DE102010029741A1

DE102010029741A1 - Verfahren zum Herstellen von Silizium-Wafern und Silizium-Solarzelle

Info

Publication number: DE102010029741A1
Application number: DE201010029741
Authority: DE
Inventors: Dr. Krause Andreas; Juliane WALTER; Marc Dietrich; Josef Stenzenberger
Original assignee: SolarWorld Innovations GmbH
Current assignee: Meyer Burger Germany GmbH
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2010-06-07
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2030-06-08
Also published as: US9109302B2; US20110297223A1; DE102010029741B4

Abstract

Zum Herstellen von Silizium-Wafern wird auf einem im Bodenbereich eines Tiegels angeordneten Silizium-Einkristall-Keim mit einer Keimfläche, die eine {110}-Kristallorientierung besitzt, und einer Kantenfläche, die eine {100}-Kristallorientierung besitzt, flüssiges Reinstsilizium ausgehend vom Bodenbereich des Tiegels erstarrt, wobei sich ein Siliziumblock auf der Keimfläche des Silizium-Einkristall-Keims bildet, der die {110}-Kristallorientierung weitgehend übernimmt. Anschließend wird der Siliziumblock in Wafer mit einer Waferfläche, die eine {100}-Kristallorientierung aufweist, zerteilt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Silizium-Wafern und deren Weiterverarbeitung zu Solarzellen.
Solarzellen sind elektronische Bauelemente, die elektromagnetische Strahlungsenergie, vorzugsweise Sonnenlicht, direkt in elektrische Energie umwandeln. Der Grundstoff für Solarzellen ist in der Regel Silizium. Bei Silizium-Solarzellen wird zwischen monokristallinen und polykristallinen Zellen unterschieden. Monokristalline Zellen zeichnen sich durch einen hohen großtechnischen Wirkungsgrad von teilweise über 20% aus, erfordern jedoch bei der Herstellung einen hohen Energieeinsatz. Polykristalline Zellen dagegen haben einen niedrigeren Wirkungsgrad, dafür jedoch relativ kurze Energierücklaufzeiten.
Monokristalline Siliziumzellen werden in der Regel aus einkristallinen Siliziumscheiben, sogenannten Silizium-Wafern, hergestellt, deren Erzeugung ziemlich energieaufwändig und verhältnismäßig teuer ist. Bei der Herstellung von einkristallinen Silizium-Wafern werden zuerst Kristallstäbe aus Reinstsilizium erzeugt, die dann in Scheiben, vorzugsweise mit Hilfe eines Drahtsägeverfahrens, zerteilt werden. Ein relativ energieaufwändiges und teures Verfahren zur Herstellung monokristalliner Silizium-Wafer ist das Czochralski-Verfahren, bei dem zylinderförmige Stäbe entstehen, die dann in rechteckige Scheiben zur Herstellung von Wafern für Solarzellen zugeschnitten werden müssen. Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Herstellung von monokristallinen Silizium-Wafern ist das Zonenschmelzverfahren, das jedoch auch mit ähnlich hohen Kosten wie das Czochralski-Verfahren verbunden ist. Auch bei diesem Verfahren müssen die erzeugten zylindrischen Silizium-Stäbe für die Silizium-Wafer zur Herstellung von Solarzellen zugeschnitten werden.
In der DE 10 2007 035 756 A1 wird ein kostengünstiges Verfahren zur Züchtung großvolumiger Silizium-Einkristalle vorgeschlagen, das auf dem Vertical-Bridgman-Verfahren bzw. dem Vertical-Gradient-Freeze-Verfahren basiert. Bei diesen bekannten Verfahren wird Reinstsilizium in einem Tiegel bei über 1400°C aufgeschmolzen. Durch langsames Abkühlen der Schmelze bilden sich dann Zonen mit einheitlicher Kristallstruktur aus, wobei das Erstarren vom Tiegelboden ausgehend erfolgt. Es lassen sich so Siliziumblöcke mit Kantenlängen bis 70 cm und Höhen bis 30 cm erzeugen. Die großen Siliziumblöcke werden dann in Siliziumsäulen zerteilt, die wiederum in dünne Scheiben zur Herstellung von Silizium-Wafern zersägt werden.
