DE19839915A1 - Verfahren und Produkt zur Nutzung von Halbleiter-Kristallkörpern für Solarzellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Nutzung von kristallinen Halbleiterkörpern, die als Abfall bei der Fertigung von Halbleiterscheiben anfallen, für die Herstellung von Solarzellen.

Bei der Herstellung von Halbleiter-Einkristallen, insbesondere von Siliciumkristallen, zur Weiterverarbeitung zu Kristall-Scheiben für elektronische Bauelemente entstehen Kristallkörper, die für diese Weiterverarbeitung nicht geeignet sind. Dabei handelt es sich vor allem um Anfangs- und Endkonusse der Kristalle und um Kristallkörper mit Kristallversetzungen oder anderen Ausfallursachen. Nach heutigem Stand der Technik werden dieses Kristallkörper zur Herstellung von Kristall-Scheiben für Solarzellen zerkleinert, geschmolzen und erneut kristallisiert, vor allem weil die Kristallkörper keinen einheitlichen Durchmesser haben. Die Darstellung eines herkömmlichen Verfahrens zur Herstellung von Solarzellen und PV-Moduln enthalten die Aufsätze von Dieter Strese: "Die Ludwig-Bölkow-Studie: Solarstrom wird rentabel", bild der wissenschaft 7-1988, S. 49-56 und Uli Deker: "Wedel: Schmiede der Sonnenscheiben", bild der wissenschaft 7-1988, S. 44-48.

Die Zerkleinerung, das Schmelzen und die erneute Kristallisation sind aufwendige Vorgänge. Die Kristallkörper werden daher nur gering bewertet, obwohl sie weitgehend monokristallin sind und daher besonders hohe photovoltaische Wirkungsgrade ermöglichen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Kristallkörper ohne den Aufwand für die genannten Vorgänge mit hoher Ausbeute als hochwertiges Material für die Herstellung von Solarzellen zu nutzen. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen der Patentansprüche gegebenen Lehre gelöst.

Es wird ein Verfahren angegeben, bei dem die Kristallkörper bearbeitet und zu Kristall-Scheiben verarbeitet und die Kristall-Scheiben anschließend so zerteilt, behandelt und assembliert werden, daß photovoltaische Moduln (PV-Moduln) mit hohem photovoltaischen Wirkungsgrad und hoher Material- und Flächennutzung gewonnen werden können. Das kristalline Material wird dabei ohne erneute Kristallisation zu hochwertigem Material für Solarzellen verarbeitet, so daß eine hohe Wertsteigerung mit geringem Aufwand erzielt wird.

Die Kristallkörper werden erfindungsgemäß facettiert und anschließend zerteilt. Beim Facettieren wird der Kristallkörper symmetrisch mit Flächen (Facetten) versehen. Die Facetten sind im allgemeinen in Richtung der Mantellinie gekrümmt. In den Ebenen senkrecht zur Kristallachse wird durch die Facettierung eine weitgehend symmetrische Begrenzung mit geraden Bereichen erzeugt. Die geraden Bereiche der Begrenzung ermöglichen es, aus dem Kristallkörper durch Schnitte senkrecht zur Kristallachse Kristall-Scheiben zu erzeugen, die so begrenzt sind, daß daraus Kristall-Streifen mit zueinander passenden Begrenzungen gewonnen werden können. Außerdem wird durch die Facettierung der Einsatz von Drahtsägen ermöglicht. Die Facettierung und anschließende Verarbeitung der Kristallkörper zu Kristall-Scheiben erfolgt daher mit geringem Materialverlust. Es werden Kristall-Streifen hergestellt, die eine einheitliche Breite oder ein Vielfaches einer Nenn-Breite haben und eine hohe Nutzung des Materials ermöglichen.

Durch eine Kombination aus einer speziellen Formgebung und der Zusammenfügung zueinander passender Kristall-Streifen läßt sich erreichen, daß Photovoltaik-Moduln mit hoher Flächenausnutzung erzeugt werden können. Die Kombination ermöglicht es, Kristallkörper von nahezu beliebiger Größe und Form mit hoher Ausbeute so zu verarbeiten, daß PV-Moduln von nahezu jeder gewünschten Größe, Form, Nennspannung und Nennleistung und entstehen.

