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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Wafers für Solarzellen, indem Silizium als Schicht auf einem Substrat ausgebildet und unter Temperatureinwirkung zur Kristallisation gebracht wird. Ausgangsprodukt ist ein Silizium-Pulver oder eine Silizium-Pulver enthaltende Paste, im Folgenden als Silizium-Paste bezeichnet. Das Silizium-Pulver oder die Silizium-Paste wird zu diesem Zweck schichtartig auf einem Substrat aufgetragen.
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Es gibt derzeit verschiedene Entwicklungen zur Herstellung von Silizium-Wafern durch direktes Wachstum auf einem Substrat, die fertig sind für die weitere Prozessierung zur Solarzelle ohne umfangreiche und Verluste verursachende Nachbehandlung.
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Eine im bisher Labormaßstab gut zu kontrollierende Methode ist das so genannte Ribbon-Growth-on-Substrate-(RGS-)Verfahren. Hierbei wird geschmolzenes Silizium mittels eines Rahmens als Schicht definierter Dicke auf ein bandförmiges, wieder verwendbares Substrat aufgezogen. Durch Ableitung von Wärme aus der Schmelze über das Substrat wird das Silizium innerhalb des Rahmens zur Kristallisation gebracht, wobei die herstellbare Wafer-Dicke von der Substrattemperatur, die während des Prozesses aufrechterhalten wird und der Ziehgeschwindigkeit abhängt. Problematisch erweist sich in diesem Verfahren unter anderem die Wärmeableitung vom Substrat, um dessen Temperatur über die Fläche und die Prozessdauer konstant zu halten. Auch Temperatur- und damit einhergehende Fließprozesse innerhalb der Schmelze führen zu unbestimmten Prozessbedingungen.
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Alternative Verfahren nutzen die Sinterung zur Ausbildung der Silizium-Wafer. So wird in der
WO 2004/055909 A1 aus einem Silizium-Schlicker, der aus zu Puder verarbeitetem Roh-Silizium und einem organischen Bindemittel besteht und zunächst getrocknet wird, ein Grünkörper gepresst. Dieser Grünkörper wird bei Temperaturen unter dem Schmelzpunkt von Silizium und unter einer Wasserstoff- oder Inertgasatmosphäre gesintert. Auch dieses Verfahren weist eine Reihe von Zeit, Energie und somit Kosten erfordernden Verfahrensschritten auf. Zudem weist es aufgrund der erforderlichen Handhabung von Grünkörper einen erhöhten Verlust auf und ist nicht geeignet, das gegenwärtige Problem der Versorgung mit qualitätsgerechtem Rohmaterial zu vermindern.
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Des Weiteren werden Verfahren zur Herstellung von Silizium-Wafern aus Siliziumgranulat oder Siliziumpartikeln, die von dem Trägersubstrat ablösbar sind (
DE 693 25 764 T2 ) oder Verfahren zur Herstellung von folienartigen Halbleiterwerkstoffen, die durch Urformen oder Beschichten aus einer Schlichte gewonnen werden, (
DE 10 2007 029 576 A1 ) beschrieben. Silizium-Wafer mit einer unebenen Oberflächenstruktur werden mit einem Verfahren gemäß der
US 2004/0246789 A1 hergestellt. Auch das Rezyklieren von Silizium-Ausgangsmaterial durch Zerkleinern und Schmelzen ist bekannt (
DE 10 2006 011 040 A1 ), jedoch lediglich zum Ziehen von rohr- oder blockförmigen Kristallen.
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Silizium-Wafer für die Solarzellen-Produktion anzugeben, mit dem kosten-, energie- und materialeffizient solche Wafer in der erforderlichen Reinheit herstellbar sind.
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Das beschriebene Verfahren greift auf Materialien zurück, die aus der Halbleiterfertigung bereit stehen und gegenwärtig entsorgt werden. Insbesondere von der Schleifsuspension, die z. B. in der Fertigung von Solar-Wafern oder durch Rückseitenschleifen von Wafern in der Fertigung integrierter Schaltkreise entsteht und in der Silizium-Pulver gelöst ist, wird die nach einer Filterung verbleibende Suspension als Abwasser entsorgt. Auch in vergleichbaren Bearbeitungs-Verfahren fällt von Größe und Reinheit geeignetes Silizium-Pulver oder Silizium-Suspension ab. Dieses Abwasser enthält neben dem Silizium-Pulver mit Korngrößen im μm-Bereich Wasser und gegebenenfalls geringe Rückstände des Diamantschleifwerkzeuges auf. Aufgrund der Verarbeitung von hochreinem Silizium in der Halbleiterfertigung weist die vorliegende Silizium-Suspension die für die Solarzellen-Herstellung erforderliche Reinheit auf.