Mit den herkömmlichen Vertical-Bridgman-Verfahren bzw. Vertical-Gradient-Freeze-Verfahren lassen sich aber nur polykristalline Siliziumzellen herstellen. Bei dem in der DE 10 2007 035 756 vorgeschlagenen Verfahren wird, um einen im Wesentlichen monokristallinen Siliziumblock zu erzeugen, ein großflächiger monokristalliner Silizium-Keim im Bodenbereich des Tiegels angeordnet. Die Fläche des Keims wird dann bei der Siliziumblockherstellung angeschmolzen und vererbt beim Erstarren der Schmelze dem Siliziumblock ihre Kristallorientierung, so dass sich der im Wesentlichen monokristalline Siliziumblock erzeugen lässt.
Nach dem Zerteilen des Siliziumblocks in Silizium-Wafer weist die Waferfläche aufgrund des Sägevorgangs zahlreiche organische und anorganische Verunreinigungen sowie Schädigungen der Kristallstruktur bis zur Tiefe einiger Mikrometer auf. Im Rahmen der Herstellung der Solarzellen werden in einem ersten Schritt die Sägeschäden entfernt. Zusätzlich zur Entfernung der Sägeschäden wird auf der Silizium-Waferfläche auch eine Strukturierung, eine sogenannte Texturierung der Waferfläche, ausgeführt, wodurch sich eine signifikante Wirkungsgradsteigerung bei den Solarzellen erzielen lässt. Durch die Texturierung der Waferfläche wird die effektive Lichteinkopplung wesentlich verbessert. Die Texturierung wird in der Regel mit nass- und trockenchemischen Ätzverfahren, insbesondere mit einer alkalischen Ätzlösung, ausgeführt, wobei sich bei Silizium-Wafern zur Texturierung nur die nach den Millerschen Indizes mit {100} gekennzeichneten Kristallflächen eignen.
Gemäß den Millerschen Indizes werden die Kristallebenen mit ganzzahligen Zahlentripletts (hkl) bezogen auf die drei Raumachsen gekennzeichnet. Wenn statt einer spezifischen Kristallebene auch kristallographisch äquivalente Ebenen bezeichnet werden sollen, wird dies durch die Notation {hkl} angezeigt. Die Raumrichtungen im Kristallgitter werden gemäß den Millerschen Indizes ebenfalls durch ein Zahlentriplett [uvw] bezogen auf die drei Raumrichtungen gekennzeichnet. Die Notation <uvw> bezeichnet dann alle zur Raumrichtung [uvw] kristallographisch äquivalenten Raumrichtungen.
Bei der Kristallisation von monokristallinen Siliziumblöcken, insbesondere gemäß dem in der DE 10 2005 037 393 A1 vorgeschlagenen modifizierten Vertical-Bridgman- bzw. Vertical-Gradient-Freeze-Verfahren hat sich jedoch gezeigt, dass ein Kristallwachstum mit {100}-Waferflächen sehr anfällig für die Bildung von Defekten, insbesondere Versetzungsclustern beim Kristallwachstum, ist. Dabei besteht insbesondere die Gefahr, dass sich die sich bildenden Versetzungen aufgrund fehlender Korngrenzen im erstarrenden Siliziumblock ungehindert ausbreiten, was die Qualität der Kristallstruktur und damit den Wirkungsgrad der Silizium-Solarzelle wesentlich beeinträchtigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem sich defektarme monokristalline Silizium-Wafer mit einer für die Texturierung geeigneten Fläche herstellen lassen. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, Silizium-Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad auf der Grundlage solcher Silizium-Wafer zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen von Silizium-Wafern gemäß Anspruch 1 und eine Silizium-Solarzelle gemäß Anspruch 9 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung wird zum Herstellen von Silizium-Wafern ein Silizium-Einkristall-Keim mit einer {110}-Keimfläche und einer senkrecht dazu orientierten {100}-Kantenfläche im Bodenbereich eines Tiegels mit flüssigem Reinstsilizium bereitgestellt. Ausgehend vom Bodenbereich des Tiegels wird dann das flüssige Reinstsilizium erstarrt, wobei sich ein Siliziumblock auf der Keimfläche des Silizium-Einkristall-Keims mit einem weitgehend gleichgerichteten Kristallgitter bildet. Der Siliziumblock wird anschließend parallel zu der Kantenfläche des Silizium-Einkristall-Keims in die Wafer zerteilt, so dass eine Waferfläche eine <100>-Kristallorientierung aufweist. Die Waferfläche der <100>-Kristallorientierung weist dabei zu mehr als 70% eine monokristalline Struktur auf.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können kostengünstig defektarme monokristalline Silizium-Wafer mit einer <100>-Kristallorientierung der Waferfläche hergestellt werden, die sich zum alkalischen Texturieren eignen. Hierzu wird das Kristallwachstum auf einer für die Bildung von Versetzungen wenig anfälligen {110}-Kristallfläche ausgeführt, wobei sich jedoch gleichzeitig entlang einer ausgezeichneten Kantenfläche des Silizium-Einkristall-Keims eine {100}-Fläche des Siliziumblocks ausbildet. Parallel zu dieser {100}-Fläche des Siliziumblocks wird dann der monokristalline Siliziumblock in Silizium-Wafer unterteilt. Die {100}-Waferfläche kann anschließend effektiv texturiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich ferner dadurch aus, dass der monokristalline Siliziumblock ohne ein vorheriges Quadrieren in rechteckige Silizium-Wafer für Solarzellen unterteilt werden kann, so dass sich eine maximale Flächennutzung erreichen lässt.
