DE102012218229A1

DE102012218229A1 - Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Einkristall-Keims und eines Silizium-Wafers, Silizium-Wafer und Silizium-Solarzelle

Info

Publication number: DE102012218229A1
Application number: DE102012218229.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Krause; Juliane WALTER; Lamine Sylla
Original assignee: SolarWorld Innovations GmbH
Current assignee: Meyer Burger Germany GmbH
Priority date: 2012-10-05
Filing date: 2012-10-05
Publication date: 2014-04-10
Anticipated expiration: 2032-10-06
Also published as: MY168105A; TWI535898B; US9447516B2; SG2013064795A; DE102012218229B4; CN103710744A; US20140096822A1; TW201414886A

Abstract

Im Rahmen einer Silizium-Wafer-Fertigung, bei der ein Silizium-Einkristall-Keim im Bodenbereich eines Tiegels angeordnet wird, wobei der Silizium-Einkristall-Keim eine Keimfläche mit einer {110}-Kristallorientierung senkrecht zum Bodenbereich des Tiegels besitzt, bei der das flüssiges Reinstsilizium ausgehend von der Keimfläche des Silizium-Einkristall-Keims erstarrt wird, und bei der der Siliziumblock in Silizium-Wafer derart zerteilt wird, dass eine Waferfläche eine {100}-Kristallorientierung aufweist, wobei der Silizium-Einkristall-Keim aus einer Silizium-Einkristall-Säule hergestellt wird, deren Säulenachse eine [110]-Raumorientierung aufweist, wobei die Silizium-Einkristall-Säule zum Ausbilden der Keimfläche des Silizium-Einkristall-Keims mit der {110}-Kristallorientierung parallel zur Säulenachse aufgeschnitten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Einkristall-Keims und eines Silizium-Wafers, einen Silizium-Wafer und eine Silizium-Solarzelle.
Solarzellen werden in der Regel aus Silizium gefertigt, wobei sowohl monokristalline als auch polykristalline Siliziumscheiben zur Solarzellenfertigung verwendet werden. Monokristalline Siliziumzellen weisen gegenüber polykristallinen Siliziumzellen einen wesentlich höheren Wirkungsgrad auf, sind jedoch in der Erzeugung energieaufwändiger und verhältnismäßig teuer. Bei der Herstellung von monokristallinen Siliziumscheiben werden zuerst Kristalle aus Reinstsilizium erzeugt, die dann in dünne Scheiben, auch Wafer genannt, in der Regel mit Hilfe eines Drahtsägeverfahrens zerteilt werden. Standardverfahren bei der Herstellung monokristalliner Silizium-Wafer ist das Czochralski-Verfahren, bei dem zylinderförmige Stäbe gezogen werden, die dann in pseudoquadratische Wafer d.h. quadratische Wafer mit abgerundeten Ecken zersägt werden. Ein weiteres bekanntes Verfahren zum Herstellen monokristalliner Silizium-Wafer ist das Zonenschmelzverfahren, das jedoch zu ähnlich hohen Herstellungskosten wie das Czochralski-Verfahren führt.
Ein kostengünstigeres Verfahren zum Erzeugen großvolumiger, im Wesentlichen monokristalliner Siliziumblöcke ist das Vertikal-Bridgman-Verfahren bzw. das Vertikal-Gradient-Freeze-Verfahren. 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 der Erstarrungsvorgang vom Tiegelboden ausgehend erfolgt. Mit diesem Verfahren lassen sich Siliziumblöcke mit Kantenlängen über 70 cm und Höhen über 30 cm erzeugen. Die Siliziumblöcke werden anschließend in Siliziumquader zerteilt, die wiederum in Silizium-Wafer zerlegt werden.
Wesentlich für die Erzeugung eines weitgehend monokristallinen Silizium-Blocks beim Erstarrungsvorgang ist, dass auf dem Tiegelboden ein großflächiger monokristalliner Silizium-Einkristall-Keim vorgesehen ist, der beim Erstarren der Siliziumschmelze seine Kristallorientierung an den sich bildenden Siliziumblock weitervererbt. Eine solche Vorgehensweise wird unter anderem in der US 2010/0192838 A1 vorgeschlagen. Bei der Kristallisation der Siliziumschmelze weist die Wachstumsoberfläche eine nach den Millerschen Indizes mit {100}gekennzeichnete Kristallorientierung auf, wobei im Weiteren die kristallografische Orientierung einer Fläche mit {xyz} und einer Richtung mit [xyz] angegeben wird.