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Als Ausgangsmaterial für das beschriebene Verfahren sind solche Abprodukte aus der Halbleiterfertigung auch direkt und ohne Zwischenbearbeitung verwendbar, die entweder bereits die erforderliche Reinheit aufweisen oder deren Zusätze sich z. B. durch geeignete Temperaturführung während der Verarbeitung einer auf einem geeigneten Substrat aufgebrachten Silizium-Schicht entfernen lassen.
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Zur Herstellung des Silizium-Wafers aus diesem Ausgangsmaterial ist sowohl das Schmelzen als auch das Sintern einsetzbar, in Abhängigkeit von Ausgangsmaterial oder von den anwendbaren Temperaturbereichen, denen das Ausgangsmaterial und damit auch ein Substrat ausgesetzt werden soll und kann, auf welchem das Ausgangsmaterialschichtartig aufgetragen wird. Die mit den beiden Verfahren herstellbaren Silizium-Wafer oder entsprechend einer Ausgestaltung Schichten davon unterscheiden sich durch ihre Struktur. Während beim Schmelzen der Silizium-Schicht durch geeignete Temperaturführung und durch die Abführung der Wärme über das Substrat eine Kristallisation des Siliziums zu einer multikristallinen Struktur stattfindet, werden beim Sintern die Silizium-Kristallkörner des Ausgangsmaterials durch Kontaktflächenbildung miteinander verbunden, ohne deren Kristallstruktur signifikant zu ändern. Diese durch das Sintern entstandene Struktur kann am ehesten als mikrokristallin beschrieben werden.
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Entsprechend den verschiedenen Zuständen des Ausgangsmaterials sind auch dessen Verarbeitungsschritte sehr variabel zu wählen, so dass das gesamte Verfahren in zahlreichen verschiedenen Ausgestaltungen zur Anwendung kommen kann. Infolge dessen kann auch der so hergestellte Silizium-Wafer verschieden aufgebaut sein. So sind neben den üblichen einschichtigen auch mehrschichtig aufgebaute Silizium-Wafer herstellbar, wobei eine Schicht im hier verwendeten Sinn von einer der Ladungstrennung dienenden Dotierungszone innerhalb eines Solarwafers zu unterscheiden ist. Eine Schicht des Silizium-Wafers wird durch die Herstellung mit Auftrag eines Silizium-Pulvers oder einer Silizium-Paste und deren nachfolgende Kristallisierung oder Sinterung erreicht, so dass in einer Strukturanalyse des Wafers zwei abgeschlossene Schichten feststellbar sind. Es ist unbenommen, dass jede Schicht verschiedene Dotierzonen aufweisen oder vollständig aus einer Dotierung bestehen kann.
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Darüber hinaus gestattet die Herstellung des Silizium-Wafer auf einem Substrat, welches entsprechend verschiedener Ausführungsformen mit dem Silizium-Wafer verbunden bleibt und eine fuktionelle Einheit mit dem Wafer bildet, im Ergebnis der Herstellung eines Silizium-Wafers ein Erzeugnis vorliegen zu haben, das bereits die nachfolgende Prozessierung der Solarzelle vorbereitet. So sind mit dem Substrat die Rückseitenkontaktierung der Solarzelle und bei Prozessführung unter entsprechender Atmosphäre einschließlich Rückseitenpassivierung hergestellt. Auch eine reflektierende Rückseite der Solarzelle kann mit dem unten beschreibenen Verfahren hergestellt werden, ohne den sonst üblichen Schritt zum Abscheiden entsprechender Schichten auf der Rückseite des Silizium-Wafers.
