in 4 dargestellt durch die Schritte hergestellt,
die umfassen:
Einbringen des Siliziumrohmaterials in einen
Tiegel einer Schmelzvorrichtung, die durch Anbringen einer Kühlplatte 15,
die im Stande ist, mit dem Schutzgas zu kühlen, auf einer Bodenheizung 13,
Anbringen des Tiegels 14 auf der Kühlplatte 15, Anordnen
einer Deckenheizung 16 über
dem Tiegel 14 und Umgeben des Umfangs des Tiegels 14 mit
einem Wärmedämmstoff 17 aufgebaut
ist;
Zuführen
einer kleinen Schutzgasmenge in den Tiegel mit Erwärmung durch
den Gasdurchgang 29, so dass die Kühlplatte 15 nicht
mit dem Gas gekühlt
wird, zusammen mit dem Schmelzen des Siliziumrohmaterials in dem
Tiegel, indem die Bodenheizung 13 und die Deckenheizung 16 von
einem Strom durchflossen werden, gefolgt von dem Unterbrechen des
Stroms oder Verringern der elektrischen Leistung in der Bodenheizung 13, nachdem
das Siliziumrohmaterial vollständig
geschmolzen ist, zusammen mit dem Kühlen der Kühlplatte 15 durch
Zuführen
des Schutzgases, um das geschmolzene Silizium von dem Tiegelboden
her abzukühlen,
ein Teil des für
das Kühlen
der Kühlplatte 15 verwendeten
Schutzgases wird dem Tiegel zugeführt, um eine Schutzgasatmosphäre in dem
Tiegel aufrechtzuerhalten;
Intermittierendes oder kontinuierliches
Absenken der Temperatur der Deckenheizung, indem der Strom durch die
Deckenheizung intermittierend oder kontinuierlich zusammen mit dem
Unterbrechen des Stroms oder Verringern der elektrischen Leistung
in der Bodenheizung zusammen mit intermittierendem oder kontinuierlichem Reduzieren
des Stroms durch die Deckenheizung verringert wird.
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Die
Vorrichtung zur Herstellung des Siliziumblocks mit einer gerichteten
Erstarrungsstruktur ist ausgestattet mit einer Bodenheizung 13,
einer auf der Bodenheizung 13 angebrachten Kühlplatte 15,
einem auf der Kühlplatte 15 angebrachten
Tiegel 14, einer über
dem Tiegel 14 angebrachten Deckenheizung 16 und
einem den Umfang des Tiegels 14 umgebenden Wärmedämmstoff 17,
ferner ausgestattet mit einem Gasdurchgang 29 zum Strömen des
Schutzgases zur Wiederverwendung des für das Kühlen der Kühlplatte verwendeten Schutzgases
und einem um den Durchgang 29 herum integrierten Vorwärmer 30 zum
Erwärmen
des wiederverwendeten Schutzgases.
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Die
vorliegende Erfindung wird ausführlich
mit Bezug auf die 2 bis 4 beschrieben,
wobei sich 1 auf eine Ausführung bezieht,
die außerhalb
des Schutzbereichs der Ansprüche
liegt. Die Vorrichtung zur Herstellung des in 1 dargestellten
Siliziumblocks, die aufgebaut ist, indem eine Kühlplatte 15 auf einer
Bodenheizung 13 angebracht ist, ein Tiegel 14 mit
einer großen
Querschnittsfläche
auf der Kühlplatte 15 angebracht
ist, eine Deckenheizung 16 über dem Tiegel vorgesehen ist
und der Umfang des Tiegels 14 mit einem Wärmedämmstoff 17 umgeben
ist, wird in eine Kammer gegeben (in der Abbildung nicht dargestellt),
die in der Lage ist, die Atmosphäre
zu steuern, so dass während
des Schmelzens verhindert wird, dass das Siliziumrohmaterial oxidiert.
Das Siliziumrohmaterial wird auf dem Boden des Tiegels 14 ausgebreitet
und geschmolzen, indem ein Strom durch die Bodenheizung 13 und
die Deckenheizung 16 fließt.
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Es
wird zugelassen, dass das Siliziumrohmaterial vollständig schmilzt,
um ein geschmolzenes Silizium 8 zu bilden, das dann vom
Tiegelboden her abgekühlt
wird, indem der Strom unterbrochen wird oder die elektrische Leistung
durch die Bodenheizung 13 zusammen mit dem Kühlen des
Tiegelbodens verringert wird, indem das Kühlmittel durch die Kühlplatte 15 strömt, um eine
gerichtete Erstarrungsstruktur 12 zu erzeugen. Wenn unterdessen
die Temperatur der Deckenheizung 16 intermittierend oder
kontinuierlich verringert wird, indem der Strom durch die Deckenheizung 16 intermittierend
oder kontinuierlich verringert wird, wächst die gerichtete Erstarrungsstruktur 12 weiter
aufwärts,
was die Herstellung eines Siliziumblocks mit einer gerichteten Erstarrungsstruktur
mit einer großen,
horizontalen Querschnittsfläche
ermöglicht.
