DE19950187A1 - Production of crystalline silicon thin layer solar cells comprises melting molten highly pure and high doped silicon waste in a crucible, pouring the melt into a mold and solidifying - Google Patents
Production of crystalline silicon thin layer solar cells comprises melting molten highly pure and high doped silicon waste in a crucible, pouring the melt into a mold and solidifyingInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von kristallinen Silizium- Dünnschichtsolarzellen auf der Basis eines siliziumverträglichen und temperaturbeständigen Substrats.The invention relates to a method for producing crystalline silicon Thin-film solar cells based on a silicon-compatible and temperature-resistant Substrate.
Regenerative Energien gewinnen zunehmend an Bedeutung. Dabei kommt der Photovoltaik eine Schlüsselrolle zu, da es mit ihr möglich ist, Sonnenlicht unmittelbar in elektrischen Strom umzuwandeln, der vielseitig einsetzbar ist. Die derzeit übliche Herstellung von Solarzellen ist außerordentlich aufwendig, was mit dazu beiträgt, daß Solarstrom bisher nur von untergeordneter Bedeutung ist. Bei den üblichen Herstellungsverfahren wird stabförmiges Halbleitermaterial, meist monokristallines oder polykristallines Silizium in ca. 300 µm dünne Scheiben geschnitten, die den Grundkörper der in weiteren Verfahrensschritten hergestellten Solarzelle bilden. Alternativ können auch achteckige Si-Rohre eingesetzt werden, die nach dem EFG-Verfahren (edge-defined-Silicon-film-fed-growth) aus der Schmelze gezogen werden, anschließend mit Laser in ca. 10 × 10 cm große Scheiben zerteilt und zu Solarzellen verarbeitet werden.Renewable energies are becoming increasingly important. Here comes the photovoltaic play a key role as it is possible to use sunlight directly in electrical Convert electricity that is versatile. The current production of Solar cells are extremely complex, which contributes to the fact that solar power has so far only is of minor importance. In the usual manufacturing processes, it becomes rod-shaped Semiconductor material, mostly monocrystalline or polycrystalline silicon in a thickness of approx. 300 µm Cut slices, which are the base of the manufactured in further process steps Form solar cell. As an alternative, octagonal Si tubes can also be used the EFG (edge-defined-silicon-film-fed-growth) process are then cut into approx. 10 × 10 cm slices by laser and turned into solar cells are processed.
Gemeinsam ist diesen Verfahren, daß zur Herstellung der Stäbe, Blöcke oder Rohre teures Siliziumausgangsmaterial eingesetzt wird.Common to these processes is that they are expensive to produce the rods, blocks or tubes Silicon starting material is used.
Um den hohen Kosten entgegen zu wirken, nutzt man die bei der Herstellung von Halbleiter- Einkristallen zur Weiterverarbeitung zu Kristall-Scheiben für elektronische Bauelemente entstehenden, für ihren vorgesehenen Einsatzzweck aber nicht geeigneten Kristallkörper. 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 diese Kristallkörper zur Herstellung von Kristall-Scheiben für Solarzellen zerkleinert, geschmolzen und erneut kristallisiert. Die verfügbaren Mengen und die Preise hängen im wesentlichen von der Produktion der Halbleiterindustrie ab und von der Nachfrage der ständig wachsenden Photovoltaik-Industrie.To counteract the high costs, use is made in the manufacture of semiconductor Single crystals for further processing into crystal wafers for electronic components emerging crystal bodies but not suitable for their intended purpose. These are primarily the initial and final cones of the crystals and Crystal bodies with crystal dislocations or other causes of failure. As of today In technology, these crystal bodies are used to manufacture crystal wafers for solar cells crushed, melted and recrystallized. The available quantities and prices depend essentially on the production of the semiconductor industry and on demand the ever-growing photovoltaic industry.
Es steht außer Frage, daß bei einem breiten Einsatz der Photovoltaik dies nicht ausreicht die Kosten für die Herstellung der Solarmodule deutlich zu senken.There is no question that with widespread use of photovoltaics this is not enough Significantly reduce costs for the production of solar modules.
Im Bereich der kristallinen "Dickschicht-Technologie" soll zu diesem Zweck die Dicke der Substrate deutlich reduziert und der Wirkungsgrad deutlich verbessert werden. Aber auch das hat seine Grenzen, da im allgemeinen bei der Verwendung dünner Scheiben die Bruchrate zunimmt und die Erhöhung der Wirkungsgrade teuere Technologien voraussetzt.In the field of crystalline "thick-film technology", the thickness of the Substrates significantly reduced and the efficiency can be significantly improved. But that too has its limits, since in general the breakage rate when using thin panes increases and the increase in efficiency requires expensive technologies.
Parallel zu der beschriebenen "Dickschicht-Technologie" wird seit über 15 Jahren an der sogenannten "Dünnschicht-Technologie" gearbeitet. Zum Einsatz kommen hier direkte Halbleiterverbindungen wie z. B. amorphes Si:H, CuInSe2, CdTe etc. Diese werden auf kostengünstige Substrate, z. B. Glas, aufgedampft und dann nach bekannter Technologie zu Modulen verarbeitet.In parallel to the "thick film technology" described, work has been carried out on the so-called "thin film technology" for over 15 years. Direct semiconductor connections such as e.g. B. amorphous Si: H, CuInSe 2 , CdTe etc. These are on inexpensive substrates, for. B. glass, evaporated and then processed into modules according to known technology.