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Infolge der Fixierung der Silizium-Schicht auf einem Substrat und der weiteren Verarbeitung des Siliziums in diesem Verbund gestattet die Herstellung von Silizium-Wafern, die selbst eine besondere, uneben Form haben, unabhängig davon ob der Silizium-Wafer nachfolgend vom Substrat gelöst wird oder nicht. Für den jeweiligen Verwendungsfall der daraus hergestellten Solarzelle kann der Silizium-Wafer z. B. der Gestalt einer Dachdeckung angepasst sein.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles und einiger möglicher Variationen näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt in
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1 einen einschichtigen, gewölbte Silizium-Wafer,
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2 einen zweischichtigen, gewölbten Silizium-Wafer auf einem unebenen Substrat,
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3 einen einschichtigen, ebenen Silizium-Wafer auf einem Substrat mit zwei auf dem Substrat ausgebildeten Leitbahnen zur Rückseitenkontaktierung,
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4 einen zweischichtigen, ebenen Silizium-Wafer auf einem Substrat und
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5 einen einschichtigen, ebenen Silizium-Wafer auf einem zweischichtigen Substrat.
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Die in den 1 bis 5 dargestellten Silizium-Wafer 1 sind mit verschiedenen Ausgestaltungen der nachfolgend beschriebenen Verfahren unter Verwendung unebener (1, 2) oder ebener Substrate 3 (3, 4, 5) hergestellt. Die Größe der Substrate 3 entspricht in den dargestellten Ausführungsformen der Größe des Silizium-Wafers 1, wobei hierfür gegebenenfalls eine Fertigung des Substrats 3 nach der Wafer-Herstellung erforderlich sein kann.
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Der gewölbte, einschichtige Silizium-Wafer 1 gemäß 1 ist von einem Substrat (nicht dargestellt), welches als wieder verwendbarer Träger während des Herstellungsprozesses diente, gelöst und steht für die weitere Prozessierung, wie Dotierung zur Herstellung eines p-n-Überganges, Oberflächenbehandlungen, der Herstellung der beidseitigen elektrischen Kontakte usw. zur Verfügung. Die dargestelle Wölbung stellt lediglich ein Beispiel dar, um die Anpassbarkeit des Silizium-Wafer z. B. an Dachdeckungen zu verdeutlichen. Aufgrund der unten beschriebenen vielfältigen Möglichkeiten des Auftragens der Silizium-Schicht als Ausgangsprodukt des Silizium-Wafers 1 können die verschiedensten Wölbungen realisiert werden.
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Der gewölbte, in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 zweischichtig ausgeführte Silizium-Wafer 1 verbleibt auf dem Substrat 3. Die Möglichkeit der Herstellung eines ein- oder zweischichtigen Silizium-Wafers 1 ist unabhängig von der Gestaltung des Substrats, ebenso wie von der Verwendung des Substrats 3 als temporärer Träger für die Herstellung oder als dauerhaft mit dem Silizium-Wafer 1 verbundenes Substrat 3. Die Wölbung des Silizium-Wafers 1 folgt der einseitigen Wölbung des Substrats 3, welches z. B. der Reflexion von durch den Silizium-Wafer 1 fallendem Licht in den Silizium-Wafer 1 zurück dient. Alternativ kann das Substrat 3 auch als Rückseitenkontakt des Silizium-Wafers 1 dienen, wie unten ausführlich dargelegt. Durch die Herstellung der dargestellten oder einer vergleichbaren Wölbung können z. B. Bedeckungen von Gebäuden oder Gebäudeteilen mit einem erforderlichen Gefälle ausgeführt werden oder architektonische Gestaltungen umgesetzt werden.
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3 stellt einen ebenen, einschichtigen Silizium-Wafer 1 dar, der ebenfalls auf dem Substrat 3, auf dem die Herstellung des Silizium-Wafers 1 mit einem der nachfolgend beschriebenen Verfahren erfolgt ist, verbleibt. Auf dem Substrat 3 sind Leitbahnen 5 ausgeführt, z. B. durch abschnittsweise Metallisierung des Substrats 3, die der Rückseitenkontaktierung des Silizium-Wafers 1 dienen. Hierbei sind das verwendete Material der Leitbahnen 5 und das Herstellungsverfahren des Silizium-Wafers 1 aufeinander abgestimmt, so dass die Leitbahnen 5 die Temperaturbehandlung der Silizium-Schicht, die dem Silizium-Wafer 1 zugrunde liegt, unbeschadet und ohne Beeinflussung der Eigenschaften des Siliziums übersteht. Dafür ist es z. B. vorteilhaft, dass das Sinterverfahren auch bereits bei Temperaturen von ca. 1000°C durchgeführt werden kann.