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Die
Kühlplatte,
die einen hohlen Teil 18 enthält, weist einen Aufbau auf,
bei dem mehrere Streben in dem hohlen Teil 18 der Kühlplatte 15 befestigt
sind, die parallel zueinander entlang der Richtung senkrecht zur Dicke
der Kühlplatte 15 ausgerichtet
sind. 2 stellt einen Querschnitt der Herstellungsvorrichtung
entlang der Linie A-A
in 1 dar. Wie in 1 und 2 dargestellt
ist, ist ein Kühlmitteleinlass 21 in
der Mitte der Kühlplatte 15 vorgesehen
und ein Zuführungsrohr 22 ist
mit dem Kühlmitteleinlass 21 verbunden.
Mehrere Kühlmittelausgänge 20 sind
an der Seitenwand der Kühlplatte 15 vorgesehen.
Die Kühlplatte 15,
die mit dem Kühlmitteleinlass 21 in
ihrer Mitte vorgesehen ist, nimmt vorzugsweise eine Scheibenform
an, wobei mehrere Streben 19 in konzentrischer Beziehung
angeordnet sind, so dass sie nicht so angeordnet sind, dass sie
entlang der Radiusrichtung zueinander benachbart sind. Die größere Anzahl
Streben 19 ermöglicht
die Kühlleistungsfähigkeit
mit dem Kühlmittel
zu verbessern zusammen mit der Wärmeübergangsleistung
von der Bodenheizung 13.
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Obwohl üblicherweise
Wasser für
das Kühlmittel
verwendet wird, um es der Kühlplatte 15 zuzuführen, ist
es vorzuziehen, ein Schutzgas, möglichst
Ar, in der vorliegenden Erfindung zu verwenden. Wenn das Schutzgas
dem in der Mitte der Kühlplatte 15 vorgesehenen
Kühlmitteleinlass 21 zugeführt wird,
strömt
das Gas durch den Raum zwischen den Streben 19 und tritt
aus mehreren Kühlmittelausgängen 20 aus.
Jede Heizung kann für
die Bodenheizung 13 und Deckenheizung 16 verwendet
werden, sofern die Heizungen in der Lage sind, entlang einer flachen
Fläche
zu heizen und der Aufbau und die Art der Heizung nicht speziell
begrenzt sind.
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Ein
zu einer flachen Form verarbeitetes Karbon-Heizelement wird bevorzugt
für die
Bodenheizung 13 und die Deckenheizung 16 in der
Vorrichtung zur Herstellung des Siliziumblocks gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet.
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Obwohl
für den
Wärmedämmstoff 17 häufig ein
Wärmedämmstoff
verwendet wird, der faserförmigen Kohlenstoff
enthält,
bleibt möglicherweise
SiC zurück,
wenn Silizium in einem Quarztiegel geschmolzen wird, der mit faserförmigem Kohlenstoff
isoliert ist. Da das Siliziumsubstrat, das aus einem Block hergestellt
wird, in dem noch SiC vorhanden ist, einen schlechten fotovoltaischen
Wirkungsgrad aufweist, ist es vorzuziehen, eine Schutzgaszuführungsvorrichtung
zum Zuführen
eines Schutzgases in den Tiegel vorzusehen, um eine Schutzgasatmosphäre in dem
Tiegel aufrechtzuerhalten, während
das Silizium schmilzt, dadurch wird verhindert, dass SiC zurückbleibt.
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3 stellt
eine Vorrichtung zur Herstellung des Siliziumblocks mit einer gerichteten
Erstarrungsstruktur gemäß der vorliegenden
Erfindung dar, worin eine Schutzgaszuführungsvorrichtung zum Zuführen eines Schutzgases
in den Tiegel und eine Schutzgasvorwärmvorrichtung der in 1 dargestellten
Vorrichtung ferner hinzugefügt
werden. Beschreibungen mit Bezug auf die Funktionen der Teile mit
Ausnahme der Schutzgaszuführungsvorrichtung 23 und
Schutzgasvorwärmvorrichtung 27 in
der in 3 dargestellten Vorrichtung werden hierin ausgelassen,
da die Funktionen der Vorrichtung dieselben sind wie jene der Vorrichtung
in 1 mit Ausnahme der Schutzgaszuführungsvorrichtung 23 und
Schutzgasvorwärmvorrichtung 27.