Die Kristallisation auf dieser Wachstumsoberfläche wird bevorzugt, weil sich auf einer {100}-Kristalloberfläche dann eine Strukturierung, eine sogenannte alkalische Texturierung, ausführen lässt. Hierbei bilden sich mikroskopische Pyramiden aus, die zu einer signifikanten Wirkungsgradsteigerung bei Solarzellen aufgrund einer verbesserten Lichteinkopplung führen. Ein Kristallwachstum mit einer [100]-Wachstumsrichtung ist jedoch sehr anfällig für die Bildung von Defekten, insbesondere von Versetzungsclustern. Diese Versetzungscluster bilden sehr wirksame Rekombinationszentren für freie Ladungsträger, was zu einer deutlichen Begrenzung deren Diffusionslänge und somit des Wirkungsgrades der Silizium-Solarzelle führt.
In der DE 10 2010 029 741 A1 wird deshalb vorgeschlagen, anstelle eines Kristallwachstums in [100]-Richtung ein Kristallwachstum in [110]-Richtung auszuführen. Im Bodenbereich des Tiegels wird deshalb ein Silizium-Einkristall-Keim mit einer [110]-Kristallorientierung senkrecht zum Tiegelboden angeordnet, die dann dem erstarrenden Reinstsilizium seine Kristallorientierung weitervererbt. Um gleichzeitig eine texturierbare {100}-Waferoberfläche bereitzustellen, weist der Silizium-Einkristall-Keim eine Seitenfläche mit einer {100}-Kristallorientierung parallel zu einer Seitenfläche des Tiegels auf. Der erstarrte Siliziumblock wird anschließend in liegende Siliziumquader zerteilt und dann quer zur Quaderachse in Silizium-Wafer zersägt, so dass sich wiederum eine {100}-Waferoberfläche ergibt.
Der Silizium-Einkristall-Keim, der für das gerichtete Erstarren des Siliziumblocks sorgt, wird in konventioneller Weise mit Hilfe des Czochralski- bzw. Zonenschmelzverfahrens hergestellt. Bei diesen Verfahren werden monokristalline Siliziumsäulen mit einer [100]-Kristallorientierung der Säulenachse erzeugt. Da sich bei den vorgenannten Verfahren maximal ein Säulendurchmesser von ca. 40 cm erzeugen lässt, wird, um den Bodenbereich des Tiegels vollständig bedecken zu können, der Silizium-Einkristall-Keim aus mehreren Teilen zusammengesetzt.
Im Falle des in der DE 10 2010 029 741 A1 beschriebenen Kristallzüchtungsverfahrens, bei dem eine Keimfläche mit einer {110}-Kristallorientierung und eine Seitenfläche mit einer {100}-Orientierung benötigt wird, wird die mit Hilfe des Czochralski- bzw. Zonenschmelzverfahrens erzeugte Silizium-Einkristall-Säule zur Keimherstellung so in Bahnen zerteilt, dass die Keimfläche dieser Bahnen {110}-orientiert ist. Die Breite der so erzeugten Keime kann naturgemäß nicht größer als der Säulendurchmesser sein. Somit müssen zur vollständigen Bedeckung des Bodens mehrere Keimstücke nebeneinander gelegt werden.
Beim Erstarren des Reinstsiliziums im Tiegel kommt es aber im Bereich der Kanten zwischen den einzelnen Teilen des Silizium-Einkristall-Keims zu Störungen im Kristallwachstum, so dass sich hier multikristalline Bereiche ausbilden. Damit die Bereiche multikristallinen Wachstums beim erstarrten Siliziumblock möglichst im Bereich der Sägespalten liegen, mit denen der erstarrte Siliziumblock dann in rechteckige Siliziumquader unterteilt wird, werden die Keimteile vorzugsweise entsprechend der Quaderbreite dimensioniert. Die aus der mittels Czochralski- bzw. Zonenschmelzverfahren erzeugten Silizium-Einkristall-Säule mit einem 45° Winkel verdreht zur Säulenachse und parallel zur [100]-Kristallorientierung herausgeschnittenen Keimplatten werden deshalb vorzugsweise mit einer Breite von 157 mm, was der Standardsolarzellengröße zuzüglich Sägespalt entspricht, erzeugt, wobei sich allerdings ein erheblicher Verschnitt des sehr teuren Keimmaterials ergibt.
