DE19842004A1 - Träger einer für Solarzellen geeigneten Halbleiterschicht und Herstellungsverfahren für Träger - Google Patents
Träger einer für Solarzellen geeigneten Halbleiterschicht und Herstellungsverfahren für TrägerInfo
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Abstract
Es werden keramische Träger zur Abscheidung einer für Solarzellen geeigneten Halbleiterkristallschicht angegeben, insbesondere zur Abscheidung einer kpolyristallinen Siliciumschicht, und ein Verfahren zur Trägerherstellung, wobei die Träger eine die Keimbildung begünstigende Komponente und eine die Keimbildung hemmende Komponente enthalten und die die Keimbildung hemmende Komponente an der Oberfläche, auf welche die Halbleiterkristallschicht abgeschieden wird, im Flächenanteil überwiegt und die die Keimbildung begünstigende Komponente annähernd oder vollständig inselartig umschließt.
Description
Die Erfindung betrifft einen polykristallinen Träger zur Abscheidung einer poly
kristallinen Halbleiterschicht, insbesondere Siliciumschicht für Dünnschichtsolar
zellen und Verfahren zur Herstellung solcher Träger.
Es ist bekannt, aus Kostengründen dünne Siliciumschichten (z. B. ≦ 50 µm dick)
mittels CVD-Verfahren auf einem Träger aus keramischem Material abzuscheiden
und nachfolgend die Solarzelle in dieser polykristallin entstandenen Schicht mit
üblichen Behandlungsschritten auszubilden. Die Leistungsparameter der Solarzelle
werden primär von der Qualität der polykristallinen Schicht bestimmt. So richten
sich die Bemühungen insbesondere auf Maßnahmen zur Verbesserung der elektri
schen Schichtparameter, insbesondere auf die Erhöhung der Diffusionslänge der
Ladungsträger und die Einstellung von homogenen und hinreichend hohen Dotan
denkonzentrationen in bestimmten Schichtgebieten. Eine besondere Rolle spielen
für die Güte der Siliciumschicht Reinheit (Fremdatome) und Kristalldefekte
(Korngrenzen), da diese zur ungleichmäßigen Ausbildung der Schichten führen
und Ladungsträger durch Rekombination vernichten. Die Bemühungen zur Ver
besserung der Schichteigenschaften richten sich einerseits auf die Präparation der
Keramiksubstrate und andererseits auf die Schichtabscheidebedingungen der Si
liciumschicht. So konnte bei Al2O3-Keramik gezeigt werden, daß für die aufwach
sende Siliciumschicht, sowohl die Nachbearbeitung des Substrats: Politur und
thermisches Ätzen (C. Schmidt, B. von Ehrenwall, A. Braun, A. Püschel, S.
Ruckmich, B. Tierock, M. Nell, H.-G. Wagemann; PROCEEDINGS OF THE
14th EUROPEAN PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY CONFERENCE, BAR
CELONA, SPAIN; 30. JUNE-4. JULY 1997, S. 2694-2697), als auch die
CVD-Schichtabscheideparameter, wie Temperatur, Übersättigung und HCl-Anteil im
Gasstrom (G. Beaucarne, J. Poortmans, M. Caymax, J. Nijs, R. Mertens, R. Mon
na, D. Angermeier, A. Slaoui; PROCEEDINGS OF THE 14th EUROPEAN PHO
TOVOLTAIC SOLAR ENERGY CONFERENCE, BARCELONA, SPAIN; 30.
JUNE-4. JULY 1997, S. 1007-1010) von Einfluß sind. Es wurde auch bereits
vorgeschlagen, die Oberflächen der Keramikträger so zu präparieren, daß diese
nur an bestimmten, gleichmäßig über die Fläche verteilten grubenartigen Einsen
kungen eine bevorzugte Keimbildung bei der Siliciumschichtabscheidung zulassen
und auf der Hauptfläche die Ankristallisation des Siliciums behindert wird. Jeder
zusätzliche Verfahrens schritt macht den Gesamtprozeß der Herstellung der Solar
zellen teurer. Insofern ist es als Fortschritt anzusehen, wenn die zusätzliche Be
handlung des Substrats entfallen kann und die für die Halbleiterschichtbildung
günstigen Bedingungen bereits vom Substrat ausgehend vorliegen.
Ziel der Erfindung ist die Verringerung der Herstellungskosten von Dünnschicht
solarzellen, die unter Verwendung von polykristallinen Schichten auf polykri
stallinen Trägermaterialien aus gebildet werden, insbesondere unter Verwendung
von polykristallinen Siliciumschichten.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, Träger und Verfahren für die Herstellung von
Trägern anzugeben, welche die Ausbildung der die aktiven Solarzellenbereiche
aufnehmenden, polykristallinen Halbleiterschicht begünstigt, ohne daß aufwendige
zusätzliche Behandlungen des Trägermaterials erforderlich sind.