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Der Silizium-Wafer 1 gemäß 4 ist, ebenso wie der gemäß 2, in zwei nacheinander erfolgten Verfahrensabläufen zweischichtig ausgeführt, wobei sich jede Schicht 2 des Silizium-Wafers 1 strukturell als separate Schicht 2 feststellen lässt, die bei voneinander abweichenden Herstellungsverfahren, wie unten beschrieben, auch einen unterschiedlichen kristallinen Aufbau aufweisen können. Jede der Schichten 2 kann in der nachfolgenden Prozessierung des Silizium-Wafers 1 mit Standardprozessen bearbeitet werden. Die Darstellung des Silizium-Wafers 1 gemeinsam mit einem Substrat 3 veranschaulicht den Verbund beider Komponenten nach der Fertigstellung des Silizium-Wafers 1. Alternativ ist aber auch diese Ausgestaltung mit einem temporären Substrat 3 möglich.
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In 5 ist die Möglichkeit der Verwendung eines Substrats 3 dargestellt, welches der Rückseitenkontaktierung des Silizium-Wafers 1 dient. Zu diesem Zweck weist das Substrat 3 auf der Oberfläche, auf der der Silizium-Wafer 1 ausgebildet ist eine elektrisch leitfähige Substratschicht 4 auf.
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Das Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Wafers 1 für Solarzellen weist folgende grundlegende Verfahrensschritte auf, wobei weitere mögliche und zielführende Kombinationen der nachfolgend beschriebenen einzelnen Verfahrensschritte, Prozessparameter und verwendeten Materialien selbstverständlich möglich sind.
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Zunächst wird ein Silizium-Pulver oder eine Silizium-Paste mit einem vorbestimmten Feststoffgehalt aus gefiltertem Abwasser gewonnen, welches beim Rückseitenschleifen von Wafern in der Halbleiter-Fertigung entsteht. Dieses Ausgangsprodukt umfasst Silizium-Partikel mit der Größe von einigen Mikrometern, in Abhängigkeit von dem Schleifverfahren, und zumindest geringen Mengen Wasser sowie möglicherweise geringe Verunreinigungen. Als Silizium-Pulver soll hier auch solch eine Zusammensetzung verstanden sein, die noch geringe Mengen von Flüssigkeit enthält, soweit das Silizium-Pulver noch eine körnige Konsistenz aufweist. Denn auch das Silizium-Pulver wird aus z. B. dem Abwasser der Halbleiter-Fertigung gewonnen, jedoch mit einem deutlich höheren Trocknungsgrad. Es muss lediglich eine solche Konsistenz aufweisen, dass es als Silizium-Schicht auf dem verwendeten Substrat 3 und während der nachfolgenden Prozesse fixierbar ist.
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Das Silizium-Pulver oder der Feststoffgehalt der Silizium-Paste sind mit dem zum Einsatz kommenden Verfahren zum nachfolgenden Auftragen auf einem Substrat 3 abzustimmen. Liegt aus der Halbleiterfertigung bereits Silizium-Pulver vor, kann dieses gegebenenfalls auch mit einer Flüssigkeit zu einer Paste vermischt werden, wenn die dafür geeigneten Verfahren zur Anwendung kommen sollen. Gleichermaßen kann entsprechend der weiteren Verarbeitung auch der Feststoffgehalt einer Paste oder eines Pulvers durch Trocknung oder Pressung zu höheren und ebenso durch Flüssigkeitszugabe zu niedrigeren Feststoffgehalten angepasst werden. Neben dem unbedenklichen Wasser als Bestandteil der Suspensionen sind auch organische Flüssigkeiten verwendbar, da diese gleichermaßen während der späteren Temperatureinwirkung ausgetrieben werden können.
