DE102013018129A1

DE102013018129A1 - Verfahren zur Herstellung von rotationssymmetrischen Hohlkörpern mit photoelektrischen Eigenschaften

Info

Publication number: DE102013018129A1
Application number: DE102013018129.1A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2015-05-28

Abstract

In der Photovoltaikindustrie werden Siliziumblöcke in feine Scheiben geschnitten, aus welchen sodann Solarzellen hergestellt werden. Der Nachteil dieser Fertigungstechnik besteht in einem beträchtlichen Materialverlust durch das Sägen, durch unbrauchbare Abschnitte und durch das abätzende Reinigen. Auch wenn dünnere Scheiben technisch herstellbar sind, führen dünne Scheiben sehr schnell zu Bruch in den weiteren Verarbeitungsschritten. Die offen gelegte Erfindung ermöglicht die Herstellung sehr dünner Hohlkörper welche wegen ihrer Axialsymmetrie einen Freiheitsgrad weniger haben und somit weniger schnell Verbrechen können. Das Herstellungsverfahren dieser rotationssymmetrischen Hohlkörper ermöglicht den Aufbau einer hochwertigen photo-elektrisch aktiven Schicht auf ein vorhergehend hergestelltes rotationssymmetrisches Hohlkörpersubstrat oder den Aufbau eines selbsttragenden rotationssymmetrischen Hohlkörpers als Substrat und photo-elektrisches Element in einem. Die Rotationssymmetrie führt zu einer besseren mechanischen Stabilität im Vergleich zu sehr dünnen Scheiben und zu keinem Materialverlust, da das Ausgangsmaterial mittels bekannter Beschichtungsverfahren aufgebaut wird. Ein rotationssymmetrischer Hohlkörper kann als Zylinder oder Rohr oder Polygon ausgeformt sein und funktional fertig oder halbfertig weiter Verarbeitet werden.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung beschreibt die Herstellung von photoelektrisch nutzbaren Hohlkörpern welche unmittelbar nach entsprechender Weiterverarbeitung zur Energieumwandlung von Lichtstrahlung in elektrische Energie wie sie typischerweise in der Solarindustrie oder der Sensorindustrie eingesetzt werden können.
Einleitung
Wie in der Halbleiterindustrie zur Herstellung von Integrierten Schaltkreisen wird auch in der Photovoltaikindustrie der Ausgangsrohstoff Silizium zuerst in Blöcke gegossenen und sodann in dünne Scheiben geschnitten. Solche ,Wafer' genannten typischerweise 0.1–0.2 mm dünnen Scheiben werden verarbeitet, so dass mittels des photovoltaischen Effektes Licht in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Bemerkenswert ist, dass für dieser photovoltaische Effekt auch mit weit weniger Siliziummaterial erzielt werden kann, die obige Dicke des Wafers ist jedoch nötig, um Bruch bei der Verarbeitung möglichst zu verhindern. Im Gegensatz zum geschilderten Wafer-basierten Herstellungsprozess wird in der Dünnschichtphotovoltaik ein Trägermaterial mit photo-elektrisch aktivem Material beschichtet. Der Vorteil der Dünnschicht Photovoltaik liegt im geringen Materialverbrauch da Schichtdicken von typischerweise 0.001–0.002 mm für den Zweck ausreichen. Ein weiterer Vorteil ist die Verwendung von Trägermaterialien wie Glas, Metallfolien oder Plastikfolien. Als Nachteil der Dünnschichtphotovoltaik gilt bisweilen der niedrigere energetische Wirkungsgrad im Vergleich zur wafer-basierten Photovoltaik.
Da die Photovoltaikindustrie ein anhaltendes Wachstum von jährlich 30% verzeichnet, stehen die zwei genannten etablierten Herstellungsverfahren unter Druck, die Produktionskosten weiter zu senken und den energetischen Wirkungsgrad weiter zu steigern.
Die hier offengelegte Erfindung soll einen Beitrag leisten, dem Kostendruck mittels effizienteren Produktionsverfahren Folge zu leisten. Sie ermöglicht, unter mindestens gleichbleibender Qualität eine wesentlich günstigere Herstellung.
Stand der Technik
Aus dem Bereich der Glasverarbeitung ist bekannt, wie aus Quarz-Granulat ein rotationssymmetrischer Hohlkörper hergestellt werden kann ( DE 102009032297 A1 ) wie zum Beispiel in Chemielabors zum Aufnehmen von Stoffen in fester, flüssiger oder gasförmig Form. Weiter ist bekannt, dass sich rotationssymmetrische Hohlkörper zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen eignen ( US 11/378835 ). In einer Ausprägung der hier offen gelegten Erfindung dient der Herstellungsprozess für solche umgangssprachlich Glasrohre genannten rotationssymmetrische Hohlkörper als Grundlage zur Herstellung photoelektrisch aktiver Elemente zur Energieumwandlung von Licht in Elektrizität. Der im Pantentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Materialverbrauch der waferbasierten Solarzellenherstellung zu reduzieren ohne jedoch an energetischem Wirkungsgrad wie bei der Dünnschichtphotovoltaik einbüßen zu müssen.
Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass kein Materialverlust durch Sägen entsteht, dass der Aufbau eines rotationssymmetrischen Hohlkörpers mechanische Stabilität bei der Verarbeitung zu Solarzellen einbringt, weil ein Bewegungsfreiheitsgrad der dünnen Scheibe durch die rotationssymmetrische Form entfällt und dass ein Schichtsystem mit dem Verfahren aufgebaut werden kann. Es ist somit möglich, dünnere Schichten als dies bisher in der wafer-basierten Photovoltaikindustrie möglich gewesen wäre zu photo-elektrischen Elementen zu verarbeiten.
In Anlehnung an die Offenlegung zum Herstellungsverfahren von Kieselglashohlkörpern ( DD 000000236084 A1 von 1986) wird hier dieses Verfahren angewendet zur Herstellung von Hohlkörpern, welche eine Energieumwandlung, z. B. von Lichtenergie in elektrische Energie erlauben. Solche Hohlkörper können beispielsweise für Solarzellen oder Sensoren verwendet werden. Das Herstellungsverfahren erlaubt den Aufbau von selbsttragenden Hohlkörpern als Substrat oder den Aufbau auf ein vorhergehend hergestelltes Substrat. Nach abgeschlossenem Aufbau nach beider Ausprägungen entsteht ein fertiges oder halbfertiges, einschichtiges oder mehrschichtiges photoelektrisch aktives Element welches nach Bedarf noch weiter Verarbeitet werden muss.
Der Materialauftrag, also der Übergang vom Ausgangsmaterial in die gewünschte Schicht, findet nach bekannten Methoden der Beschichtungstechnologie statt, also zum Beispiel mittels Pulverisierungs-, Glimmentladungs- oder chemische Gasphasenabscheidung wobei auch eine Dotierung eingebracht werden kann. Bekannterweise finden solche Prozesse in einem weiten Bereich von Arbeitsbedingungen wie Gasdruck (vom Vakuum bis zu und über atmosphärischem Druck), Temperatur etc statt.
Aufzählung der Zeichnungen
: Rotierender Hohlkörper mit axialer Wärmezufuhr.
Bezugszeichenliste