Die zu Solarzellen-Streifen verarbeiteten Kristall-Streifen können vorteilhaft mit optischen Mitteln zur Verstärkung der Sonneneinstrahlung auf die Solarzelle kombiniert werden. Die Solarzellen- Streifen können beispielsweise seitlich mit Trogspiegeln versehen werden. Weil die Streifen zu verhältnismäßig schmalen Solarzellen verarbeitet werden können, sind Trogspiegel mit geringer Tiefe einsetzbar. Es können Solarzellen-Bänder nahezu beliebiger Länge zusammengestellt werden. Somit lassen sich lange Konzentrator-Moduln mit strahlungskonzentrierendem Trogspiegel verwirklichen. Durch parallele Anordnung der Solarzellen-Bänder mit Trogspiegel erhält man Konzentrator-Moduln beliebiger Länge und Breite. Auch eine Lichtkonzentration durch Fresnel-Linsen ist in Verbindung mit den Solarzellen-Streifen in ähnlicher Weise anwendbar.

Nutzbar sind vor allem Abfallstücke von Kristallen für elektronische Bauelemente, insbesondere von Silicium-Kristallen, mit einem Durchmesser von 100 mm und größer. Die Silicium-Konusse sind meist angenähert rotationssymmetrisch, der Konusmantel ist im allgemeinen gewellt.

Der Anteil der Abfallstücke am gesamten Kristall nimmt mit wachsendem Kristall-Durchmesser zu, vor allem weil die Gesamtlänge der Kristalle nicht proportional mit dem Durchmesser wächst. Statt einer proportionalen Vergrößerung der Kristall-Länge mit dem Kristall-Durchmesser tritt eine Verkleinerung auf, wenn die Einwaagen nicht entsprechend gesteigert werden können. Außerdem bewirken Kristall-Versetzungen bei größeren Durchmessern, daß ein größerer Teil des Kristalls für die Bauelementeherstellung unbrauchbar wird, denn der versetzte Bereich des Kristalls hat angenähert eine Länge in der Größe des Durchmessers. Beim Übergang auf große Kristalldurchmesser nimmt daher der Anteil an Abfallstücken überproportional zu. Durch den Übergang auf größere Scheibendurchmesser für die Bauelementefertigung nach neuestem Stand der Technik steigt somit der Anteil an Kristallkörpern, die sich erfindungsgemäß verwenden lassen.

Die Breite der Kristall-Streifen sollte wegen des Fertigungsaufwandes möglichst groß sein, für die Nutzung der Konusse sind sehr breite Kristall-Streifen jedoch ungünstig, daher ist die Streifenbreite zu optimieren. Beispielsweise kann eine Breite von 10 mm bis 50 mm, bevorzugt 25 mm, vorteilhaft sein. Aus den Kristall-Streifen können beispielsweise PV-Moduln mit Nenn- Abmessungen von 400 mm Breite und 1 m Länge erzeugt werden. Für Solarzellen mit Strahlungskonzentration können auch Kristall-Streifen von geringerer Breite vorteilhaft sein.

Ein bevorzugter Verfahrensablauf kann mit folgenden Schritten dargestellt werden, wobei im folgenden vereinfachend die Verarbeitung von Silicium-Kristallkonussen beschrieben wird.

• a) Konus vom Siliciumkristall abtrennen, bevorzugt mit einer Bandsäge oder, bei kleinen Durchmessern, mit einer Innenlochsäge;
• b) Geometrie des Konusses erfassen;
• c) optimale Facettierung ermitteln;
• d) Facettieren der Kristallkonusse durch Schleifen, bevorzugt auf einer programmgesteuerten Außenschleifmaschine, die entsprechend c) gesteuert wird;
• e) symmetrisches Zerteilen der Kristallkonusse in der Achsebene in zwei Hälften, bevorzugt mit einer Bandsäge;
• f) Aufkitten der Konushälften an den durch e) erzeugten Schnittflächen;
• g) Herstellung der Silicium-Scheiben mit einer Drahtsäge;
• h) Entkitten und Reinigen der Silicium-Scheiben; falls zur Herstellung der Siliciumscheiben Band- oder Innenlochsägen anstelle der Drahtsägen verwendet werden; dann werden die Konusse bevorzugt an der Endfläche aufgekittet und es kann das Entkitten der Scheiben entfallen;
• i) Zerteilen der Silicium-Scheiben zu Silicium-Streifen oder Ritzen der Silicium-Scheiben für das spätere Zerbrechen entlang der Ritzlinie; nötigenfalls werden Silicium-Streifen weiter zerteilt, um später bestimmte Längen der Solarzellen-Bänder assemblieren zu können;
• j) Ätz- und Dotierprozesse für die Erzeugung von Solarzellen aus den Silicium-Streifen bzw. Silicium-Scheiben;
• k) Anbringen der Antireflexionsschicht;
• l) Brechen der Silicium-Scheiben zu Streifen, falls sie nicht bereits bei i) in Streifen zerteilt wurden;
• m) Vorder- und Rückseiten-Kontaktierung der Silicium-Streifen, womit die Verarbeitung der Silicium-Streifen zu Solarzellen-Streifen abgeschlossen ist;
• n) Assemblieren der Solarzellen-Streifen zu Solarzellen-Bändern;
• o) mechanische und elektrische Verbindung der Solarzellen-Bänder zu parallelen Bandsequenzen;
• p) Weiterverarbeitung zu PV-Moduln in bekannter Weise.