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Das Silizium-Pulver oder die Silizium-Paste wird mit einem geeigneten Verfahren auf einem Substrat 3 schichtartig aufgetragen. Die auf dem Substrat 3 hergestellte Schicht soll im Folgenden als Silizium-Schicht bezeichnet werden, wobei dieser Begriff keine Aussage über die Dicke der Schicht enthalten soll. Mit dem beschriebenen Verfahren sind verschiedene Dicken des Silizium-Wafers 1 herstellbar. Üblicherweise werden diese im Bereich von ca. 10 μm, der derzeitigen Dicke von Dünnschichtsolarzellen bis ca. 300 μm, der derzeitigen Dicke von Dickschichtsolarzellen liegen, wobei auch Änderungen dieser Bereiche mit der Entwicklung der verschiedenen Technologien möglich und mit dem beschriebenen Verfahren realisierbar sind. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel soll ein Silizium-Wafer 1 von 90 μm Dicke einer Schicht des Silizium-Wafers 1 hergestellt werden, wobei zur Ermittlung der herzustellenden Dicke der Silizium-Schicht auf dem Substrat 3 die Schwindung während der Temperaturbehandlung zu berücksichtigen ist.
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Der Begriff der Schicht soll ebenfalls keine Aussage über die Konsistenz der Silizium-Schicht enthalten. Da die Silizium-Schicht auf einem Substrat 3 gefertigt wird und auf diesem bis zur Fertigstellung des Silizium-Wafers 1 verbleiben kann, ist die mechanische Festigkeit der Silizium-Schicht nur von untergeordneter Bedeutung. Die Herstellung und Verarbeitung der Silizium-Schicht auf einem Substrat 3 gestattet auch den Auftrag auf einem unebenen, z. B. gewölbten Substrat 3 (1, 2), welches entsprechend der späteren Verwendung der Solarzelle entsprechend bereits geformt ist. Der Auftrag des Silizium-Pulvers oder der Silizium-Paste erfolgt auch in diesem Fall schichtartig mit einer in den üblichen Toleranzgrenzen gleichmäßigen Dicke.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Silizium-Schicht in der Gestalt des herzustellenden Silizium-Wafers 1, auch hier unter Berücksichtigung der Schwindung während des nachfolgenden Herstellungsprozesses, aufgebracht. Damit kann ein weiterer Bearbeitungsverlust verhindert oder zumindest deutlich verringert werden, da kein oder nur geringfügiges Sägen oder Schleifen oder ähnliches erforderlich ist.
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Da gemeinsam mit der Silizium-Schicht auch das Substrat 3, auf welchem die Silizium-Schicht aufgebracht ist, den zur Anwendung kommenden Temperaturen im Bereich von ca. 1000°C bis zur Schmelztemperatur des Siliziums von ca. 1.410°C und gegebenenfalls auch atmosphärischen Drücken zur Unterstützung des Temperaturbehandlung ausgesetzt ist, kommen solche Substrate 3 zur Anwendung, die den jeweiligen Temperatur- und Druckbereichen widerstehen und unter diesen Bedingungen sich gegenüber dem hoch erhitzten oder auch geschmolzenen Silizium inert verhalten, wie z. B. eine Aluminium-Oxid-Keramik. Neben der Temperatur an sich ist auch das zum Einsatz kommende Kristallisationsverfahren zu berücksichtigen, da wie oben beschrieben bei der Kristallisation aus der Schmelze der Silizium-Schicht die Kristallisationswärme über das Substrat 3 abzuführen ist. Infrage kommen z. B. verschiedene keramische Substrate 3, deren thermische und mechanische Eigenschaften sehr gut einstellbar sind.
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Einfluss auf die Wahl des verwendeten Substrats 3 hat auch, ob der Silizium-Wafer 1 nach Beendigung des Prozesses vom Substrat 3 gelöst wird (1), ob das Substrat 3 entsprechend einer Ausführungsform wieder verwendbar sein soll oder ob alternativ das Substrat 3 Teil der Solarzelle werden soll und somit mit dem Silizium-Wafer 1 verbunden bleibt (2 bis 5). Zur Lösbarkeit des Substrats 3 vom Silizium-Wafer 1 können z. B. solche Substrate 3 verwendet werden, deren thermisches Ausdehnungsverhalten sich von dem des Siliziums unterscheidet, so dass das Ablösen des Silizium-Wafers 1 während des Abkühlens auf sehr einfache Weise möglich ist. Alternativ können die thermischen Eigenschaften des Substrats 3 an die des Siliziums angepasst sein und andere Verfahren zum Ablösen zur Anwendung kommen.