Ferner besteht jedoch weiter das Problem, dass sich beim Erstarrungsprozess im Tiegel auch multikristalline Bereiche insbesondere im oberen Siliziumblockbereich ausbilden, die sich seitlich über den Sägespaltbereich hinaus erstrecken. Da die Silizium-Wafer aus dem liegenden rechteckigen Siliziumquader senkrecht zur Quaderachse und damit zu den Kantenstößen der Keimplatten herausgesägt werden, besteht die Gefahr, dass dann eine Vielzahl der Silizium-Wafer multikristalline Bereiche insbesondere im Randbereich aufweisen, was den Wirkungsgrad der aus den Silizium-Wafern hergestellten Silizium-Solarzellen dann beeinträchtigt. Darüber hinaus entsteht durch die alkalische Textur ein nicht zu unterschätzender kosmetischer Effekt, da die nicht-einkristallinen Bereiche kaum texturiert werden und somit ein fleckiges Erscheinungsbild des Wafers entsteht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Einkristall-Keims bereitzustellen, mit dem sich der Nutzanteil, der aus einem monokristallinen Siliziumquader herausgesägten Silizum-Einkristall-Keimen mit einer {110}-Keimoberfläche und mit einer {100}-Orientierung einer Seitenfläche erhöhen lässt, und das zusätzlich dafür sorgt, dass der Anteil an im Wesentlichen monokristallinen Silizium-Wafern, die sich aus einem erstarrten Siliziumblock heraussägen lassen, gesteigert wird.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Einkristall-Keims nach Anspruch 1, einem Verfahren zum Herstellen von Silizium-Wafern nach Anspruch 3, einem Silizium-Wafer nach Anspruch 5 und einer Silizium-Solarzelle nach Anspruch 9 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung wird zum Herstellen eines Silizium-Einkristall-Keims für eine Silizium-Wafer-Fertigung, bei der der Silizium-Einkristall-Keim im Bodenbereich eines Tiegels angeordnet wird, wobei der Silizium-Einkristall-Keim eine Keimfläche mit einer {110}-Kristallorientierung und eine Flächennormale in [110]-Richtung senkrecht zum Bodenbereich des Tiegels und einer Seitenfläche mit einer {100}-Kristallorientierung parallel zu einer Seitenfläche des Tiegels besitzt, bei der Reinstsilizium im Tiegel aufgeschmolzen wird, bei der das flüssige Reinstsilizium ausgehend von der Keimfläche des Silizium-Einkristall-Keims erstarrt wird, wobei der sich bildende Siliziumblock die [110]-Kristallorientierung weitgehend übernimmt, und bei der der Siliziumblock in Silizium-Wafer derart zerteilt wird, dass die Waferfläche eine {100}-Kristallorientierung aufweist, der Silizium-Einkristall-Keim aus einer Silizium-Einkristall-Säule hergestellt, deren Säulenachse eine [110]-Raumorientierung aufweist, wobei die Silizium-Einkristall-Säule zum Ausbilden der Keimfläche des Silizium-Einkristall-Keims mit einer {110}-Kristallorientierung und der Seitenfläche des Silizium-Einkristall-Keims mit einer {110}-Kristallorientierung parallel zur Säulenachse aufgeschnitten wird.
Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise lassen sich optimale Silizium-Einkristall-Keimplatten für ein Tiegelerstarrungsverfahren mit einer {110}-Wachstumsoberfläche erzeugen. Ferner lässt sich der Verschnitt an Keimmaterial zum Herstellen der Keimplatten aufgrund der bereits in [110]-Richtung ausgeführten Kristallzüchtung reduzieren. Dies gilt insbesondere, wenn die teuren monokristallinen Ziehverfahren, wie das Czochralski- oder Zonenschmelzverfahren eingesetzt werden.