Der geschilderte Prozeßfluß ist nicht als Einschränkung der Lehre der Erfindung zu verstehen. Abweichungen in der Reihenfolge und andere Prozeßschritte können vorteilhaft sein, beispielsweise kann ein erstes Assemblieren der Streifen vor dem Ätzprozeß erfolgen.

Zum Facettieren der Kristallkörper können Schleifverfahren mit den für die Siliciumbearbeitung geeigneten Parametern eingesetzt werden. Die optimale Facettierung wird bevorzugt auf einer programmgesteuerten Schleifmaschine hergestellt, die entsprechend der Kristallform und den zu fertigenden Silicium-Streifen programmiert wird. Hierzu wird der Kristallkörper zunächst geometrisch erfaßt und es erfolgt vorteilhaft eine Übertragung in ein mathematisches Modell, aus dem die optimalen Daten für die Verarbeitung des Kristallkörpers gewonnen werden.

Das Zerteilen der Kristallkörper in Silicium-Scheiben erfolgt bevorzugt mit Drahtsägen oder mit Bandsägen. Bei kleineren Durchmessern können auch Innenlochsägen eingesetzt werden.

Für das Drahtsägen ist das Aufkitten der Konushälften und das Abkitten nach dem Sägen erforderlich. Das Zerteilen der Konusse in zwei Hälften ermöglicht es, die Konusse unabhängig von der Konusform aufzukitten. Durch die Facettierung wird beim Schneidbeginn eine Punktberuhrung zwischen dem Sägedraht und dem Werkstück erreicht, so daß der Draht nicht am Konus abrutscht.

Zum Bandsägen wird der Konus bevorzugt an der großen Stirnfläche aufgekittet. Auch beim Bandsägen ist es vorteilhaft, den Konus vor dem Scheibensägen in der Mittenebene symmetrisch zu zerteilen. Beim weiteren Zerteilen in Silicium-Streifen entstehen zueinander passende Teile, weil durch die Symmetrie der Facettierung paarweise Steifen mit der gleichen Schräge auftreten.

Zum Zerteilen der Silicium-Scheiben in Streifen oder zum Ritzen für das Brechen in Streifen werden bevorzugt Außentrenn-Sägen (Dicing-Sägen) mit mehreren sehr dünnen, rotierenden Sägeblättern in Abständen entsprechend der Streifenbreite benutzt. Ein Teil der Streifen kann weiter zerteilt werden, um Bänder von möglichst einheitlicher Länge zu erhalten.

Um die Kristallkörper vorteilhaft auszunutzen, ist ein Optimierungsprogramm empfehlenswert, das nicht nur die Facettierung der Kristallkörper und die Zerteilung der Scheiben festlegt, sondern auch die Sortierung und Bereitstellung der Streifen steuert. Es lassen sich Silicium-Streifen erzeugen, aus denen Bänder und Bandsequenzen für beliebig große PV-Moduln zusammengestellt werden können.

Das Zusammenstellen der aus den Silicium-Streifen erzeugten Solarzellen zu Bändern und die Anordnung der Bänder zu Bandsequenzen erfolgt bevorzugt mit Automaten, in denen die Silicium- Streifen erfaßt, magaziniert und mit dem Optimierungsprogramm so zusammengestellt werden, daß daraus die gewünschten Bänder und Bandsequenzen entstehen. Beim Erfassen der Silicium- Streifen werden nicht nur die Geometrie, sondern auch die weiteren für die Solarzellen wichtigen Kristalldaten (insbesondere die Dotierung und der Widerstand) aufgenommen, so daß zueinander passende Streifen assembliert werden.

Nachdem Material sehr hoher Reinheit verarbeitet wird, das vollkommen oder angenähert einkristallin ist, sind hohe photovoltaische Wirkungsgrade zu erzielen.