Zur Herstellung von Silizium-Solarzellen werden die in die {100}-Kristallrichtung orientierten monokristallinen Silizium-Waferflächen vorzugsweise mit einer alkalischen Monotextur prozessiert. Anschließend wird im Silizium-Wafer ein p/n-Übergang erzeugt. In einem weiteren Schritt wird die Silizium-Waferfläche vergütet. Abschließend werden die Silizium-Waferfläche sowie die Silizium-Waferrückfläche kontaktiert, um die Silizium-Solarzelle fertig zu stellen. Mit dieser Vorgehensweise lassen sich kostengünstig und flächeneffektiv Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad erzeugen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Silizium-Einkristall-Keim für das Kristallwachstum des Siliziumblocks aus einer einkristallinen Siliziumsäule, deren Säulenachse eine <100>-Kristallorientierung aufweist, hergestellt, wobei die Einkristall-Siliziumsäule zum Ausbilden der Keimfläche des Silizium-Einkristall-Keims mit der {110}-Kristallorientierung und der Kantenfläche des Silizium-Einkristall-Keims mit der {100}-Kristallorientierung aufgeschnitten wird. Der Silizium-Einkristall-Keim kann so in konventioneller Weise mit Hilfe des Czochralski- oder Zonenschmelzverfahrens als Silizium-Einkristallsäule mit einer Standardkristallorientierung erzeugt werden, wobei die Silizium-Einkristallsäule zur Keimherstellung quadriert und 45° schräg zur quadrierten Fläche aufgeschnitten wird.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Seitenschnitt-Darstellung einer Vorrichtung zum Schmelzen und Kristallisieren von Siliziumblöcken unter Verwendung eines Silizium-Einkristall-Keims im Bodenbereich;
2 eine Aufsicht auf vollflächig im Bodenbereich ausgelegte rechteckige Silizium-Einkristall-Keime zur Verwendung bei der in 1 gezeigten Vorrichtung;
3 einen mit der in 1 gezeigten Vorrichtung hergestellten Siliziumblock;
4 einen Silizium-Wafer mit einer Waferfläche und einer Pyramidentexturierung; und
5 schematisch den prinzipiellen Aufbau einer monokristallinen Silizium-Solarzelle.
Mit der in 1 schematisch gezeigten Vorrichtung zum Schmelzen und Kristallisieren von Reinstsilizium können defektarme monokristalline Siliziumblöcke erzeugt werden. Die Blockgröße kann dabei eine Kantenlänge von 70 cm und mehr, sowie eine Blockhöhe von 30 cm und mehr aufweisen. Die Blockhöhe kann aber auch kleiner gewählt werden und kann z. B. der Außenkantenlänge eines Standard-Solarzellen-Wafers von 15,6 cm zuzüglich eines für den Solarzellen-Wafer nicht verwendbaren Boden- und Kappenabschnitts entsprechen. Eine geringere Blockhöhe hat den Vorteil, dass die Eindiffusion von Schadstoffen aus dem Tiegel in den sich bildenden Siliziumblock aufgrund der kürzeren Kristallisationszeiten reduziert wird.
