DE102008049374A1

DE102008049374A1 - Halbleiterfaserstrukturen als Energieerzeuger

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Publication number: DE102008049374A1
Application number: DE102008049374A
Authority: DE
Inventors: Joerg Jodlauk; Martin Schichtel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-09-27
Filing date: 2008-09-27
Publication date: 2010-04-01

Abstract

Die Erfindung betrifft den Einsatz von Halbleiterfaserstrukturen als Energieerzeuger, dessen Herstellung und insbesondere die Verwendung der Halbleiterfaserstrukturen in Solarzellen.

Description

Die Erfindung betrifft den Einsatz von Halbleiterfaserstrukturen als Energieerzeuger, dessen Herstellung und insbesondere die Verwendung des Halbleiterfaserstrukturen in Solarzellen.
Eine Solarzelle oder photovoltaische Zelle ist ein elektrisches Bauelement, das die im Licht (in der Regel Sonnenlicht) enthaltene Strahlungsenergie direkt in elektrische Energie wandelt. Solarzellen aus Halbleitermaterialien sind im Prinzip wie großflächige Photodioden aufgebaut. Die Besonderheit von Halbleitern ist, dass sie durch zugeführte Energie (elektromagnetische Strahlung) freie Ladungsträger erzeugen (Elektronen und Löcher). Ein internes elektrisches Feld, welches die Ladungsträger zur Wanderung befähigt wird durch den p-n-Übergang erzeugt. Da Licht in Materialien gewöhnlich exponentiell schwächer wird, muss dieser Übergang möglichst nahe an der Oberfläche liegen, und die Übergangszone mit dem elektrischen Feld sollte möglichst weit in das Material hineinreichen. Diese Übergangszone (Raumladungszone) wird durch gezielte Dotierung des Material eingestellt Um das gewünschte Profil zu erzeugen, wird gewöhnlich eine dünne Oberflächenschicht stark n-dotiert (i. d. R. ca. 1 μm), die dicke Schicht darunter (ca. 10 μm tief) schwach p-dotiert. Dies hat eine weitreichende Raumladungszone zur Folge. Die elektrische Spannung bei maximaler Leistung (Maximum Power Point, Leistungsanpassung) liegt bei den gebräuchlichsten Zellen (kristalline Siliziumzellen) bei etwa 0,5 V.
Die Struktur von Solarzellen wird weiterhin so angepasst, dass möglichst viel Licht eingefangen und in der aktiven Zone Ladungsträger erzeugen kann. Manchmal wird die Vorderseite strukturiert oder aufgeraut, um ein Maximum an Lichtabsorption zu ermöglichen.
Als Rezeptormaterialien werden generell Halbleiter eingesetzt. Der Haupttypus in kommerziellen Anwendungen ist die Silicium-Zelle.
Dickschichtzellen werden mit monokristallinem oder multikristallinem Silicium betrieben. Dünnschichtzellen hingegen mit amorphen oder mikrokristallinen Silizium. Die Bandbreite der Materialien umfasst neben Silicium III-V-Halbleiter wie GaAs, II-VI-Halbleiter wie CdTe, I-III-VI-Halbleiter wie Kupferindiumdiselenid und organische Halbleiter. Eine weiter Besonderheit sind die Farbstoffsolarzellen und die Halbleiterelektrolytzellen. Aufgrund niedriger Lebensdauer und Effizienz spielen kommerziell meist die Element- bzw. Verbindungshalbleiter die größte Rolle.