Fig. 1 zeigt einen Silicium-Konus in der Seitenansicht, d. h. in der Ansicht senkrecht zur Kristallachse, nach dem Facettieren;

Fig. 2 zeigt eine Serie aufeinanderliegender Silicium-Scheiben, die aus dem Konus beim Zerteilen durch Schnitte senkrecht zur Kristallachse gewonnen wurden, und deren Aufteilung in Streifen;

Fig. 3 zeigt eine Zusammenstellung von Silicium-Streifen zu Silicium-Bändern und eine Zusammenstellung von Silicium-Bändern zu einer Bandsequenz für ein PV-Modul;

Fig. 4 zeigt die Anordnung des facettierten und aufgekitteten Konusses in Vorderansicht, d. h. in Richtung der Kristallachse, beim Drahtsägen;

Fig. 5 zeigt ein Beispiel für die Verbindung von Solarzellen-Streifen zu Solarzellen-Bändern und zu einer Solarzellen-Bandsequenz mit Kontaktbändern.

In Fig. 1 ist in Seitenansicht ein Silicium-Konus 1 gezeigt, der durch einen Schleifprozeß facettiert wurde. Der Konus wird so geschliffen, daß bei der anschließenden Verarbeitung Silicium-Streifen einheitlicher Breite b gewonnen werden, die ohne nachteiligen Spalt aneinandergelegt werden können. Das Schleifprogramm der Schleifmaschine wird der Konusform und der Streifenbreite angepaßt. In der Zeichnung sind die geschliffenen Flächen durch kurze parallele Striche markiert. Die unbearbeiteten Zonen des Kristalls sind senkrecht zur Kristallachse schraffiert.

Fig. 2 zeigt eine Auswahl von Silicium-Scheiben unterschiedlichen Durchmessers, die aus der rechten Hälfte des Konusses 1 hergestellt wurden. Die Scheiben sind entsprechend ihrer Lage im Konus aufeinandergelegt dargestellt. Es ist gezeigt, wie die Silicium-Scheiben zu Streifen aufgeteilt werden können. Weil die Scheiben übereinandergelegt dargestellt sind, werden die Streifen aus den größeren Scheiben von den Streifen aus den kleineren Scheiben teilweise verdeckt. Beispielsweise sind von den Streifen A1, B1 und C1 nur die Enden zu sehen. Durch Diagonal-Schraffur sind die Teile der Scheiben gezeigt, die als Abfall entstehen. Diese Teile sind beim Facettieren nicht geschliffen worden.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die Anordnung der Silicium-Streifen aus zwei Scheibenhälften, so daß beim Assemblieren Silicium-Bänder von angenähert gleicher Länge entstehen. Diese Bänder können anschließend zu Bandsequenzen entsprechend der Modulgröße zusammengestellt werden. Es ist eine Sequenz von 6 Bändern dargestellt. Die Streifen in den drei Bändern der oberen Hälfte der Bandsequenz sind beschriftet, so daß ihre Lage in der Scheibe zu erkennen ist. Die ursprüngliche Lage der neu angeordneten Streifen ist strichpunktiert eingezeichnet und mit der gleichen Kombination von Buchstaben und Zahlen versehen. Die Länge der Streifen A3 und A4 wurde angepaßt. Die Reststücke dieser Streifen und die übrigen Streifen, die für die vorliegende Bandsequenz nicht eingesetzt werden, sind schräg schraffiert. Diese Teile können in anderen Bändern verwendet werden. Die Facettierung des Halbleiterkörpers ist so erfolgt, daß die Silicium- Streifen aus symmetrischen Positionen Kanten aufweisen, die im gleichen Winkel (oder in dessen Supplementwinkel zu 180°) zur Längskante des Streifens verlaufen. Dadurch können die Halbleiterkörper mit geringem Materialverlust verarbeitet und die Bänder vorteilhaft assembliert werden.

In Fig. 4 ist die Anordnung für das Drahtsägen skizziert. Die beiden Konushälften 1 werden an den beiden Schnittflächen, die beim Zerteilen des Kristallkörpers entstanden sind, an eine Kittleiste 2 gekittet, die mit der Werkstückaufnahme 3 am Werkstückvorschub (nicht gezeichnet) der Drahtsäge befestigt wird. Die Schnittflächen ermöglichen somit eine einfache Kittung für das Drahtsägen. Der Draht 4 wird in bekannter Weise mehrfach über Drahtführungsrollen 5 geschlungen und in Längsrichtung bewegt, so daß das Werkstück gegen eine Harfe 6 aus parallel laufenden Drähten gedrückt werden kann. Die Drahtführungsrollen 5 sind in der Ansicht in Richtung der Achse gezeichnet, so daß die parallel verlaufenden Drähte nur als eine Linie abgebildet sind. Zur Vereinfachung sind nur die beiden oberen Drahtführungsrollen 5 gezeichnet. Die Drahtzufuhr und der Drahtentnahme ist durch die beiden äußeren Pfeile 7 und 8 an den Drahtführungsrollen 5 skizziert. Die parallelen Drähte der Harfe 6 kommen bei Schneidbeginn an den Unterkanten der schräg facettierten Konushälften zum Eingriff, so daß zunächst eine Punktberührung erfolgt. Die Drähte gleiten dadurch nicht am Konus ab.