1: Rotationssymetrischer Holkörper
2: achsiale Wärmezufuhr
3: Innenseite des Holkörpers, an dem sich die Schicht abscheidet
4: optionale Segmentierung der Schicht durch Trennstreifen
5: Materialzufuhr

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

DE 102009032297 A1 [0005]
US 11/378835 [0005]
DD 000000236084 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung von rotationssymmetrischen Hohlkörpern welche zu photoelektrisch oder elektronisch aktiven Schichten durch ein Rotationsverfahren bei dem eine oder mehrere Schichten auf der Innenseite eines rotierenden Körper (1) direkt oder auf ein zusätzlich eingebrachtes oder hergestelltes Substrat aufgebracht werden dort unter Anwendung von axial von innen gegen außen angewandter Plasma-, Lichtbogen- bzw. Wirbelstromheizung (2) und Aufgrund von Zentrifugalkräften von innen nach außen eine in ihrer Dicke definierten Schicht (3) aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstoff in fester Form eingebracht (5) oder in einer anderen Anwendung geschmolzen wird und flüssig oder durch Pulverisierungs-, Glimmentladungs- oder Chemische Gasphasenabscheidung hergestellt wird und in einem sorgfältig gewählten Bereich von Temperatur, Druck, Rotationsgeschwindigkeit und Prozessdauer, so dass ein Hohlkörper entsteht und schon in dieser Form als photoelektrisches Bauteil verarbeitet werden kann oder in einer anderen Ausprägung für die Weiterverarbeitung segmentiert (4) wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Rotationskörper gleichzeitig als Substrat dient und somit selbsttragend ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Rotationskörper auf ein Substrat aufgebaut wird und somit nicht selbsttragend ist.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, bei dem die entstehende Schicht aus einem oder mehreren verschiedenen Materialien besteht.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, bei dem die entstehende Schicht aus einem oder mehreren verschiedenen Kristallisationszuständen bestehen.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, bei dem die entstehende Schicht zur Erweiterung der Materialeigenschaften während der Herstellung oder in unmittelbarem Anschluss an die Herstellung dotiert wird.
Verfahren nach Punkten 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der entstehende rotationssymmetrische Hohlkörper typischerweise aber nicht ausschließlich eine Schichtstärke aufweist grösser als 10 nm und kleiner als 300 μm.