Die Vorrichtung zum Schmelzen und Kristallisieren von Reinstsilizium weist einen Tiegel 3 auf, der im Wesentlichen die Form eines nach oben offenen Quaders besitzt. Der Innenraum 4 des Tiegels 3 ist nach fünf Seiten begrenzt und weist einen Boden 5 und vier Seitenwände 7 auf. Der Innenraum 4 des Tiegels 3 lässt sich über eine dem Boden 5 gegenüber liegende Öffnung 8 befüllen. An der Außenseite des Tiegels 3 sind Heizelemente 9 und Kühlelemente 10 angeordnet, mit denen der Innenraum 4 des Tiegels 3 gezielt aufgeheizt bzw. abgekühlt werden kann. Die Heizelemente 9 bzw. Kühlelemente 10 sind dabei beispielsweise gemäß dem bekannten Vertical-Bridgman-Verfahren bzw. Vertical-Gradient-Freeze-Verfahren ausgeführt.
Zur Herstellung eines monokristallinen Siliziumblocks aus Reinstsilizium wird am Boden 5 des Tiegels 3 ein Silizium-Einkristall-Keim 12 angeordnet. Der Silizium-Einkristall-Keim 12 bedeckt dabei die gesamte Bodenfläche des Tiegels 3, wobei die Bodenfläche vorzugsweise quadratisch oder rechteckig, aber auch polygonal ausgebildet sein kann.
2 zeigt eine Aufsicht auf den Silizium-Einkristall-Keim 12 für einen rechteckigen Tiegelboden. Der Silizium-Einkristallkeim 12 weist eine Keimfläche 13 auf, die parallel zum Boden 5 des Tiegels 3 angeordnet ist. Der Silizium-Einkristall-Keim 12 ist vorzugsweise scheibenförmig mit einer Dicke von einem oder mehreren cm, vorzugsweise ca. 4 cm, ausgeführt. Der Silizium-Einkristall-Keim 12 kann einstückig ausgebildet sein oder sich aus mehreren Teilkeimen, wie in 2 gezeigt, aus 20 rechteckigen Scheiben zusammensetzen. Die Orientierung der Keimfläche 13 des Silizium-Einkristall-Keims 12 ist – angegeben in Millerschen Indizes – {110}. Der Silizium-Kristall besitzt eine sogenannte Diamantstruktur, bei der sich in jedem Einheitswürfel acht Siliziumatome befinden. Die Fläche des Siliziumkristall-Einheitswürfels ist dabei kubisch flächenzentriert. 2 zeigt den Silizium-Einkristall-Keim 12 mit einer {110}-Keimfläche 13, deren Kristallorientierung <100> senkrecht zur Darstellungsebene durch den Kreis um die z-Achse angezeigt ist. Die Teile des Silizium-Einkristall-Keims können anstatt einer rechteckigen Form auch eine andere Form, z. B. eine sechseckige Form, aufweisen, wobei die zusammengesetzten Teile den Bodenbereich 5 des Tiegels 3 nahezu vollflächig und in gleicher Kristallorientierungsrichtung bedecken.
Der Silizium-Einkristall-Keim 12 ist ferner so ausgestaltet, dass eine Kantenfläche {100}-Kristallorientierung besitzt. Diese Kantenfläche bildet dann eine Seitenfläche des herzustellenden Siliziumblocks und wird im Weiteren als Seite-A-Kantenfläche bezeichnet. Bei dem in 2 gezeigten Silizium-Einkristall-Keim 12 mit der {110}-Keimfläche 13 besitzt die Seite-A-Kantenfläche eine {100}-Kristallorientierung, die senkrecht dazu verlaufende Seite-B-Kantenfläche eine {110}-Kristallorientierung.
Der Silizium-Einkristallkeim bzw. die Keimteile werden vorzugsweise aus monokristallinen Siliziumstäben, die mit dem Czochralski-Verfahren oder dem Zonenschmelzverfahren hergestellt sind, erzeugt. Mit den Czochralski- bzw. Zonenschmelzverfahren lassen sich monokristalline zylinderförmige Siliziumstäbe mit hoher Reinheit erzeugen, wobei die Flächen der Siliziumstäbe in der Regel eine {100}-Kristallorientierung besitzen. Zur Herstellung von Silizium-Einkristall-Keimen 12 gemäß 2 mit einer {110}-Keimfläche 13 und einer {100}-Seite-A-Kantenfläche werden die zylinderförmigen Siliziumstäbe dann quadriert und in Scheiben mit einem Schnittwinkel von 45° zur quadrierten Fläche zersägt.