In Fig. 5 ist ein Ausschnitt aus einer Solarzellen-Bandsequenz gezeigt. Die als Beispiel dargestellte Verbindung der aus den Silicium-Streifen gefertigten Solarzellen-Streifen 9 mit Metall- Folien 10 zu Solarzellen-Bändern und zur Solarzellen-Bandsequenz ermöglicht es, bei der Kontaktierung der Oberseiten- und Unterseitenkontakte der assemblierten Solarzellen auch eine stabile Anordnung für die weitere Handhabung zu erhalten. Um die Abdeckung der Oberseite der Solarzellen zu minimieren, hat die Folie 10 auf der Oberseite nur eine geringe Breite und ist für die Verbindung mit den Kontakten der Oberseite vorteilhaft konturiert. Vorteilhaft werden die Kontaktbänder so konturiert, daß sie ohne Schnittverlust hergestellt werden können. Zur Ausführung der Solarzellenkontaktierung, insbesondere der Kontakte 11 an der Solarzellen- Oberseite gibt es viele Alternativen. Natürliche Vorbilder für deren Gestaltung bieten die Adersysteme von Pflanzen-Blättern. Für die erfindungsgemäße Anordnung der Solarzellen-Streifen mit schrägen Konturen ist auch für den elektrischen Ladungstransport im Bereich der schrägen Trennstellen zu sorgen. Im gezeigten Beispiel wird dies durch die Verbindung 12 der einzelnen Oberseitenkontakte in der Nähe der Kante erzielt. Die zu kontaktierenden Enden der Solarzellen- Streifen können aber auch auf andere Weise verbunden werden, beispielsweise durch Kontaktbänder an den Stoßstellen der Solarzellen-Streifen, durch die sowohl der Ladungstransport, als auch die mechanische Verbindung der Solarzellen-Streifen erzielt wird.

Die vielfältigen Möglichkeiten zur elektrischen Verschaltung der Solarzellen-Streifen in den Solarzellen-Bändern und zur Verschaltung der Solarzellen-Bänder in den Solarzellen- Bandsequenzen ermöglichen es, die gewünschten Nennspannungen bei den jeweiligen PV-Panelgrößen und -formen zu verwirklichen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Solarzellen aus Halbleiterkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterkörper symmetrisch facettiert werden, bevor sie in Kristall-Scheiben zerteilt werden, so daß beim Zerteilen der Kristall-Scheiben in Kristall-Streifen einheitlicher Breite die aus symmetrischen Positionen stammenden Kristall-Streifen durch die Facettierung gerade Kanten aufweisen, die im gleichen Winkel - oder im Supplementwinkel zu 180° - zu einer Längskante des Kristall-Streifens verlaufen.

2. Verfahren zur Herstellung von Solarzellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterkörper in der Achsebene zerteilt werden, bevor sie in Kristall-Scheiben zerteilt werden.

3. Verfahren zur Herstellung von Solarzellen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die entstehende Schnittfläche zum Aufkitten der Kristallkörper verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Facettierung mit Hilfe einer programmgesteuerten Schleifmaschine erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Programmierung der Schleifmaschine anhand eines Optimierungsprogrammes erfolgt, bei dem die Kontur des zu verarbeitenden Kristallkörpers und die Breite der zu erzeugenden Kristall-Streifen einbezogen werden.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammenstellung der aus den Kristall-Streifen hergestellten Solarzellen zu Solarzellen-Bändern für die Weiterverarbeitung zu Solarmoduln mit Hilfe eines Automaten erfolgt, in dem die Solarzellen erfaßt, magaziniert und mit einem Optimierungsprogramm zusammengestellt werden.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Kristall-Streifen hergestellten Solarzellen durch Metallfolien verbunden werden.

8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Kristall-Streifen hergestellten Solarzellen seitlich mit Trogspiegeln versehen werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Kristall-Streifen hergestellten Solarzellen mit Fresnel-Linsen versehen werden.

10. Kristall-Streifen, Kristall-Bänder, Solarzellen oder Solarmoduln, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach einem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt werden.