Im Stand der Technik ist zu diesem Thema und zum Thema „Herstellung von Solarzellen” eine Unmenge an Literatur zu finden. Beispielsweise beschreibt WO 2007/121955 ein Verfahren zur Herstellung funktionieller Strukturen, insbesondere mit, zur Oberfläche parallelen, p/n Übergang, auf dem oberflächlich funktionale Strukturen wie Stromunterbrechungsmelder, im allg. IC-Schaltkreise angebracht werden können. WO 01/82383 beschreint eine Solarzelle mit sog. Burried contacts, bei dem der Wafer zunächst komplett mit einer Metallschicht überzogen wird. Die Oberflächennutzung ist hierbei minimal. WO 02/25743 geht mehr auf die technischen Detail der Isolation von Solarzellen aus kristallinem Si ein, wiederum nur auf planaren Waferstrukturen. Ein ähnliches Vorgehen wird in WO 01/84639 gezeigt, wobei erstmals Kontaktfinger eingeführt werden. EP 1 875 651 beschreibt die Herstellung kostnegünstiger Solarzellen, wobei der Fokus i. d. R: auf das Processing gelegt wird. Auch diese Schrift beschreibt nur planare Wafer-Substrate. „Gekrümmte” Wafer sind in WO 03/105239 erwähnt. Hierbei wird der Wafer und die Solarzelle durch auf eine Scheibe (Automobil) aufwachsende Schichten erzielt). WO 2006/048319 beschreibt eine Zelle, bei der sowohl Vorder- als auch Rückseite des planaren Wafers zur Energiegewinnung genutzt werden kann.
Eine flexible aus Verbindungshalbleitern bestehende Dünnschichtzelle wird in WO 00/62347 erwähnt. Die Neuheit ist hierbei die Flexibilität des Materials, welches ausführlich beschrieben ist. Ein ähnliches Konzept, allerdings auf Basis von hydriertem amorphen Silicium ist in WO 95/33284 nachzulesen. Ähnliche Verfahren mit unterschiedlichen Materialien sind in WO 01/04964 , EP 1 939 945 oder auch in EP 1 962 331 zu finden.
WO 2005/034149 ist insofern neu, als dass die Erfinder keinen planaren Wafer einsetzen, sondern sphärische Halbleiterkugeln nutzen, um die lichtabsorbierende Oberfläche zu erhöhen. Durch die Partikelform soll auch die Herstellung flexibler Zellen ermöglich werden. Allerdings sprechen zwei Nachteile gegen diesen Typen. Erstens sind Monomodal sphärische Pulver schwer zu synthetisieren und noch schwerer homogen und verfahrenssicher zu dotieren. Die Folgeschritte (Auftragen des Halbleiterpulvers, Ätzen und Kontaktieren) lassen sich nur mit hohem technischen Aufwand realisieren und wirken als Kostentreiber. Größere freie Oberflächen können sich mit Halbleiterpulvern darstellen lassen, allerdings sind diese nur bedingt prozessfähig und handhabbar und sind nicht in der Lage mechanisch stabile und gleichzeitig flexible Strukturen zu erzeugen. Weiterhin ist bei diesen Materialform das Kontaktieren deutlich erschwert. Alles in allem wird in WO 2005/034149 ein nicht sinnvoll ökonomisch umsetzbares Verfahren beschrieben.
Traditionell werden daher die Kernelemente, die eigentliche Halbleiterzelle, aus Siliziumblöcken oder Stäben hergestellt. Standardverfahren sind Blockgussverfahren, Bridgman-Verfahren, Czochralski-Verfahren und das Zonenschmelzverfahren. Aus diesen Stäben werden nun Wafer mittels Drahtsägen abgenommen. Die Dicke der Wafer-Scheibe liegt i. d. R. zwischen 180 μm und 280 μm. Darauf folgt das Wafer-Processing (u. a. das Dotieren). Um Materialverlusten (Sägespäne) vorzubeugen und Schichtdicken von Zellen zu minimieren werden zunehmend Verfahren wie EPG- oder String-Ribbon Verfahren eingesetzt.
Der Nachteil dieser Methoden liegt in der mangelnden Stabilität der Zellen-Körper begründet. Ausschussquoten bis zu 25% sind keine Seltenheit.
Bei Betrachtung der Rohstoffresourcen kann festgestellt werden, dass die Vorräte und Produktionsmengen von In, Ga, Te und Se stark begrenzt sind.
Beispielsweise belaufen sich die theoretischen Vorräte an Indium weltweit auf 6.000 Tonnen, die abbaubaren Reserven sogar nur auf 2.800 Tonnen (Indium Vorräte laut USGS Mineral Commodity Summaries (2006)). Die Siliziumvorräte hingegen stehen nahezu in unbegrenzter Menge zur Verfügung. Das Limit wird derzeit (2008) durch die Produktionskapazitäten gesetzt.