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In der Ausgestaltung des Verfahrens, in welcher der Silizium-Wafer 1 auf dem Substrat 3 verbleibt, können zur Verwendung des Substrats 3 als Rückseitenkontakt auch solche Substrate 3 verwendet werden, die entweder selbst elektrisch leitfähig sind oder Leitbahnen 5 (3) zur Kontaktierung aufweisen. Auch in diesem Verfahren wird die Silizium-Schicht direkt auf dem Substrat 3 und damit direkt auf dessen Kontaktflächen aufgetragen und wie oben beschrieben der Temperaturbehandlung unterzogen. Es ist selbstverständlich, dass bei der Verwendung von Leitbahnen 5 ebenfalls solche Materialien zur Anwendung kommen, die sich bei den jeweiligen Prozessbedingungen wie das Substrat 3 zum Silizium verhalten. Die elektrische Leitfähigkeit es Substrats 3 kann entweder durch ein vollständig leitfähiges Substrat 3 oder durch eine elektrisch leitfähige Substratschicht 4 (5) hergestellt sein. So können z. B. die elektrischen Eigenschaften von Keramiken entsprechend dieser Verwendung des Substrats 3 gegebenenfalls auch abschnittsweise eingestellt werden. Die Verwendung einer elektrisch leitfähigen Substratschicht 4 zur Rückseitenkontaktierung ist mit einer solchen Schicht auf der Oberfläche möglich, an die das Silizium angrenzt oder alternativ mit einer dazu beabstandeten, z. B. im Substrat 3 vergrabenen, Schicht, die über geeignete Kontakte mit dem Silizium-Wafer 1 elektrisch verbunden ist.
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Die dauerhafte Verbindung von Substrat 3 und Silizium-Wafer 1 kann alternativ auch zur Optimierung der optischen Eigenschaften des Wafers 1 eingesetzt werden, indem z. B. ein reflektierendes Substrat 3 zur Rückseitenreflexion von Sonnenlicht in den Silizium-Wafer 1 verwendet wird.
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Zum Auftrag des Silizium-Pulvers oder der Silizium-Paste zur Herstellung einer Silizium-Schicht können in Abhängigkeit von dem Feststoffgehalt des Ausgangsmaterials sehr verschiedene Verfahren zum Einsatz kommen. Der Auftrag von Silizium-Pasten unterschiedlicher Konsistenz kann z. B. durch Siebdruck oder Tintendruck erfolgen, wobei bei Letzterem ein höherer Flüssigkeitsanteil vorliegt und der Auftrag mittels einer Düse erfolgt, durch die mittels verschiedener Techniken ein Suspensionstropfen gepresst und platziert wird. Das aus der Halbleiterfertigung bekannte und erprobte so genannte Spin-Coating ist ebenfalls verwendbar. Bei diesem Verfahren wird im Zentrum des Substrats 3 eine dosierte Menge fließfähiger Silizium-Paste aufgebracht und mittels Rotation auf dem Substrat 3 verteilt.
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Mögliche Applikationsverfahren für Silizium-Pulver sind der Aerosoldruck, bei welchem Silizium-Pulver in einem Gas gelöst ist und mit einer Düse oder Düsenanordnung aufgebracht wird, oder der Auftrag mittels elektrostatischer Aufladung. In letzterem Verfahren wird das Silizium-Pulver oder das Substrat 3 oder beides elektrostatisch aufgeladen, so dass infolge dessen das Silizium-Pulver ausreichend auf dem Substrat 3 fixiert ist. Z. B. für gewölbte Substrate 3 ist dieses Verfahren geeignet.
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Sofern in einer Ausgestaltung des Verfahrens das Aufbringen der Silizium-Schicht unter Anwesenheit von Wasserstoff erfolgt, ist in diesem Verfahrensschritt eine Rückseitenpassivierung möglich, die für eine nachfolgende Prozessierung des Silizium-Wafers 1 zur Solarzelle nutzbar ist. Gegebenenfalls kann zur Unterstützung der Fixierung in diesem oder auch in einem der zuvor beschriebenen Verfahren eine Pressung oder Trocknung der Silizium-Schicht erfolgen.