Gemäß der Erfindung wird zum Herstellen von Silizium-Wafern, bei denen der Silizium-Einkristall-Keim im Bodenbereich eines Tiegels angeordnet ist, wobei der Silizium-Einkristall-Keim eine Keimfläche mit einer {110}-Kristallorientierung parallel zum Bodenbereich des Tiegels und eine Kantenfläche mit einer {100}-Kristallorientierung parallel zu einer Seitenfläche des Tiegels besitzt, bei dem Reinstsilizium im Tiegel aufgeschmolzen wird, bei dem das flüssige Reinstsilizium ausgehend von der Keimfläche des Silizium-Einkristall-Keims erstarrt wird, wobei der sich bildende Siliziumblock die {110}-Kristallorientierung weitgehend übernimmt, und bei dem der Siliziumblock in Silizium-Wafer derart zerteilt wird, dass eine Waferfläche eine {100}-Kristallorientierung aufweist, der Silizium-Einkristall-Keim aus mehreren Bahnen zusammengesetzt, die aus einer Silizium-Einkristall-Säule hergestellt werden, deren Säulenachse eine [110]-Raumorientierung aufweist, wobei die Silizium-Einkristall-Säule zum Ausbilden der Keimfläche des Silizium-Einkristall-Keims mit einer {110}-Kristallorientierung und der Seitenfläche des Silizium-Einkristall-Keims mit einer {100}-Kristallorientierung parallel zur Säulenachse in Bahnen aufgeschnitten wird, wobei die Bahnen zusammengesetzt werden, um den Bodenbereich des Tiegels nahezu vollständig zu bedecken, wobei beim Zerteilen in Silizium-Wafer der im Tiegel gebildete Siliziumblock erst in rechteckige Siliziumquader, deren Quaderachse jeweils parallel zur Keimfläche des Silizium-Einkristall-Keims und senkrecht zu den Bahnen des Silizium-Einkristall-Keims verläuft, zerlegt wird und dann die Siliziumquader quer zur Quaderachse aufgeschnitten werden.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise zeichnet sich durch einen hohen Anteil an nahezu monokristallinen Silizium-Wafern nach dem Zersägen des erstarrten Siliziumblocks aus. Bei der Aufteilung des Siliziumblocks in liegende rechteckige Siliziumquader verläuft die Quaderachse senkrecht zu den Stoßflächen der Silizium-Einkristall-Keimbahnen. Dies führt wiederum dazu, dass die Silizium-Wafer, in die die Siliziumquader dann zerteilt werden, parallel zu den Stoßflächen der Keimbahnen orientiert sind. Die sich vorzugsweise im Bereich der Stoßflächen der Keimbahnen ausbildenden Wachstumsunregelmäßigkeiten beim Erstarrungsvorgang im Tiegel, die dann zu multikristallinen Bereichen im erstarrten Siliziumblock führen, werden dann beim Zerteilen des Siliziumblocks in Wafer auf einzelne Wafer konzentriert, nämlich auf die Wafer, die direkt über den Stoßflächen herausgesägt wurden, so dass der Anteil an im Wesentlichen vollständig monokristallinen Silizium-Wafern, die aus einem erstarrten Siliziumblock herausgesägt werden, gegenüber der in der DE 10 2010 029 741 A1 vorgeschlagenen Vorgehensweise deutlich ansteigt. Zugleich kann beim Erzeugen der Keimbahnen auf eine Begrenzung der Keimbahnbreiten auf die Standard-Silizium-Solarzellengröße von 157 mm verzichtet werden und somit breitere und schmalere Bahnen aus der Silizium-Einkristall-Quader zum Ausbilden der Keime geschnitten werden, wodurch sich der Verschnitt an teurem Keimmaterial zusätzlich reduzieren lässt.
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 einen Querschnitt durch eine Silizium-Einkristall-Quader zum Ausbilden eines sich aus Bahnen zusammensetzenden Silizium-Einkristall-Keims;
3 einen mit der in 1 gezeigten Vorrichtung hergestellten Siliziumblock unter Verwendung von Bahnen aus Silizium-Einkristall-Keimen im Bodenbereich, wobei der erstarrte Siliziumblock in liegende rechteckige Siliziumquader und diese wiederum in Silizium-Wafer unterteilt sind;
4 einen Silizium-Wafer mit einer texturierten Waferoberfläche; und
5 schematisch einen prinzipiellen Aufbau einer monokristallinen Silizium-Solarzelle.