Die Silizium-Einkristall-Keime 12 können jedoch auch mit anderen monokristallinen Herstellungsverfahren, z. B. dem in der DE 10 2007 035 756 A1 offenbarten erweiterten Vertical-Bridgman-Verfahren bzw. Vertical-Gradient-Freeze-Verfahren, bei dem monokristalline Siliziumblöcke auf einer Keimstruktur erzeugt werden, hergestellt werden. Es besteht dabei auch die Möglichkeit, die Silizium-Einkristall-Keime direkt mit einer {110}-Keimfläche 13 und einer {100}-Seite-A-Kantenfläche herzustellen. Ferner können die Silizium-Einkristall-Keime auch aus den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Siliziumblöcken durch Heraussägen entsprechender Scheiben mit einer {110}-Keimfläche und einer {100}-Seite-A-Kantenfläche erzeugt werden. Auch lassen sich die Silizium-Einkristall-Keime nach dem Erzeugen der Siliziumblöcke durch anschließendes Abtrennen von diesen Siliziumblöcken wiederverwenden. Vorzugsweise wird dabei der für die Herstellung von Solarzellen-Wafern meist ungeeignete Bodenabschnitt verwendet.
Zur Herstellung der Siliziumblöcke wird der Tiegel 3 mit dem Silizium-Einkristallkeim 12 im Bereich des Bodens 5 mit flüssigem Reinstsilizium 2 über die Tiegelöffnung 8 befüllt. Anstelle eines Befüllens mit flüssigem Reinstsilizium 2 kann auch pulverförmiges, granulatförmiges oder stückiges Silizium verwendet werden, wobei das Silizium dann mit den Heizelementen 9 am Tiegel 3 aufgeschmolzen wird. Dabei ist die Temperaturführung so zu gestalten, dass der vorgelegte Keim am Boden 5 des Tiegels 3 angeschmolzen, jedoch nicht aufgeschmolzen wird. Das flüssige Reinstsilizium 2 auf dem Silizium-Einkristall-Keim 12 wird dann gerichtet und gezielt kristallisiert und erstarrt. Die Erstarrung des Siliziums erfolgt dabei ausgehend von der Keimfläche 13 des Silizium-Einkristall-Keims 12 nach oben. Zum gesteuerten Kristallisieren des flüssigen Reinstsiliziums 2 wird mittels der Kühlelemente 10 am Tiegel 3 aktiv Wärme aus dem flüssigen Reinstsilizium 2 abgeführt.
Die Kristallisation wird dabei so ausgeführt, dass die Keimfläche 13 des Silizium-Einkristall-Keims 12 ihre {100}-Kristallorientierung dem auf dem Silizium-Einkristall-Keim aufwachsenden Siliziumblock vererbt. Der Siliziumblock, der sich auf der Keimfläche 13 des Silizium-Einkristall-Keims 12 bildet, hat mit dem Silizium-Einkristall-Keim 12 ein weitgehend gleichgerichtetes Kristallgitter mit einer {110}-Wachstumsfläche. Gleichzeitig bildet sich über der Seite-A-Kantenfläche des Silizium-Einkristall-Keims 12 eine {100}-orientierte Siliziumblockfläche aus. Die Vererbung der Kristallorientierung vom Silizium-Einkristall-Keim 12 auf den sich darüber ausbildenden Siliziumblock wird vorzugsweise dadurch begünstigt, dass der Silizium-Einkristall-Keim 12 vor dem Beginn des Erstarrungsvorgangs an seiner Keimfläche 13 angeschmolzen wird.
3 zeigt einen Siliziumblock 14, der auf dem in 2 dargestellten Silizium-Einkristall-Keim 12 mit der in 1 dargestellten Vorrichtung 1 erzeugt wurde. Der Siliziumblock 14 zeichnet sich durch eine im Wesentlichen defektarmen Kristallstruktur aus, die sich durch das Aufwachsen auf der {110}-Keimfläche 13 des Silizium-Einkristall-Keims 12 ergibt. Das Wachstum auf der {110}-Keimfläche 13 erfolgt im Wesentlichen versetzungsfrei, wobei die [110]-Wachstumsrichtung dafür sorgt, dass sich bildende Kristallfehler sich nicht ausbreiten. Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Siliziumblock besitzt dabei eine hohe Kristallqualität und weist zu mehr als 70% eine monokristalline Struktur auf.