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist das Verhältnis von erzeugter elektrischer Leistung zur Leistung der Globalstrahlung. Halbleiter mit fester Bandlücke nutzen nur einen bestimmten Teil des Sonnenlichtes. Ihr maximaler theoretischer Wirkungsgrad liegt bei ca. 28%–30%. Der maximale theoretische Wirkungsgrad bei Multibandsystemen (für alle Wellenlängen Farben des Sonnenlichts sensibilisierte Typen) läge bei ca. 85%.

Ausführung	Material		Maximaler Wirkungsgrad Labor	Typischer Wirkungsgrad von handelsüblichen Solarmodulen
Zellen	Monokristallines Silizium	c-Si	25%	13–16%
Zellen	Polykristallines Silizium	mc-Si	20%	12–14%
Dünnfilm	Amorphes Silizium	a-Si	14%	6–8%
Dünnfilm	Kupfer-Indium-Diselenid	CIS	19%	9–11%
Dünnfilm	Cadmiumtellurid	CdTe	16%	7–9%

Der Wirkungsgrad kommerzieller Zellen liegt deutlich unter 20 Prozent (siehe Tabelle). Damit hergestellte Solarmodule erreichen einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 16 Prozent. Der Rekord für im Labor hergestellte Silizium-Solarzellen liegt bei 24,7 Prozent (University of New South Wales, Australien), mit denen Module mit über 16 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden.
Der Wirkungsgrad ist, neben dem physikalischen Eigenschaften des Halbleiters, insbesondere von der zur Verfügung stehenden, dem Licht frei zugänglichen, Oberfläche abhängig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Halbleiterstrukturen zur Verfügung zu stellen, die eine große Oberfläche zum Lichteinfang stellen und eine verbesserte mechanische Stabilität – trotz niedriger Bauteildimensionenermöglichen.
Eine weiter Aufgabe er Erfindung ist es, dass diese Strukturen flexibel sein sollten.
Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung ist es eine einfache Möglichkeit zur Kombination von Halbleitern (bessere Ausnutzung der unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts) darzustellen.
Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäßen Halbleiterfaserstrukturen, wie in Anspruch 1 beschrieben, gelöst. Der Begriff „Halbleiterfaserstruktur” oder „Faserstruktur” steht in diesem Dokument als Überbegriff für die Gesamtheit möglicher ein-, zwei- oder dreidimensionaler Strukturen. Unter eindimensionalen Strukturen versteht man beispielsweise Rovings und Tapes. Unter zweidimensionalen Faserstrukturen sind UD-Gelege, Gewebe wie durch Leinwandbindung, Kreuzkörperbindung. Atlasbindung entstanden, Schnittmatten und Endlosfasermatten zu verstehen. Dreidimensionale Faserstrukturen sind beispielsweise Gewebe, die durch Stricken, 3D-Flechten und Nähen aufgebaut werden. „Faser” ist dabei ein Teil eines „Filaments”. Fäden werden aus Fasern aufgebaut. Die Fachbegriffe aus der Textilbranche, wie Faden, Zwirn, Kett- und Schussfaden, Gewebe, u. s. w. gelten in dieser Beschreibung synonym für Halbleiterfasern und deren Verarbeitung.
Die erfindungsgemäße Aufgabe kann durch Faserstrukturen von elementaren Halbleitern, Verbindungshalbleitern und/oder organischen Halbleitern gelöst werden. Besonders interessant ist hierbei der Elementhalbleiter Silizium, Verbindungshalbleiter der II-V Gruppe (insbes. GaP), II-VI Halbleiter (insbesondere CdSe, CdTe) sowie die III-VI Halbleiter (insbesondere GaSe) sowie die I-III-VI Halbleiter. Auch gehören organische Halbleiter wie Tetracen, Pentacen, Phthalocyanine, Polythiophene, PTCDA, MePTCDI, Chinacridon, Acridon, Indanthron, Flavanthron, Perinon, Alq3 zu der Rohstoffmatrix, die die Aufgabe lösen kann. Da die organischen Halbleiter aber nur geringe Lebensdauer und Effizienz besitzen, seien sie hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt.
Kernlösung, gemäß Anspruch 1, ist somit der Einsatz von Halbleiterfaserstrukturen aus Element- und Verbindungshalbleitern.