Mit der in 1 schematisch gezeigten Vorrichtung 1 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 jedoch auch kleiner gewählt werden und zum Beispiel der Außenkantenlänge einer Standard-Silizium-Solarzelle von 157 mm zusätzlich der für die Solarzellen nicht verwendeten Boden- und Kappenabschnitte entsprechen.
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 setzt sich aus einem Boden 5 und vier Seitenwänden 7 zusammen. 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.
Zur Herstellung eines monokristallinen Siliziumblocks aus Reinstsilizium wird auf dem Boden 5 des Tiegels 3 ein Silizium-Einkristall-Keim 12 angeordnet. Der Silizium-Einkristall-Keim 12 wird aus einem Silizium-Einkristall-Stab hergestellt, der vorzugsweise mit dem Czochralski- bzw. dem Zonenschmelzverfahren erzeugt wird. Die Herstellung des monokristallinen Siliziumstabes erfolgt dabei aus einer Siliziumschmelze, in die ein als Kristallisationskeim dienender Impfkristall eingetaucht wird. Durch langsames kontrolliertes Heben unter Rotation bildet sich dann eine monokristalline Siliziumsäule mit einem Durchmesser von bis zu ca. 30cm und einer Höhe bis zu 2 m aus. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine mit dem Czochralski-Verfahren erzeugte Siliziumsäule.
Zum Herstellen eines monokristallinen Siliziumblocks wird, wie in 1 gezeigt ist, der Tiegel 3 mit dem den Boden 5 bedeckenden Silizium-Einkristall-Keim 12 mit flüssigem Reinstsilizium 2 über die Tiegelöffnung 8 befüllt. Anstatt flüssigem Reinstsilizium 2 kann auch pulverförmiges, granulatförmiges oder stückiges Silizium verwendet werden, das dann mit den Heizelementen 9 am Tiegel aufgeschmolzen wird. Anschließend wird der Silizium-Einkristall-Keim 12 auf dem Boden 5 des Tiegels 3 an einer Keimfläche 13 angeschmolzen. Mit einer entsprechenden Temperaturführung mit Hilfe der Heizelemente 9 bzw. Kühlelemente 10 wird dann das flüssige Reinstsilizium 2 auf dem Silizium-Einkristall-Keim 12 erstarrt. Der Erstarrungsvorgang erfolgt dabei ausgehend von der Keimfläche 13 des Silizium-Einkristall-Keims 12 nach oben, wobei die Keimfläche des Silizium-Einkristall-Keims seine Kristallorientierung an den aufwachsenden Siliziumblock weitervererbt.
Der Silizium-Einkristall-Keim 12 ist so ausgestaltet, dass die Keimfläche 13 eine {110}-Kristallorientierung und eine Flächennormale in [110]-Richtung senkrecht zum Boden 5 des Tiegels 3 aufweist. Ferner besitzt der Silizium-Einkristall- Keim 12 eine Seitenfläche mit einer {100}-Kristallorientierung parallel zu einer Seitenfläche 7 des Tiegels 3. Aufgrund dieser Auslegung des Silizium-Einkristall-Keims erfolgt das Kristallwachstum des Siliziumblocks auf dem Silizium-Einkristall-Keim auf einer {110}-Wachstumsfläche, die wenig anfällig für die Bildung von Versetzungen ist, wodurch sich eine hohe Kristallqualität im erstarrten Siliziumblock ergibt. Die {100}-Seitenfläche des Silizium-Einkristall-Keims sorgt ferner dafür, dass der auf dem Silizium-Einkristall-Keim 12 erstarrende Siliziumblock ebenfalls eine solche {100}-Oberfläche ausbildet, die sich dann nach der Unterteilung des Siliziumblocks in Silizium-Wafer effektiv alkalisch texturieren lässt.