Die erfinderische Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Träger, aus einer in
einem größeren Anteil vorhandenen, die Kristallkeimbildung während des Halb
leiterschichtabscheideverfahrens (Ankristallisation) hemmenden Komponente und
einer in einem kleineren Anteil vorhandenen, die Keimbildung begünstigenden
kristallinen Komponente gebildet ist. Dabei die die Keimbildung hemmende Kom
ponente vorzugsweise von anderer Struktur oder von amorpher Natur und die die
Keimbildung begünstigende kristalline Komponente liegt in statistisch gleich mä
ßiger, bzw. regelmäßiger Verteilung an der Oberfläche so vor, daß sich ihre Ge
biete nur wenig oder nicht berühren, sondern durch die die Keimbildung hemmen
de Komponente voll oder weitestgehend umschlossen sind. Die Flächenanteile, die
von der die Keimbildung begünstigenden Komponente eingenommen werden, lie
gen im Bereich von ca. 5-50%.
Die die Keimbildung begünstigende Komponente kann aus Bereichen polykristal
liner Struktur als auch einkristalliner Struktur bestehen. So kann es sich um Kera
mikphasen handeln oder auch um Teilchen mit kornähnlicher Gestalt, die z. B.
durch Zerkleinerung von Einkristallen gewonnen wurden. Durch das Anbieten
einer Vielzahl von Anwachsstellen in den Gebieten der die Keimbildung begün
stigenden Komponente erfolgt beim Abscheideprozeß der Siliciumschicht ein ra
scheres Wachsen als auf den Gebieten der übrigen Oberfläche. Dadurch wird
bewirkt, daß die Kristallite (Körner) die Gebiete der die Keimbildung behindern
den Komponente überwachsen, wodurch größere Körner mit einer günstigen
Vorzugsorientierung (Textur) entstehen. Außerdem wird dadurch auch die Eindif
fusion von Verunreinigungen aus dem Substrat reduziert, wodurch weniger verun
reinigte Schichten entstehen. Die mittlere Korngröße der Siliciumschicht kann
durch die Abstände der in statistisch regelmäßiger Verteilung angeordneten Berei
che mit bevorzugter Keimbildung und durch die Parameter des CVD-Verfahrens
beeinflußt werden. Bei optimaler Anpassung kann die mittlere Korngröße der Si
liciumschicht zu größeren Werten gebracht werden. Dadurch wird der Gesamt
flächenanteil der Korngrenzen insgesamt reduziert. Wichtig ist die relativ gleich
mäßige Verteilung der die Keimbildung begünstigenden Stellen über die Substrat
oberfläche. Die Komponente mit den die Kristallkeimbildung begünstigenden
Eigenschaften muß nicht homogen im gesamten Substratvolumen vorliegen, sie
kann auch auf eine oberflächennahe Schicht des Trägers beschränkt sein. Diese
Schicht kann z. B. nach Ausprägung des Keramikträgerkörpers ausgebildet werden,
z. B. in der Art eines Oberflächenüberzuges. Andererseits kann die Komponente
auch bereits in die Keramikrohmasse eingebracht werden, in einem Stadium vor
der Sinterung, in dem diese scheibenförmigen Körper noch leicht zu verformen
sind. Es können z. B. Einkristallkörner aus Silicium auf eine gesinterte Keramik
masse aufgebracht werden, indem diese mit einem Überzug versehen wird, wel
cher in einem Temperaturprozeß eine amorphe Schicht ähnlich einer Glasur bildet
und die Bindung der einzelnen hinzugegebenen Siliciumkörner mit dem Substrat
herstellt. Auf diese Weise verbessert sich auch die Haftung der später aufwach
senden polykristallinen Siliciumschicht.
Die Erfindung soll anhand einer Reihe von Beispielen näher erläutert werden.
Auf SiC ist die Keimbildung des Siliciums im Verhältnis zur Keimbildung auf
reinem Silicium verringert. Es wird auf dem üblichen Weg des Sinterns ein po
röser Keramikkörper hergestellt, z. B. in Scheibenform. Anschließend wird in an
sich bekannter Weise flüssiges Silicium in die Hohlräume eingebracht (infiltriert).
Durch Wahl der Korngröße des SiC kann der Siliciumanteil im Bereich ≦ 45%
variiert werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß auf einen keramischen Träger eine
Silicium enthaltende Siebdruckpaste punktrasterförmig aufgebracht wird. Fleck
größe und Art der Paste richten sich nach dem Trägermaterial (Zusammensetzung
und Körnung) und sind optimierbar. Die Träger werden nach dem Aufbringen der
Siebdruckpaste einer Temperaturbehandlung unterzogen, bei der die organischen
Bestandteile rückstandslos verbrannt werden und Silicium inselförmig zurück
bleibt. Als Trägermaterial kann vorteilhafterweise eine im Ausdehnungskoeffizien
ten angepaßte Mischung, wie sie Mullit (Zusammensetzung 3Al2O3.2SiO2) dar
stellt, verwendet werden. Die Keimbildung des Siliciums ist auf einer Oberfläche
aus Mullit gegenüber der auf reinem Silicium gehemmt.