Zur Silizium-Wafer-Herstellung wird der Siliziumblock 14 dann zerteilt, vorzugsweise mit dem bekannten Drahtsägeverfahren. Dabei besteht auch die Möglichkeit, den Silizium-Einkristall-Keim 12 nach dem Abtrennen vom Siliziumblock 14 wieder zu verwenden. Auch können aus dem Siliziumblock 14 selbst weitere Silizium-Einkristall-Keime, z. B. durch Abtrennen des Kappen- oder Bodenabschnitts, erzeugt werden.
Der Siliziumblock 14 wird vorzugsweise in quaderförmige Säulen 15 zersägt, wobei die Silizium-Säulen z. B. eine Fläche von 15,6 × 15,6 cm² aufweisen. Zur Herstellung der Siliziumsäulen 15 wird der Siliziumblock 14, wie in 3 gezeigt, senkrecht zur {100}-Siliziumblockfläche unterteilt. Die Längsachse der Siliziumsäulen verläuft dann parallel zur Bodenfläche des Tiegels und zur Wachstumsfläche des Einkristall-Keimes. Es bilden sich sogenannte liegende Säulen.
Die Silizium-Wafer 16 wiederum werden aus den einzelnen Siliziumsäulen 15 durch Zerteilen parallel zur {100}-Säulenfläche erzeugt. Die Dicke der Silizium-Wafer 16 wird dabei je nach späterem Einsatz bzw. Aufbau der daraus herzustellenden Siliziumzelle festgelegt. Die Silizium-Wafer besitzen dabei die Kristallqualität des Siliziumblocks, d. h. mehr als 70% der Waferfläche mit der [100]-Kristallorientierung besitzt eine monokristalline Struktur.
Ferner besteht auch die Möglichkeit aus einem Bereich mittlerer Höhe des Siliziumblockes 14 eine oder mehrere Lagen sogenannter liegender Säulen herauszuschneiden und der verbleibende oberen und/oder untere Bereich des Siliziumblockes 14 so in Siliziumsäulen zu unterteilen, dass deren Längsachse senkrecht zur Bodenfläche des Tiegels und zur Wachstumsfläche des Einkristall-Keimes verläuft.
Beim Wachstum des Siliziumblocks 14 mit der in 1 gezeigten Vorrichtung 1 können sich durch das gesteuerte Kristallisieren des Reinstsiliziums im Siliziumblock 14 unterschiedliche Verteilungen in Bezug auf die Kohlenstoff- oder Sauerstoffkonzentration ergeben. Dies betrifft auch die Leitfähigkeit des Siliziums, die im Siliziumblock 14 unterschiedlich sein kann. Die Kohlenstoff- oder Sauerstoffkonzentration bzw. die Leitfähigkeit variiert dabei in Siliziumblock-Wachstumsrichtung, also in Richtung der <100>-Kristallorientierung. Der Gradient der Kohlen- oder Sauerstoffkonzentration bzw. der Leitfähigkeit zeigt sich dann auch auf dem Silizium-Wafer auf seiner Waferoberfläche mit der {100}-Kristallorientierung.
Zur Weiterverarbeitung der Silizium-Wafer 16 zu Solarzellen durchlaufen die Silizium-Wafer chemische Bäder, um die Sägeschäden zu beheben. Hierbei werden in der Regel nasschemische Verfahren, vorzugsweise unter Verwendung von Laugen, eingesetzt. Verbunden mit dem Entfernen der Sägeschäden wird die {100}-Silizium-Waferfläche zusätzlich mit einer Strukturierung, der sogenannten Textur, versehen. Die Textur der Waferfläche sorgt für eine verbesserte Lichteinkopplung aufgrund verringerter Reflexionsverluste und damit für eine Steigerung des Solarzellen-Wirkungsgrads. Die Texturierung wird dabei durch nass- oder trockenchemische Ätzverfahren, vorzugsweise eine alkalische Monotextur, bewirkt, wobei auf der Waferfläche vorzugsweise, wie in 4 in einem Ausschnitt gezeigt ist, eine Pyramidenstruktur 17 erzeugt wird. Die Kanten der Grundfläche der pyramidenförmigen Erhebungen 17 verlaufen dabei parallel zu den Außenkanten der Waferfläche des Silizium-Wafers 16.