Diese Halbleiterfasern haben einen mittleren Durchmesser von 0,01 μm bis 200 μm. Bevorzugt sind Faserdurchmesser von 1 μm bis 60 μm und besonders bevorzugt werden Faserruchmesser von 6 μm bis 25 μm.
Prinzipiell können die Fasern (z. B. zur Erhöhung der mechanischen Stabilität) vor dem Gewebebildungsprozess den Prozess zur Herstellung von Fäden, Garnen und Zwirn durchlaufen.
Kett- und Schussfasern/fäden können dabei aus einem oder auch aus mehreren unterschiedlichen Fasermaterialien bestehen bzw. Kettfaser und Schussfaser können sich im Material und/oder Durchmesser unterscheiden. Auf diese Weise ist eine Annährung an Multibandsysteme auf einfache Art möglich. Die Effizienz von Tandem-Solarzellen kann durch einen einfacheren industriellen Prozess nun problemlos erreicht werden.
Halbleiterfaserstrukturen werden durch Verweben, Verdrillen, Verflechten, stricken, streuen oder nähen aus Halbleiterfasern hergestellt.
Gegenüber herkömmlichen Wafern und Schichtsystemen kann durch die Strukturbildung die dem Licht freizugängliche Oberfläche und somit die Raumladungszone, in der die Energie erzeugt wird, maximiert werden. Selbst Orte der Beschattung werden zurückgedrängt, da die Faser auch schräg einfallendes Licht gut auffangen kann. Gewebe aus diesen Fäden können in unterschiedlicher Bindung und Rapport gefertigt werden. Durch Variation von Bindung und Rapport können – allein schon durch die Gewebegeometrie – Kontaktstellen für Ableitungen erzeugt werde. Typische Bindungsbeispiele sind Leinwandbindung (1), Atlasbindung (2) und Körperbindung bzw. deren Variationen. Einfachere Bindungstypen sind möglich und gewünscht. Die Art der Bindung ist abhängig vom Einsatzzweck der Solarzelle. Beispielsweise kann bei planaren Elementen auf Klemmbindungen (3) gewoben werden, bei flexiblen Zellen wird eher die Leinwand- oder Atlasbindung eingesetzt – andere Bindungstypen sind aber durchaus möglich.
Ein Standard-Silizium-Wafer (12,5 cm × 15 cm × 0,18 cm) hat eine freizugängliche Oberfläche von 0,009 m² bei einem Siliziumvolumen von 3,38·10^–5 cm³. Ein einfaches Fasergelege mit Halbleiterfasern einer mittleren Dicke von 20 μm umfasst, auf die gleiche Grundfläche bezogen, ca. 1.500 Fäden. Die nutzbare Mantelfläche (ca. 50% der Oberfläche) beläuft sich auf ca. 600 m² bei einem Gesamtvolumen von 1,18·10^–5 m³. D. h. dass nur ein drittel des Silizium-Volumens eines Wafers eine gut 60.000 mal größere Oberfläche zur Absorption des Lichtes zur Verfügung stellt. (Geätzte Mirkostrukturen sind in diesem Überblick nicht berücksichtigt, da diese auch auf Fasern übertragen werden können.)
Die Dotierung der Halbleiterfasern kann vor oder nach dem Strukturbildungsprozess erfolgen. Hierbei hat sich vorteilhaft gezeigt, dass die Raumladungszone im p/n-Übergang im Verhältnis zu Raumladungszonen herkömmlicher planarer Wafer deutlich größer ist.
Neben den Vorteilen eine extrem vergrößerte Oberfläche und Raumladungszone zu bieten, zeigen Halbleiterfaserstrukturen auch herausragende mechanische Eigenschaften, verglichen mit herkömmlichen Wafer-Scheiben. Einfache Gewebe mit Klemmbindung zeigen Werte, die um den Faktor 5–100 höher liegen, als das vergleichbare Standardmaterial. Diese Eigenschaft ist auch für das Gesamt-Solarmodul von höchstem Interesse, insbesondere, wenn dessen Fertigung in Verbundbauweise durchgeführt wird. Ähnlich wie bei faserverstärkten Keramiken oder Kunststoffe, wird sich die verstärkende Wirkung des Halbleiterfasergewebes auch auf das Modul auswirken, was leichtere und stabilere Bauformen hervorbringen kann. Ein weiterer, nicht zu unterschätzender Vorteil, ergibt sich aus der großen freien Oberfläche und dem geringen Durchmesser: aktive Kühlung des Halbleiters durch Wärmeentzug mittels der unmittelbaren Umgebung.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Halbleiterfaserstrukturen sind daher:

– große Oberfläche, max. Aufnahme von elektromagnetischer Strahlung,
– maximale Raumladungszone,
– geringer Materialverbrauch,
– verbesserte mechanische Stabilität,
– kein Waferbruch (rduzierter Ausschuss),
– beliebige Geometrien und Größen sind herstellbar,
– „Selbstkühl”-Effekt,
– Kostenreduktion.

Beispiele:
„Dünnschicht”-Solarzelle aus Si-Fasergewebe.
Aus 15 μm starken Si-Fasern wurde in Schutzgasatmosphäre ein Gewebe in Leinwandbindung (2,2) auf einer Fläche von 12,5 cm Breite und Länge von 120 cm im kontinuierlichen Webprozess geformt. Aus diesem Gewebe wurden die Teststücke (12,5 cm × 15 cm) herausgelöst. Auf diese Weise entstand ein elastisches Siliziumgewebe hoher Festigkeit, welches im kontinuierlichen Prozess gewonnen wurde und ohne Materialverluste auf die Endgröße gekappt werden konnte. In Anlehnung an ISO 1519 wurde ein Dornbiegeversuch durchgeführt, der bei einem Biegeradius kleiner 0,5 cm zu Faserbruch von ca. 60% der Fasern in Bruchrichtung führte. Der E-Modul, gemessen nach DIN 13316 lag bei dem Gewebe bei 130 GPa (gemessen an der Faserorientierung parallel zur Krafteinwirkung). Die Bruchdehnung lag bei den Proben größer 4,5%. Dieses Fasergewebe wurde als Ersatz für einen Si-Wafer in einer Solarzelle integriert
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2007/121955 [0006]
- WO 01/82383 [0006]
- WO 02/25743 [0006]
- WO 01/84639 [0006]
- EP 1875651 [0006]
- WO 03/105239 [0006]
- WO 2006/048319 [0006]
- WO 00/62347 [0007]
- WO 95/33284 [0007]
- WO 01/04964 [0007]
- EP 1939945 [0007]
- EP 1962331 [0007]
- WO 2005/034149 [0008, 0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- ISO 1519 [0031]
- DIN 13316 [0031]