Ein für die CVD-Abscheidung einer polykristallinen Siliciumschicht geeigneter
Trägerkörper, z. B. eine Scheibe, kann auch aus mehreren Schichten so hergestellt
werden, daß der hauptsächliche Trägerkörper eine im Ausdehnungskoeffizienten
angepaßte Zusammensetzung hat und die für die Siliciumschichtabscheidung vor
teilhaften Eigenschaften durch eine auf der entsprechenden Seite aufgebrachten
Glasurschicht, in welche Siliciumkristalle eingelagert sind, realisiert werden. Da
bei wird als Haftschicht für die Siliciumkristallteilchen, die einkristallin oder auch
polykristallin sein können, eine Glasur gewählt. Die Siliciumkristallteilchen wer
den im hochviskosen Zustand der Glasur aufgebracht. Als Trägerkörper kommen
z. B. mehrphasige Keramiken auf der Basis von Cordierit, einem Magnesium-Alumi
niumsilikatmaterial und Spinellkeramiken auf der Basis von MgO, Al2O3 und
SiO2 in Frage.
Ferner können Trägerkörper so gewonnen werden, daß für die entsprechende
Schicht, auf der die Siliciumabscheidung erfolgt, eine Keramik auf der Basis von
Mullit in nichtstöchiometrischer Zusammensetzung mit einer Verschiebung zum
SiO2-reichen Zweiphasengebiet gewählt wird, und die SiO2-Bereiche anteilig bei
entsprechenden Temperaturen durch eine reduzierende Atmosphäre zu Silicium
reduziert werden, wodurch diese dann als Keimbildungszentren wirken.
Claims (18)
1. Trägerkörper, im wesentlichen aus Keramik bestehend, zur Abscheidung einer
polykristallinen Halbleiterschicht, insbesondere Siliciumschicht für Dünnschicht
solarzellen, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger auf der Seite, auf
der die kristalline Halbleiterschicht abgeschieden wird, eine Zusammensetzung
derart aufweist, daß eine die Kristallkeimbildung der Halbleiterschicht unter
stützende Komponente annähernd inselartig oder vollständig von einer die Keim
bildung hemmenden Komponente umgeben vorliegt, wobei der Flächenanteil der
die Keimbildung hemmenden Komponente überwiegt.
2. Trägerkörper zur Abscheidung einer polykristallinen Halbleiterschicht nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper aus mehre
ren, mindestens zwei flächenhaft übereinanderliegenden Schichten aufgebaut ist.
3. Trägerkörper zur Abscheidung einer polykristallinen Halbleiterschicht nach
Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der
flächenhaft übereinanderliegenden Schichten durch eine Keramik gebildet wird.
4. Trägerkörper zur Abscheidung einer polykristallinen Halbleiterschicht nach den
Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik eine
Aluminiumoxidkeramik ist.
5. Trägerkörper zur Abscheidung einer polykristallinen Halbleiterschicht nach An
spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Keimbildung behindern
de Komponente eine Keramik ist.
6. Trägerkörper zur Abscheidung einer polykristallinen Halbleiterschicht nach An
spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Keimbildung begün
stigende Komponente aus kristallinen Siliciumteilchen besteht.
7. Trägerkörper zur Abscheidung einer polykristallinen Halbleiterschicht nach An
spruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die kristallinen Silicium
teilchen von einkristalliner Struktur sind.
8. Trägerkörper zur Abscheidung einer polykristallinen Halbleiterschicht nach An
spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Keimbildung hemmen
de Komponente eine andere Kristallstruktur als die begünstigende aufweist.
9. Trägerkörper zur Abscheidung einer polykristallinen Halbleiterschicht nach An
spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Keimbildung hemmen
de Komponente amorph ist.
10. Trägerkörper zur Abscheidung einer polykristallinen Halbleiterschicht nach An
spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Keimbildung hemmen
de Komponente Magnesiumoxid in oxidischer, Yttriumoxid in nitridischer und C
in karbidischer Keramik ist.
11. Trägerkörper zur Abscheidung einer polykristallinen Halbleiterschicht nach An
spruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der flächenhaft
übereinanderliegenden Schichten eine Diffusionssperrschicht gegen die Eindiffu
sion von Verunreinigungen aus der darunterliegenden Schicht ist.
12. Trägerkörper zur Abscheidung einer polykristallinen Halbleiterschicht nach An
spruch 1, und folgenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß
die die Keimbildung begünstigende Komponente auf der schichtartig darunter
befindlichen, die Keimbildung hemmenden Komponente aufsitzt und Erhebungen
bildet.