Das von der Schutzgaszuführungsvorrichtung 23 zugeführte Schutzgas
wird dem Tiegel zugeführt,
nachdem es mit der Schutzgasvorwärmvorrichtung 27 erwärmt wurde,
wie in 3 dargestellt ist und hält eine Hochtemperaturschutzgasatmosphäre (die
Temperatur ermöglicht
das Schmelzen von Silizium, vorzugsweise 1450 bis 1600°C) in dem
Tiegel aufrecht. Ein Vorwärmer 25 zum
Erwärmen
des von der Schutzgaszuführungsvorrichtung 23 zugeführten Schutzgases
und eine Vorwärmkammer 24 sind
in der Schutzgasvorwärmvorrichtung 27 vorgesehen,
das Schutzgas wird in der Schutzgasvorwärmvorrichtung 27 vorgewärmt und
dem Tiegel durch das Austrittsrohr 26 zugeführt.
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4 stellt
eine Vorrichtung zur Herstellung des Siliziumblocks mit einer gerichteten
Erstarrungsstruktur gemäß der vorliegenden
Erfindung dar, worin der in 1 dargestellten
Vorrichtung Mittel zur Zuführung eines
Teils des für
die Kühlung
der Kühlplatte 15 verwendeten
Schutzgases in den Tiegel nach dem Erwärmen, sowie Mittel zur Erhaltung
einer Schutzgasatmosphäre
in dem Tiegel durch Wiederverwendung des Schutzgases hinzugefügt werden.
Die Funktionen des Teils der Vorrichtung in 4 außer des
für die
Wiederverwendung des Schutzgases verwendeten Teils sind hierin ausgelassen,
da die Funktionen dieselben sind wie jene der Vorrichtung in 1 mit
Ausnahme des Teils, der für
die Wiederverwendung des Schutzgases verwendet wird.
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In
der in 4 dargestellten Vorrichtung zur Herstellung des
Siliziumblocks mit einer gerichteten Erstarrungsstruktur wird eine
kleine Schutzgasmenge, ohne die Kühlplatte 15 zu kühlen, dem
Tiegel von dem Austrittsrohr 22 durch den Gasdurchgang 29 zugeführt, während Silizium
in dem Tiegel geschmolzen wird, indem ein Strom durch die Bodenheizung 13 und
Deckenheizung 16 fließt.
Das zu dem obigen Zweck zuzuführende
Schutzgas wird dem Tiegel erneut zugeführt, nachdem es mit einer Vorheizschlange 30 erwärmt wurde. Nachdem
das Siliziumrohmaterial vollständig
geschmolzen ist, wird das geschmolzene Silizium von dem Tiegelboden
her abgekühlt,
indem der Strom unterbrochen wird oder die elektrische Leistung
durch die Bodenheizung reduziert wird, zusammen mit dem Zuführen einer
großen
Schutzgasmenge, um das geschmolzene Silizium von dem Tiegelboden
durch Kühlen
der Kühlplatte 15 abzukühlen. Das
meiste für
das Kühlen
der Kühlplatte 15 verwendete
Schutzgas strömt
aus dem Auslass 32 aus, aber ein kleiner Teil des für das Kühlen der Kühlplatte 15 verwendeten
Schutzgases wird dem Tiegel nach dem Erwärmen mit der um den Gasdurchgang 29 herum
integrierten Vorheizschlange 30 zugeführt. Ein geeigneter Ventilbetrieb,
wie zum Beispiel das Umschalten der Position des Ventils 31', ermöglicht es,
dass eine kleine für
das Kühlen
der Kühlplatte
verwendete Schutzgasmenge dem Gasdurchgang zugeführt wird.
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(Referenz-Beispiel 1)
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Eine
Vorrichtung zur Herstellung des Blocks wie in 1 dargestellt
wurde vorbereitet, indem eine Kühlplatte 15 mit
einem hohlen Teil 18 auf einer Bodenheizung 13 angebracht
wurde, ein schalenförmiger Quarztiegel 14 mit
einer Tiefe von 300 mm, einem Innendurchmesser von 400 mm und einem
Außendurchmesser
von 450 mm auf der hohlen Kühlplatte 15 angebracht
wurde, eine Deckenheizung 16 über dem Quarztiegel 14 angeordnet
wurde und der Umfang des Tiegels 14 mit einem Wärmedämmstoff 17 umgeben
wurde.