5 zeigt die weitere Ausbildung des Silizium-Wafers 16 zur Silizium-Solarzelle. Nach dem Herstellen der Textur wird ein Hochtemperaturschritt ausgeführt, bei dem ein p/n-Übergang 18 durch Dotierung, vorzugsweise durch Phosphordiffusion, im Silizium-Wafer 16 erzeugt wird. Anschließend wird die Silizium-Waferfläche vergütet, vorzugsweise durch Aufbringen einer Antireflexionsschicht 19. Zur Fertigstellung der Silizium-Solarzelle werden dann noch Vorder- und Rückseitenkontakte 20, 21 vorzugsweise durch ein Siebdruckverfahren auf dem Silizium-Wafer 16 aufgebracht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007035756 A1 [0004, 0027]
DE 102007035756 [0005]
DE 102005037393 A1 [0008]

Claims

Verfahren zum Herstellen von Silizium-Wafern umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Silizium-Einkristall-Keims im Bodenbereich eines Tiegels, wobei der Silizium-Einkristall-Keim eine Keimfläche mit einer {110}-Kristallorientierung senkrecht zum Bodenbereich des Tiegels und eine Kantenfläche mit einer {100}-Kristallorientierung parallel zu einer Seitenfläche des Tiegels besitzt; – Aufschmelzen von Reinstsilizium und Bereitstellen im Tiegel; – Erstarren des flüssigen Reinstsiliziums ausgehend vom Bodenbereich des Tiegels auf der Keimfläche des Silizium-Einkristall-Keims, wobei der sich bildende Siliziumblock die {110}-Kristallorientirung weitgehend übernimmt; und – Zerteilen des Siliziumblocks in Wafer derart, dass eine Waferfläche eine {100}-Kristallorientierung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mehr als 70% der Waferfläche mit der {100}-Kristallorientierung eine monokristalline Struktur aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Silizium-Einkristall-Keim aus einer Einkristall-Siliziumsäule hergestellt wird, dessen Säulenachse eine [100]-Raumorientierung aufweist, wobei die Einkristall-Siliziumsäule zum Ausbilden der Keimfläche des Silizium-Einkristall-Keims mit der {110}-Kristallorientierung und der Kantenfläche des Silizium-Einkristall-Keims mit der {100}-Kristallorientierung aufgeschnitten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich der Silizium-Einkristall-Keim aus mehreren Teilen zusammensetzt, die den Bodenbereich des Tiegels nahezu vollflächig und in gleicher Kristallorientierungsrichtung bedecken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Siliziumblock vor dem Zerteilen in Wafer in rechteckige Siliziumsäulen derart unterteilt wird, dass die Säulenachse parallel zur Keimfläche des Silizium-Einkristall-Keims verläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Waferfläche mit der {100}-Kristallorientierung mit einer alkalischen Ätzlösung texturgeätzt wird.
Silizium-Wafer, hergestellt mit einem Verfahren nach Anspruch 6, wobei die geätzte Waferfläche mit der {100}-Kristallorientierung pyramidenförmige Erhebungen aufweist, wobei die Kanten der Grundfläche der pyramidenförmigen Erhebungen parallel zu den Außenkanten der Waferfläche verlaufen.
Silizium-Wafer, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Wafer über die Waferfläche mit der {100}-Kristallorientierung hinweg einen Gradienten der Kohlenstoff- oder Sauerstoff-Konzentration im Silizium oder einen Gradienten der Leitfähigkeit aufweist.
Silizium-Wafer, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zwei gegenüberliegende Waferkanten in der Waferebene parallel zur [110]-Kristallrichtung und die beiden anderen parallel zur [100]-Kristallrichtung verlaufen.
Silizium-Solarzelle mit einem Silizium-Wafer nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei zwischen der Waferfläche mit der {100}-Kristallorientierung und der Waferrückfläche ein p/n-Übergang ausgeführt ist, wobei die Waferfläche mit der {100}-Kristallorientierung eine Beschichtung aufweist und wobei zumindest die Waferrückfläche mit Kontakten versehen sind.