13. Trägerkörper zur Abscheidung einer polykristallinen Halbleiterschicht nach An
spruch 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die unter der die Keim
bildung begünstigenden Komponente befindliche, die Keimbildung hemmende
Schicht eine Glasur ist.
14. Trägerkörper zur Abscheidung einer polykristallinen Halbleiterschicht nach An
spruch 1, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasurschicht
keimbildungshemmende Komponenten enthält.
15. Herstellungsverfahren eines keramischen Trägerkörpers zur Abscheidung einer
polykristallinen Halbleiterschicht, insbesondere Siliciumschicht für Dünnschicht
solarzellen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Seite des Trägers, auf
der die kristalline Halbleiterschicht abgeschieden wird, als Oberflächenbelag eine
die Keimbildung der Halbleiterschicht hemmende, bzw. verzögernde Schicht
aufgebracht wird, in der durch einen weiteren Behandlungsschritt aus kristallinen
Phasen bestehende Teilchen, welche die Keimbildung der Halbleiterschicht bei
deren Abscheidung begünstigen, in einer Weise verankert werden, daß diese
regelmäßig, inselartig verteilt sind, d. h. keine größeren zusammenhängenden
Gebilde ausprägen und ihr Flächenanteil kleiner ist als der ihrer Haftschicht.
16. Herstellungsverfahren eines Trägerkörpers zur Abscheidung einer polykristallinen
Halbleiterschicht, insbesondere Siliciumschicht für Dünnschichtsolarzellen nach
Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die die Keimbildung der
Halbleiterschicht hemmende, bzw. verzögernde Schicht eine Glasur ist, in die die
Keimbildung begünstigenden Teilchen in die erweichte Schicht eingebracht, im
speziellen Fall eingedrückt werden.
17. Herstellungsverfahren eines Trägerkörpers zur Abscheidung einer polykristallinen
Halbleiterschicht, insbesondere Siliciumschicht für Dünnschichtsolarzellen nach
Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die die Keimbildung der
Halbleiterschicht hemmende, bzw. verzögernde Schicht eine Keramikschicht
ist und die die Keimbildung begünstigenden Teilchen in diese in einem noch
nicht verhärteten Zustand als Grünkörper vor dem Sintern eingepreßt werden.
18. Herstellungsverfahren eines keramischen Trägerkörpers zur Abscheidung einer
polykristallinen Halbleiterschicht, insbesondere Siliciumschicht für Dünnschicht
solarzellen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Seite des Trägers, auf
der die kristalline Halbleiterschicht abgeschieden wird, eine die Keimbildung der
Halbleiterschicht hemmende, bzw. verzögernde Schicht bestehend aus Keramik
auf der Basis von Mullit in nichtstöchiometrischer Zusammensetzung mit einer
Verschiebung zum SiO2-reichen Zweiphasengebiet und die SiO2-Bereiche anteilig
bei entsprechenden Temperaturen durch eine reduzierende Atmosphäre zu Silicium
reduziert werden, wodurch inselartig Stellen bevorzugter Keimbildung geschaffen
werden.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1998142004 DE19842004A1 (de) | 1998-09-04 | 1998-09-04 | Träger einer für Solarzellen geeigneten Halbleiterschicht und Herstellungsverfahren für Träger |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19842004A1 true DE19842004A1 (de) | 2000-03-09 |
Family
ID=7880898
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE1998142004 Withdrawn DE19842004A1 (de) | 1998-09-04 | 1998-09-04 | Träger einer für Solarzellen geeigneten Halbleiterschicht und Herstellungsverfahren für Träger |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19842004A1 (de) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10020429A1 (de) * | 2000-04-26 | 2001-11-15 | Torsten Niemeyer | Dachelement mit integrierter Solarzelle |
| WO2011026062A3 (en) * | 2009-08-31 | 2011-06-23 | Corning Incorporated | Surface nucleated glasses for photovoltaic devices |
| US8053038B2 (en) * | 2007-09-18 | 2011-11-08 | Atomic Energy Council-Institute Of Nuclear Energy Research | Method for making titanium-based compound film of poly silicon solar cell |
-
1998
- 1998-09-04 DE DE1998142004 patent/DE19842004A1/de not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10020429A1 (de) * | 2000-04-26 | 2001-11-15 | Torsten Niemeyer | Dachelement mit integrierter Solarzelle |
| US8053038B2 (en) * | 2007-09-18 | 2011-11-08 | Atomic Energy Council-Institute Of Nuclear Energy Research | Method for making titanium-based compound film of poly silicon solar cell |
| WO2011026062A3 (en) * | 2009-08-31 | 2011-06-23 | Corning Incorporated | Surface nucleated glasses for photovoltaic devices |
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