Claims

Halbleiterfaserstruktur als Energieerzeuger, dadurch gekennzeichnet, dass faserförmige Element- und/oder Verbindungshalbleiter durch verdrillen, flechten, nähen und/oder weben zu ein-, zwei- oder dreidimensionalen Strukturen aufgebaut werden. Unter eindimensionalen Strukturen versteht man beispielsweise Rovings und Tapes. Unter zweidimensionalen Faserstrukturen sind UD-Gelege, Gewebe wie durch Leinwandbindung, Kreuzkörperbindung. Atlasbindung entstanden, Schnittmatten und Endlosfasermatten zu verstehen. Dreidimensionale Faserstrukturen sind beispielsweise Gewebe, die durch Stricken, 3D-Flechten und Nähen aufgebaut werden. Diese Strukturen werden in beliebiger Geometrie (zwei- und dreidimensional) und Axialität geformt und zur Energieerzeugung in Solarzellen genutzt.
Halbleiterfaserstruktur als Energieerzeuger gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern aus Elementhalbleiter wie Silizium, Germanium, Bor, Selen und Tellur oder Verbindungshalbleiter der II-V Gruppe (wie z. B. GaP, GaAs, InP, InSb, GaSB, GaN, AlN und InN), II-VI Halbleiter (ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe und andere Selenide bzw. Telluride) sowie die III-VI Halbleiter (GaS, GaSe, GaTe, InS, InSe, InTe), I-III-VI Halbleiter und SiC sowie Siliciumnitrid verarbeitet werden.
Halbleiterfaserstruktur als Energieerzeuger gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterfasern mittleren Durchmesser von 0,01 μm bis 200 μm, bevorzugt von 1 μm bis 60 μm und besonders bevorzugt von 6 μm bis 25 μm aufweisen.
Halbleiterfaserstruktur als Energieerzeuger gemäß der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser vor Verarbeitung oder nach der Gewebebildung dotiert wird.
Halbleiterfaserstruktur als Energieerzeuger gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe aus einem oder mehreren Fasertypen (Größe und/oder Material) bestehen kann.
Halbleiterfaserstruktur als Energieerzeuger gemäß der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei- oder dreidimensionale Gewebegebilde entstehen und in Solarzellen eingesetzt werden.
Halbleiterfaserstruktur als Energieerzeuger gemäß der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe unidirektional bis multidirektional hergestellt wird.
Halbleiterfaserstruktur als Energieerzeuger gemäß der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe mit einer oder mehreren zusätzlichen Schichten belegt werden kann.
Halbleiterfaserstruktur als Energieerzeuger gemäß der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe mit weiteren Schichten und oder Substraten verbunden werden kann. Zu diesem Prozess zählt auch kleben und versintern.
Verwendung der Halbleiterfaserstruktur als Energieerzeuger, gemäß Anspruch 1, zur Herstellung von Halbleiterwafern mit erhöhter optischer Oberfläche und optimierter Raumladungszone.
Verwendung der Halbleiterfaserstruktur als Energieerzeuger, gemäß Anspruch 1, zur Herstellung von flexiblen Standardwafern einer Grundfläche von 12,5 cm mal 15 cm.
Verwendung der Halbleiterfaserstruktur als Energieerzeuger, gemäß Anspruch 1, zur Herstellung von Endloswafern für den Bau ein- oder mehrzelliger Solarmodule, wobei eine Dimension der Zelle mindesten 12,5 cm ist.
Verwendung der Halbleiterfaserstruktur als Energieerzeuger, gemäß Anspruch 1, zur Herstellung von Solarzellen (Dickschicht- und Dünnschichtzellen).
Verwendung der Halbleiterfaserstruktur als Energieerzeuger, gemäß Anspruch 1, zur Herstellung flexibler Solarzellen, deren Kernelement anorganischer und/oder von Halbmetallnatur ist.