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Ein
Siliziumblock mit einer großen,
horizontalen Querschnittsfläche
und einer gerichteten Erstarrungsstruktur mit einem Innendurchmesser
von 200 mm und einem Außendurchmesser
von 400 mm wurde durch die Schritte hergestellt, die umfassen: Einbringen
eines Siliziumrohmaterials in einen in der Vorrichtung zur Herstellung
des Siliziumblocks eingerichteten, schalenförmigen Quarztiegel 14;
Schmelzen des Siliziumrohmaterials, indem eine Bodenheizung und
Deckenheizung von einem Strom durchflossen werden, nachdem eine
Ar-Gasatmosphäre
in dem Tiegel gehalten wurde; Unterbrechen des Stroms der Bodenheizung 13,
gefolgt von dem Strömen
des Ar-Gases, um das geschmolzene Silizium von dem Tiegelboden her
abzukühlen, indem
Ar-Gas durch die Kühlplatte 15 mit
einem hohlen Teil 18 strömt; und kontinuierliches Absenken
der Temperatur der Deckenheizung 16 durch kontinuierliches
Verringern des Stroms durch die Deckenheizung 16.
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Der
Orientierungsgrad dieses Siliziumblocks mit großer horizontaler Querschnittsfläche und
einer gerichteten polykristallinen Erstarrungsstruktur wurde ausgewertet
und ein aus dem vorangehenden Block bearbeitetes, quadratisches,
polykristallines Siliziumsubstrat mit einer Abmessung von 150 mm × 150 mm
wurde in eine Solarzelle integriert, um seinen fotovoltaischen Wirkungsgrad
zu messen. Die Auswertungsund Messergebnisse sind in Tabelle 1 aufgelistet.
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(Herkömmliches Beispiel 1)
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Der
Quarztiegel mit einer Tiefe von 300 mm, einem Innendurchmesser von
400 mm und einem Außendurchmesser
von 450 mm wurde auf einer in 5(b) dargestellten
Kühlplatte 7 angebracht.
Ein Siliziumblock mit einer großen,
horizontalen Querschnittsfläche
und einer gerichteten, polykristallinen Erstarrungsstruktur mit
derselben Dicke von 200 mm und einem Außendurchmesser von 400 mm wie
in Beispiel 1 wurde durch die Schritte hergestellt, die umfassen:
Schmelzen des Siliziumrohmaterials in einem herkömmlichen, in 5(a) dargestellten
Quarztiegel 1; Gießen
des erhaltenen, geschmolzenen Siliziums in den schalenförmigen Quarztiegel
wie oben beschrieben; Absenken des mit dem geschmolzenen Silizium
gefüllten,
schalenförmigen
Quarztiegels mit einer Geschwindigkeit, die auf die Kristallwachstumsgeschwindigkeit
des geschmolzenen Siliziums abgestimmt ist, durch Verwenden einer
Hebewelle 11 zusammen mit der Kühlplatte 7; und Wachsenlassen
einer gerichteten Erstarrungsstruktur 12 über den
gesamten Bereich des geschmolzenen Siliziums. Der Orientierungsgrad
dieses Siliziumblocks mit großer
horizontaler Querschnittsflä che
und einer gerichteten, polykristallinen Erstarrungsstruktur wurde
ausgewertet und ein einem Schneidevorgang des vorangehenden Blocks
unterworfenes polykristallines Siliziumsubstrat wurde in eine Solarzelle
integriert, um seinen fotovoltaischen Wirkungsgrad zu messen. Die
Auswertungs- und Messergebnisse sind in Tabelle 1 aufgelistet.
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(Beispiel 2)
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Wie
in 3 dargestellt ist, wurde ein Siliziumblock mit
einer breiten, horizontalen Querschnittsfläche und einer gerichteten Erstarrungsstruktur
mit einem Innendurchmesser von 200 mm und einem Außendurchmesser
von 400 durch die Schritte hergestellt, die umfassen: Erwärmen des
von einer Schutzgaszuführungsvorrichtung 23 zugeführten Ar-Gases
auf eine Temperatur von 1500°C
mit einer Schutzgasvorwärmvorrichtung 23;
vollständiges
Schmelzen des Siliziumrohmaterials, indem ein Strom durch eine Bodenheizung 13 und
Deckenheizung 16 fließt,
während
das erwärmte
Ar-Gas dem Tiegel kontinuierlich zugeführt wird; Unterbrechen des
Stroms der Bodenheizung 13, gefolgt von dem Strömen des
Ar-Gases zu der Kühlplatte 15 mit
einem hohlen Teil 18, um das geschmolzene Silizium von
dem Tiegelboden her abzukühlen;
und kontinuierliches Absenken der Temperatur der Deckenheizung 16 durch
kontinuierliches Verringern der elektrischen Leistung durch die
Deckenheizung 16.