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Nach der Herstellung einer Silizium-Schicht erfolgt die Herstellung des Silizium-Wafers 1 direkt auf dem Substrat 3 durch eine der oben beschriebenen Temperaturbehandlungen. Als Temperaturbehandlung kommen sowohl das Schmelzen der Silizium-Schicht und deren Kristallisation aus der Schmelze als auch die Sinterung der Silizium-Schicht in Betracht. Beide Verfahren sind dabei so zu führen, dass im Verlauf der Behandlung die gewünschte Struktur des Siliziums mit der erforderlichen Kristallgröße und bis zur gewünschten Dicke entsteht. Für den Schmelzprozess sind dazu insbesondere die Einstellung und Aufrechterhaltung einer zeitlich und flächig gleichmäßigen Temperatur des Substrats 3 von Bedeutung. Auch für den Sinterprozess ist das Temperaturregime sowohl für das Gefüge als auch für die Reinheit des Silizium-Wafers 1 von Bedeutung.
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Dem Fachmann sind beide Verfahren hinreichend bekannt, so dass in Abhängigkeit von dem verwendeten Substrat 3, der Gestalt und Dicke des Silizium-Wafers 1, den Korngrenzen des Silizium-Pulvers oder der Silizium-Paste und dem herzustellenden Kristallgefüge die spezifischen Prozessparameter, wie z. B. Verlauf der Erwärmung der Silizium-Schicht und gegebenenfalls auch des Substrats 3, Dauer der Temperatureinwirkung, Temperierung des Substrats 3 während der Kristallisation, Abkühlung des Silizium-Wafers 1 und weiteren, durch Versuche zu ermitteln sind. In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann die Sinterung mit Druckunterstützung erfolgen.
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Für die Erwärmung einer Silizium-Schicht gemeinsam mit dem Substrat 3 sowohl zum Schmelzen als auch zum Sintern stehen verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Verfügung, die z. B. aus der Silizium-Kristall-Züchtung oder der Halbleiter-Fertigung bekannt sind. Als anwendbar für den hier erforderlichen Temperaturbereich von bis zu ca. 1400°C sind z. B. die Widerstands und die Induktionsheizung, bei denen die Wärme durch elektrische Ströme in der Probe erzeugt wird und die beide dem Fachmann hinreichend bekannt sind. In Frage kommen ebenso Spiegel- oder Lampenöfen, bei denen der Energieeintrag in die Probe durch gebündelte und sehr energiereiche Strahlung erfolgt. In diesem Fall kann die Energieaufnahme durch die Silizium-Schicht z. B. durch eine reflektierende Gestaltung des Substrats 3 verbessert werden.
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Die Kristallisation aus der Schmelze und ebenso aus der Sinterung kann zur Gewährleistung der Reinheit des Silizium-Wafers 1 entweder unter Vakuum erfolgen oder unter Inertgas-Atmosphäre, z. B. unter Argon. In letzterem Fall kann durch Hinzufügen oder durch alleinige Verwendung von Wasserstoff eine reduzierende Atmosphäre erzeugt werden, welche sowohl die Bildung von Oxidoberflächen der Siliziumkristalle als auch bereits existierende Oxidoberflächen reduziert. Aus diesem Grund ist die Anwesenheit von Wasser oder organischem Lösungsmittel im Silizium-Pulver oder in der Silizium-Paste unproblematisch. Auch eine gezielte Passivierung des Silizium-Wafers 1 ist unter wasserstoffhaltiger Atmosphäre möglich.
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Durch geeignete Temperaturführung sowohl beim Schmelzen als auch bei der Sinterung einer Silizium-Schicht kann auch eine aktive Reinigung der Silizium-Schicht insbesondere von Kohlenstoffanteilen erzielt werden, welche aufgrund der Verwendung von Schleif- und Sägesuspensionen aus Ausgangsmaterial enthalten sein können. Mit dieser Maßnahme kann die Bildung von Silizium-Carbid infolge der Reaktion von elementarem Kohlenstoff mit dem Silizium in der Hochtemperaturphase der Wafer-Herstellung verhindert werden.
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So bewirkt, entsprechend verschiedener Ausgestaltungen des Verfahrens, eine solche Temperaturbearbeitung der Silizium-Schicht, mit der ein langsam geführtes und kontrolliertes Wachstum makroskopischer Kristalle erzielt wird, einen Transport von Verunreinigungen in der Silizium-Schicht an dessen Oberfläche. Erzielbar sind derartige Reinigungsprozesse z. B. durch eine gezielte, langsame Temperaturführung während des Schmelzens der Silizium-Schicht oder dessen Sinterung unterhalb der Schmelztemperatur von Silizium bei 1410°C, das so genannte Festphasensintern. Durch eine abschlie ßende Oberflächenbehandlung, z. B. einem Ätzprozess kann die Beseitigung der nunmehroberflächlichen Verunreinigungen vom fertigen Silizium-Wafer 1 erfolgen.
