DE102022001511A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Silizium-Schichten auf SiO2-Substraten - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Erzeugung einer Silizium-Schicht auf einem SiO2-haltigen Substrat durch Aufbringen eines Reduktionsmittels, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionswärme durch elektromagnetische Strahlung bereitgestellt wird, die von mindestens einer Schicht absorbiert wird, wobei das SiO2-haltige Substrat für die elektromagnetische Strahlung teilweise durchlässig ist.

Description

  • Überblick
  • Die Photovoltaik (PV) ist eine der zentralen Säulen einer erneuerbaren Energieversorgung. Kristalline Silizium-Solarzellen sind dabei die dominierende Zelltechnologie. Das für die Zellen benötigte Silizium wird aus Quarz und Kohle gewonnen und aufwändig gereinigt. Für einen weiteren großflächigen Ausbau der Solarenergie Bedarf es neuer, energie- und ressourceneffizienter Herstellungsverfahren.
  • Problembeschreibung
  • Das für die Zellen benötigte Silizium wird heute zunächst aus Quarzgestein und Kohle in Form von Kohle, Koks und Holzkohle in Lichtbogenöfen gewonnen. Das so gewonnene metallurgische Silizium mit einer Reinheit > 98,5% wird anschließend zu solarfähigem Silizium, umgangssprachlich als Polysilizium bezeichnet, aufbereitet. Allgemein gilt eine Reinheit von 99,9999% als untere Grenze zur Zellfertigung. Das Silizium wird dann zu Siliziumblöcken oder Einkristallen verarbeitet, aus denen dann die Silizium-Wafer gesägt werden. Dabei fallen ca. 30% des Siliziums als Sägeverschnitt an. Alternative Technologie wie bspw. Dünnschichttechnologien haben einen deutlich geringeren Wirkungsgrad und bieten keinen nennenswerten Kostenvorteil. Als Alternativen gelten derzeit Zellkonzepte aus Perowskit, deren Einsatz jedoch noch Jahre von einer großtechnischen Anwendung entfernt ist.
  • Lösungsmöglichkeiten - Silizium auf Glas
  • Dünnschichttechnologien besitzen im Vergleich zu klassischen Dickschichttechnologien einen Energie- und Ressourcenvorteil in der Herstellung. Ein neuartiger Lösungsansatz wird in der Patentanmeldung DE 10 2016 117 182 A1 skizziert. Hier wird ein SiO2-haltiges Substrat in Kontakt mit Aluminium gebracht und unter Druck erwärmt, so dass sich durch aluminothermische Reduktion eine Siliziumschicht an der Kontaktstelle zwischen den beiden Materialien bildet. Die beiden Prozessparameter Druck und Temperatur bestimmen dabei wesentlich die Prozesskosten. Eine Verbesserung ist daher eine effiziente Beheizung des Verfahrens sowie eine gleichmäßige Aufbringung des Drucks. Die Lösung ist der Einsatz von elektromagnetischer Strahlung in Form von UV-, IR-, Mikrowellenstrahlung, Induktion oder auch gebündeltem Sonnenlicht in einem Autoklaven.
  • Die Lösung - Aluminothermische Reduktion von SiO2-haltigen Substraten mittels UV-Lichtblitzen
  • UV-Strahlung ist eine in der Halbleiterindustrie gebräuchliche Form zur Ausheilung kristalliner Silizium-Schichten. Dabei wird UV-Strahlung von einer Schicht absorbiert und in Wärme umgewandelt. Das hier beschriebene Verfahren macht sich diesen Effekt zu Nutze und bringt die Reaktionswärme auch durch ein teil-transparentes SiO2-Substrat von der Ober- und/oder Unterseite durch Absorption am Reduktionsmittel ein. Vorteilhaft ist hierbei ein gepulster Betrieb, um kurzzeitig hohe Energie einzubringen, gleichzeitig aber auch Zeit für die Reaktion und Kristallisation zu ermöglichen. Nach erfolgreicher Absorption eignet sich der Lichtblitz zugleich zu einer Ausheilung der geschaffenen Silizium-Schicht und damit weiteren Verbesserung der Kristallinität und elektrischen Eigenschaften der Silizium-Schicht als Grundlage für den Bau von Halbleiterbauelementen insbesondere Solarzellen.
  • Weitere Vorteile
  • Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens ist die mögliche Nutzung lokal verfügbarer Rohstoffe wie bspw. Quarzsand wie er fast überall auf der Welt verfügbar ist. Dasselbe gilt für mögliche Reduktionsmittel, die aus Schrotten gewonnen werden können. Prinzipiell eigenen sich alle Metalle, die unedler als das gewünschte Silizium sind.
  • Ein weiterer wesentlicher Vorteil wird in extraterrestrischen Anwendungen gesehen. Neben auch im Weltall verfügbaren SiO2-haltigen Substratmaterialien, kann als Reduktionsmittel neben lokalen Rohstoffen auch Weltraumschrott auf Aluminiumbasis zum Einsatz kommen. Damit sind alle Rohstoffe lokal verfügbar. Ein Transport von der Erde entfällt. Das schlanke Verfahren erfordert zudem wenig maschinelle Nutzlast. Damit bietet das Verfahren eine Möglichkeit zur Fertigung von Solarzellen im Weltall, auch als In Situ Resource Utilization (ISRU) bezeichnet.
  • 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 102016117182 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Erzeugung einer Silizium-Schicht auf einem SiO2-haltigen Substrat durch Aufbringen eines Reduktionsmittels, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionswärme durch elektromagnetische Strahlung bereitgestellt wird, die von mindestens einer Schicht absorbiert wird, wobei das SiO2-haltige Substrat für die elektromagnetische Strahlung teilweise durchlässig ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von 100 nm bis 1 mm ist.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung UV-Strahlung im Wellenlängenbereich von 100 bis 800 nm ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung IR-Strahlung im Wellenlängenbereich von mehr als 750 nm ist, bevorzugt von 1000 bis 4000 nm, besonders bevorzugt von 1000 bis 2000 nm ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich von 50 Hz bis 30 MHz ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich von 1 GHz bis 300 GHz, bevorzugt zwischen 2,4 bis 2,5 GHz.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung gepulst wird, bevorzugt mit einer Pulsdauer von 0,2 bis 20 ms.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel ein unedleres Metall ist, bevorzugt Magnesium, Titan und Eisen, besonders bevorzugt Aluminium ist.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unter Überdruck durchgeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in inerter Atomsphäre, bevorzugt Stickstoff oder Argon durchgeführt wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102016117182A1 (de) 2016-09-13 2018-03-15 Technische Universität Braunschweig Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Siliziumschicht und siliziumbasiertes Halbleiterbauelement

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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