3 zeigt einen Siliziumblock 14, der mit der in 1 dargestellten Vorrichtung 1 erzeugt wurde und der eine Wachstumsoberfläche mit einer {110}-Kristallorientierung und einer Seitenfläche mit einer {100}-Kristallorientierung aufweist. Der Siliziumblock 14 hat dabei eine Breite von 78,5 cm und eine Höhe von 31,4 cm. Er kann jedoch auch in einer anderen Blockgröße gewachsen werden. Der Siliziumblock 14 wird beim Herstellen der Silizium-Wafer vorzugsweise in quadratische Quader 15 zersägt, wobei die Quader 15 vorzugsweise eine Fläche von 156 × 156 mm² aufweisen, was der Standard-Silizium-Solarzellen-Größe entspricht. Bei der Herstellung der Siliziumquader 15 wird der Siliziumblock 14, wie in 3 gezeigt, senkrecht zur {110}-Wachstumsoberfläche und senkrecht zur {100}-Seitenfläche des Siliziumblocks unterteilt. Dabei wird so vorzugsweise so vorgegangen, dass ein erster Schnitt senkrecht zur {110}-Wachstumsoberfläche und parallel zur {110}-Seitenfläche des Siliziumblocks 14 und ein zweiter Schnitt senkrecht zur {100}-Seitenfläche und senkrecht zur {110}-Seitenfläche des Siliziumblocks 14 ausgeführt wird. Bei dem in 3 gezeigten Siliziumblock 14 werden so zwei übereinander liegende Reihen von jeweils fünf Silizium-Einkristall-Quader 15 erzeugt.
Wie vorstehend erläutert, wird der Silizium-Einkristall-Keim aus monokristallinem, mit dem Czochralski- bzw. Zonenschmelzverfahren erzeugten Siliziumstäben mit hoher Reinheit und perfekter Kristallstruktur herausgesägt. Aufgrund des begrenzten Quaderdurchmessers ist zur Ausbildung eines den Boden 5 des Tiegels 3 vollständig bedeckenden Silizium-Einkristall-Keims notwendig, diesen aus mehreren Teilen zusammenzusetzen. Der Silizium-Einkristall-Keim 12 weist dabei eine Dicke von einem bzw. mehreren Zentimetern, vorzugsweise 2 cm, auf, wobei die Keimoberfläche eine {110}-Kristallorientierung parallel zur Bodenfläche des Tiegels aufweisen muss. Zugleich muss gewährleistet sein, dass eine Seitenfläche des Silizium-Einkristall-Keims bzw. der einzelnen Teile eine {100}-Kristallorientierung besitzt.
Um solche Silizium-Einkristall-Keime zu erzeugen, wird die mit dem Czochralski- bzw. Zonenschmelzverfahren hergestellte monokristalline Siliziumsäule mit einer Säulenachse, die eine [100]-Raumorientierung aufweist, ausgebildet. Zum Erzeugen der Silizium-Einkristall-Keime wird dann, wie in 2 gezeigt, die Silizium-Einkristall-Säule parallel zur Säulenachse in Bahnen aufgeschnitten, wobei die einzelnen Bahnen eine Dicke entsprechend der gewünschten Silizium-Einkristall-Keimdicke von einem bis mehreren Zentimeter, vorzugsweise 2 cm, aufweisen. Die einzelnen Bahnen weisen, wie 2 weiter zeigt, eine Oberfläche mit einer {110}-Kristallorientierung auf, die als Keimfläche dient, und eine Längsseitenfläche mit einer {100}-Kristallorientierung auf.
Wie dann in 3 gezeigt ist, werden zum Erzeugen des Siliziumblocks 14 die aus der Silizium-Einkristall-Säule herausgeschnittenen Bahnen des Silizium-Einkristall-Keims 12 auf dem Boden 5 des Tiegels 3 so ausgelegt, dass der Tiegelboden nahezu vollständig bedeckt ist, wobei sich die Bahnen-Längsseitenfläche mit einer {100}-Kristallorientierung entlang einer Tiegelseite erstreckt. Wie in 3 weiter dargestellt ist, wird der erstarrte Siliziumblock 14 in die liegenden rechteckigen Siliziumquader 15 so zerlegt, dass die Quaderachsen senkrecht zu den Bahnen des Silizium-Einkristall-Keims 12 verlaufen. Die Silizium-Wafer 16 werden dann wiederum aus den einzelnen rechteckigen Siliziumquader 15 durch Zersägen parallel zur {100}-Quaderoberfläche erzeugt. Die Dicke der Silizium-Wafer 16 wird dabei entsprechend dem gewünschten Einsatz bzw. dem Aufbau der daraus herzustellenden Silizium-Solarzelle festgelegt.