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Der
Orientierungsgrad dieses Siliziumblocks mit breiter, horizontaler
Querschnittsfläche
und einer gerichteten polykristallinen Erstarrungsstruktur wurde
ausgewertet und ein aus dem vorangehenden Block bearbeitetes, quadratisches,
polykristallines Siliziumsubstrat mit einer Abmessung von 150 mm × 150 mm
wurde in eine Solarzelle integriert, um seinen fotovoltaischen Wirkungsgrad
zu messen. Die Auswertungsund Messergebnisse sind in Tabelle 1 aufgelistet.
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(Beispiel 3)
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Ein
geschmolzenes Silizium 8 wurde durch vollständiges Schmelzen
des Siliziumrohmaterials hergestellt, indem eine Bodenheizung 13 und
eine Deckenheizung 16 von einem Strom durchflossen werden,
wie in 4 dargestellt ist. Der Strom durch die Bodenheizung 13 wurde
unterbrochen, gefolgt von dem Kühlen
des Quarztiegelbodens durch Strömen
des Ar-Gases durch die Kühlplatte 15 mit
einem hohlen Teil 18, um das geschmolzene Silizium vom
Tiegelboden her abzukühlen.
Die Temperatur einer Deckenheizung 16 wurde kontinuierlich
abgesenkt, indem der Strom durch die Deckenheizung 16 kontinuierlich
verringert wurde. Eine Ar-Gasmenge, ausreichend gering, um die Kühlplatte
nicht zu kühlen,
wurde von dem Zuführungsrohr 22 zugeführt und
das Gas wurde von einem Kühlmittelausgang 20 durch
den hohlen Teil 18 der Kühlplatte 15 freigesetzt.
Eine Ar-Gasschutzatmosphäre
wurde in dem Tiegel aufrechterhalten, indem das Ar-Gas dem Tiegel zugeführt wurde,
während
das Gas mit einer Vorheizschlange 30 auf eine Temperatur
von 1500°C
durch Passieren des Gasdurchgangs 29 erwärmt wurde.
Eine kleine, zum Kühlen
der Kühlplatte 15 verwendete
Ar-Gasmenge wurde dem Tiegel durch den Gasdurchgang 29 zugeführt, während das
Gas mit dem Vorwärmer 30 während der
Zeitdauer des Kühlens
des Quarztiegelbodens auf dieselbe Temperatur wie die Temperatur
der Deckenheizung erwärmt
wurde, dadurch wird eine Ar-Atmosphäre in dem Tiegel aufrechterhalten.
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Ein
Siliziumblock mit einer breiten, horizontalen Querschnittsfläche mit
einer Dicke von 200 mm und einem Außendurchmesser von 400 mm und
einer gerichteten, polykristallinen Erstarrungsstruktur wurde durch das
oben beschriebene Verfahren hergestellt. Der Orientierungsgrad dieses
Siliziumblocks wurde ausgewertet. Ein aus dem vorangehenden Block
bearbeitetes, quadratisches, polykristallines Siliziumsubstrat mit
einer Abmessung von 150 mm × 150
mm wurde in eine Solarzelle integriert, um seinen fotovoltaischen
Wirkungsgrad zu messen. Die Auswertungs- und Messergebnisse sind
in Tabelle 1 aufgelistet.
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Wie
aus den in Tabelle 1 aufgelisteten Ergebnissen offensichtlich ist,
weist der gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellte Siliziumblock mit breiter Querschnittsfläche und
einer gerichteten Erstarrungsstruktur einen geeigneten Orientierungsgrad
auf. Zusätzliche
kann aus diesem Siliziumblock ein polykristallines Siliziumsubstrat
mit herausragendem, fotovoltaischem Wirkungsgrad hergestellt werden,
wohingegen ein Siliziumblock mit einer polykristallinen Erstarrungsstruktur
nicht durch das herkömmliche
Verfahren hergestellt werden kann, was es unmöglich macht, einen polykristallinen
Siliziumblock mit einem herausragenden, fotovoltaischen Wirkungsgrad
herzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
einen Siliziumblock mit einer gerichteten Erstarrungsstruktur mit geringen
Produktionskosten durch Verwenden eines Tiegels herzustellen, die
insbesondere wirksam ist, einen Siliziumblock mit einer breiten,
horizontalen Querschnittsfläche
und einer gerichteten Erstarrungsstruktur mit geringen Produktionskosten
durch Verwenden eines Tiegels mit einer breiten Querschnittsfläche herzustellen.