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Einen weiteren Einfluss auf die Reinheit des Silizium-Wafers 1 hat auch das Schmelzen der Silizium-Schicht oder dessen Sinterung direkt auf einem Substrat 3. Auf diese Weise ist kein Tiegel erforderlich, womit eine mögliche Quelle von Verunreinigungen vermieden werden kann.
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Nach seiner Herstellung kann der Silizium-Wafer 1 entweder mit dem Substrat 3 als Rückseitenkontakt in der gewohnten Art wie jeder Standard-Wafer 1 weiter prozessiert werden oder es wird zuvor der Silizium-Wafer 1 vom Substrat 3 z. B. durch plötzliche Abkühlung des Substrats 3 gelöst und das Substrat 3 einer Wiederverwendung zur Herstellung weiterer Silizium-Wafer 1 zugeführt. Gegebenenfalls können noch Kanten- oder Oberflächenbearbeitungen des Wafers 1 erforderlich sein.
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Die weitere Prozessierung des Silizium-Wafers mit oder ohne Rückseitensubstrat betrifft unter anderem die Dotierung des Siliziums zur Herstellung der Dioden. In verschiedenen Ausführungsformen des Verfahrens kann die Dotierung zumindest mit einem Ladungsträgertyp bereits während der Herstellung des Wafers 1 erfolgen. Zu diesem Zweck können entweder die beschriebenen Abprodukte von der Bearbeitung bereits dotierten Siliziums verwendet werden oder dem Silizium-Pulver bzw. der Silizium-Paste werden Dotierstoffe homogen untergemischt. Um den gewünschten spezifischen Widerstand des Siliziums einzustellen, der üblicherweise im Bereich von 0,5 bis 3 Ω cm liegt, davon aber auch abweichen kann, können auch beide Verfahrensweisen miteinander kombiniert werden. Als Dotierstoffe kommen z. B. Bor für die p-Dotierung oder Phosphorsäure oder Phosphin für die n-Dotierung in Betracht. Alternativ sind auch andere Zusätze geeignet soweit sie die Verarbeitung mit dem Silizium-Pulver oder der Silizium-Paste gestatten ohne den weiteren Verfahrensablauf zu beeinflussen.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Silizium-Wafer 1 in mehreren Teilschritten hergestellt, wobei jeder Teilschritt die Ausbildung einer Silizium-Schicht nach einer der oben beschriebenen Methoden und deren Temperaturbehandlung umfasst, so dass der Silizium-Wafer 1 aus zwei oder mehr übereinanderliegenden Schichten 2 2) besteht. Ebenso wie für die Ausbildung trifft auch für die Behandlung jeder der Silizium-Schichten das oben Gesagte zu, unter Berücksichtigung, dass für jede darüber liegende Silizium-Schicht eine solche Temperaturbehandlung gewählt wird, welche das Gefüge und die elektrischen Eigenschaften der bereits fertiggestellten unteren Schicht 2 des Silizium-Wafers 1 nicht oder in zu vernachlässigendem Maße verändert. So kann auf einen Schmelzprozess zur Herstellung der untersten, an das Substrat 3 angrenzenden Schicht 2 des Silizium-Wafers 1 eine Festphasensinterung, d. h. ein Sintern unterhalb der Schmelztemperatur von Silizium folgen. Alternativ können auch zwei oder mehr Sinterprozesse zur Anwendung kommen oder Schmelzprozesse, sofern obige Voraussetzung für die untere Schicht oder die unteren Schichten erfüllt sind.
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Die einzelnen Schichten 2 des Silizium-Wafers 1 können auch mit voneinander abweichenden physikalischen, z. B. halbleitenden Eigenschaften hergestellt sein. So sind die unterschiedlich dotierten Schichten einer Solarzelle oder die Schichten einer so genannten Tandem-Solarzellen auf diese Weise herstellbar, bei denen zwei wellenlängenoptimierte Solarzellen übereinander gestapelt sind. Auch hier sind, auch für jede der Teil-Schichten der Silizium-Schicht unterschiedlich, mittels Beimengung von Zusatzstoffen gezielt elektrische Eigenschaften einstellbar.