Mit der gewählten Ausgestaltung der Silizium-Einkristall-Keime in Form von Bahnen, die den Tiegelboden quer zur {100}-Seitenfläche bedecken, wird erreicht, dass beim Zerteilen der liegenden rechteckigen Siliziumquader 15 des Siliziumblocks 14 nur eine geringe Anzahl von Wafern hergestellt werden, die sich in dem Bereich über den Stoßflächen zwischen den Bahnen des Silizium-Einkristall-Keims befinden. Beim Erstarrungsprozess des Siliziumblocks besteht insbesondere in Bereichen über den Stoßflächen die Gefahr eines Ausbildens von multikristallinen Abschnitten im Siliziumblock, die dann in den Solarzellen, die aus den aus dem Siliziumblock ausgesägten Silizium-Wafern gefertigt werden, zu einem verringerten Wirkungsgrad und optischen Fehlern führen. Mit der vorstehenden Vorgehensweise werden solche Silizium-Wafer mit multikristallinen Bereichen, die sich im Bereich der Stoßflächen zwischen den Bahnen der Silizium-Einkristall-Keims bilden, von den übrigen, nahezu perfekt monokristallinen Silizium-Solarzellen getrennt.
Die Erzeugung des Silizium-Einkristall-Keims 12 aus mehreren Bahnen, die aus einer Siliziumsäule, deren Säulenachse mit einer [110]-Raumorientierung gewachsen wurde, herausgesägt werden, hat zudem den Vorteil, dass, wie in 2 gezeigt ist, im Wesentlichen die gesamte monokristalline Siliziumsäule zur Keimbahnausbildung genutzt werden kann, wodurch ein Verschnitt des sehr teuren Keimmaterial weitgehend vermieden wird. Zugleich können durch das Aufschneiden der monokristallinen Siliziumsäule parallel zur Säulenachse Bahnen mit beliebiger Länge entsprechend der Seitenlänge des Tiegels ausgebildet werden.
Im Rahmen des Siliziumblock-Wachstums durch gesteuertes Erstarren von Reinstsilizium können unterschiedliche Kohlenstoff-, Sauerstoff- und/oder Borverteilungen erzielt werden, um z. B. die Leitfähigkeit im Siliziumblock in Wachstumsrichtung, also in Richtung einer [110]-Kristallorientierung, zu variieren. Zur Weiterverarbeitung der Silizium-Wafer 16 zu Solarzellen werden vorzugsweise chemisch in einem ersten Schritt die Sägeschäden, die sich beim Zerteilen der rechteckigen Silizium-Einkristall-Quader ergeben, beseitigt. Verbunden mit dem Entfernen der Sägeschäden wird auf der {100}-Waferoberfläche zusätzlich eine Strukturierung, eine sogenannte Texturierung, ausgeführt, die für eine verbesserte Lichteinkopplung durch Reduzieren der Rückkopplungsverluste und damit für eine Steigerung des Solarzellen-Wirkungsgrads sorgt. Die Wafer-Texturierung, die vorzugsweise mit nass- oder trockenchemischen Ätzverfahren, vorzugsweise einer alkalischen Monotextur, bewirkt wird, sorgt dann auf der Waferoberfläche, wie in 4 in einem Ausschnitt gezeigt ist, für eine Pyramidenstruktur 17. Die Kanten der Grundfläche der pyramidenförmigen Erhebungen 17 verlaufen dabei parallel zu den Außenkanten der Silizium-Waferfläche.
Im Rahmen der weiteren Ausbildung des Silizium-Wafers 16 zu einer Solarzelle werden nach dem Ausführen der Textur im Wafer ein pn-Übergang 18 durch eine Dotierung, vorzugsweise eine Phosphor-Dotierung, erzeugt. Anschließend wird dann die Silizium-Waferfläche, vorzugsweise durch Aufbringen einer Antireflexionsschicht 19, vergütet. In einem abschließendem Schritt werden dann die Vorder- und Rückseitenkontakte 20, 21 auf dem Silizium-Wafer aufgebracht, um die Silizium-Solarzelle fertig zu stellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0192838 A1 [0004]
DE 102010029741 A1 [0006, 0008, 0016]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Einkristall-Keimes für eine Silizium-Wafer-Fertigung, – bei dem der Silizium-Einkristall-Keim im Bodenbereich eines Tiegels angeordnet wird, wobei der Silizium-Einkristall-Keim eine Keimfläche mit einer {110}-Kristallorientierung parallel zum Bodenbereich des Tiegels besitzt, – bei dem flüssiges Reinstsilizium ausgehend von der Keimfläche des Silizium-Einkristall-Keims erstarrt wird, und – bei dem der Siliziumblock in Silizium-Wafer derart zerteilt wird, dass eine Waferfläche eine {100}-Kristallorientierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Silizium-Einkristall-Keim aus einer Silizium-Einkristall-Säule hergestellt wird, deren Säulenachse eine [110]-Raumorientierung aufweist, – wobei die Silizium-Einkristall-Säule zum Ausbilden der Keimfläche des Silizium-Einkristall-Keims mit der {110}-Kristallorientierung und einer Seitenfläche des Silizium-Einkristall-Keims mit der {100}-Kristallorientierung parallel zur Säulenachse aufgeschnitten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Silizium-Einkristall-Säule für den Silizium-Einkristall-Keim mittels Czochralski-Verfahren der Zonenschmelzverfahren erzeugt wird.
Verfahren zum Herstellen von Silizium-Wafern, – bei dem ein Silizium-Einkristall-Keim im Bodenbereich eines Tiegels angeordnet wird, wobei der Silizium-Einkristall-Keim eine Keimfläche mit einer {110}-Kristallorientierung parallel zum Bodenbereich des Tiegels aufweist, – bei dem flüssiges Reinstsilizium ausgehend von der Keimfläche des Silizium-Einkristall-Keims erstarrt wird, und – bei dem der Siliziumblock in Silizium-Wafer derart zerteilt wird, dass eine Waferfläche eine {100}-Kristallorientierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Silizium-Einkristall-Keim aus mehreren Bahnen zusammengesetzt wird, die aus einer Silizium-Einkristall-Säule hergestellt werden, deren Säulenachse eine [110]-Raumorientierung aufweist, – wobei die Silizium-Einkristall-Säule zum Ausbilden der Keimfläche des Silizium-Einkristall-Keims mit der {110}-Kristallorientierung und einer Seitenfläche des Silizium-Einkristall-Keims mit der {100}-Kristallorientierung parallel zur Säulenachse in die Bahnen aufgeschnitten wird, – wobei die Bahnen zusammengesetzt werden, um den Bodenbereich des Tiegels nahezu vollständig zu bedecken, – wobei beim Zerteilen in Silizium-Wafer der im Tiegel gebildete Siliziumblock erst in rechteckige Siliziumquader, deren Quaderachse jeweils parallel zur Keimfläche des Silizium-Einkristall-Keims und senkrecht zu den Bahnen des Silizium-Einkristall-Keims verläuft, zerlegt wird und dann die Siliziumquader quer zur Quaderachse aufgeschnitten werden.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei sich bei mindestens einer, vorzugsweise bei allen Bahnen die Seitenfläche mit der {100}-Kristallorientierung ungeteilt über eine Seitenlänge des Tiegelbodens (5) erstrecken.
Silizium-Wafer hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4.
Silizium-Wafer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die {100}-Waferfläche mit einer alkalischen Ätzlösung texturgeätzt wird, wobei die geätzte Waferfläche pyramidenförmige Erhebungen aufweist, wobei die Kanten der Grundfläche der pyramidenförmigen Erhebungen parallel zu den Außenkanten der Waferfläche verlaufen.
Silizium-Wafer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer über die {100}-Waferfläche hinweg einen Gradienten der Kohlenstoff-, Sauerstoff- und/oder Bor-Konzentration im Silizium aufweist.
Silizium-Wafer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer über die {100}-Waferfläche hinweg einen Gradienten der elektrischen Leitfähigkeit aufweist.
Silizium-Solarzelle mit einem Silizium-Wafer nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der {100}-Wafervorder- und -rückseite ein p/n- Übergang ausgeführt ist, wobei die {100}-Wafervorderseite eine Beschichtung aufweist und wobei zumindest die Waferrückseite mit Kontakten versehen ist.