Auch mit der "Dünnschicht-Technologie" ist es bisher nicht gelungen, im Fertigungsmaßstab Module zu Kosten herzustellen, die niedriger sind als bei der etablierten "Dickschicht- Technologie". So gibt es beispielsweise bei dem a-Si:H-Material bei großen Flächen Begrenzungen des Wirkungsgrades auf ca. 8%. Bei Sonneneinstrahlung ist überdies ein Absinken des Wirkungungsgrades zu beobachten, so daß bei diesem Material eine deutliche Senkung der Fertigungskosten fraglich erscheint. Dies gilt auch für die beiden anderen aussichtsreichen Dünnschichtmaterialien, CuInSe2 und CdTe, die aufgrund der geringen Schichtdicken aufwendige und teure Verkapselungs- und Versiegelungstechniken benötigen, um die geforderte Modul-Lebensdauer von < 20 Jahren zu erreichen.Even with "thin film technology" it has so far not been possible to manufacture modules on a production scale at a cost that is lower than with the established "thick film technology". For example, the a-Si: H material limits the efficiency to approx. 8% for large areas. When the sun is shining, a drop in the degree of efficiency can also be observed, so that a significant reduction in production costs appears questionable for this material. This also applies to the two other promising thin-film materials, CuInSe 2 and CdTe, which require complex and expensive encapsulation and sealing techniques due to the small layer thicknesses in order to achieve the required module life of <20 years.
Daneben hat in den vergangenen Jahren die kristalline Silizium-Dünnschicht-Technologie an Bedeutung gewonnen. Bei dieser Technologie wird auf temperaturbeständigen und siliziumverträglichen Substraten, wie beispielsweise Graphit oder Keramik, durch thermische Zersetzung von SiHCI3 bei ca. 850°C aus der Gasphase hochreines Silizium in Schichtdicken von ca. 20 µm abgeschieden. Die Umwandlung in Solarzellen erfolgt anschließend durch geeignete Technologien.In addition, crystalline silicon thin-film technology has become increasingly important in recent years. With this technology, high-purity silicon is deposited on the temperature-resistant and silicon-compatible substrates, such as graphite or ceramic, by thermal decomposition of SiHCI 3 at approx. 850 ° C from the gas phase in layer thicknesses of approx. 20 µm. The conversion into solar cells is then carried out using suitable technologies.
Alternativ kann bei niedrigen Temperaturen von 300-400°C amorphes oder mikrokristallines Silizium auf Glassubstraten abgeschieden werden und nach entsprechender Hochtemperatur-Umwandlung zur gewünschten Kristallstruktur die Verarbeitung zu Solarzellen erfolgen.Alternatively, amorphous or at low temperatures of 300-400 ° C microcrystalline silicon can be deposited on glass substrates and after appropriate High temperature conversion to the desired crystal structure processing Solar cells are made.
Diese Technologie hat den Vorteil, daß Silizium nahezu unbegrenzt verfügbar ist, es sich kostengünstig abscheiden läßt, im kristallinen Zustand keine Alterungsprobleme besitzt und letztlich hohe Wirkungsgrade ermöglicht.This technology has the advantage that silicon is available almost indefinitely can be deposited inexpensively, has no aging problems in the crystalline state and ultimately high efficiency.
Nachteilig bei dieser Technologie sind allerdings, immer bezogen auf die Gesamtkosten der Solarzelle, die hohen Kosten siliziumverträglicher Substrate wie Graphit oder Keramik. A disadvantage of this technology, however, is always based on the total costs of the Solar cell, the high cost of silicon-compatible substrates such as graphite or ceramic.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die hohen Kosten bei der Herstellung von Solarzellen deutlich zu reduzieren und ein Substrat zu finden, welches den Anforderungen an die kristalline Silizium-Dünnschicht-Technologie gerecht wird und sich kostengünstig herstellen läßt.The invention has for its object the high cost of producing Significantly reduce solar cells and find a substrate that meets the requirements The crystalline silicon thin film technology does justice and is inexpensive can be made.
Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß das Substrat aus geschmolzenen hochreinen und hochdotierten Siliziumabfällen besteht.According to the invention this is achieved in that the substrate is made of melted high-purity and highly doped silicon waste.
Das hat den Vorteil, daß diese in der Halbleiterindustrie anfallenden Abfälle zu allgemein niedrigen Preisen bezogen werden können und außer der erwünschten Grunddotierung keine weiteren Verunreinigungen besitzen.This has the advantage that this waste generated in the semiconductor industry is too general low prices and none other than the desired basic funding have other impurities.
Die Siliziumabfälle werden in einem wiederverwendbaren Tiegel aufgeschmolzen und die Schmelze, in Kokillen abgegossen, mit hohem Temperaturgradient einer kurzzeitigen gerichteten Erstarrung unterworfen. Zur Einstellung der gewünschten hohen Leitfähigkeit werden bei Bedarf der Schmelze zusätzliche Dotiersubstanzen zugesetzt. Der nach Erstarrung hochreine und hochleitende multikristalline Si-Block wird zur Weiterverarbeitung in großflächige multikristalline dünne Scheiben zersägt und die Substratoberfläche durch mechanische oder chemisch-mechanische Verfahren aufgerauht. Das hat den Vorteil, daß die anschließend abgeschiedene Si-Schicht so strukturiert wird, daß bei Lichteinfall durch Totalreflexion an den beiden Grenzflächen Epi-Schicht-Substrat bzw. Epi-Schicht-Luft eine optisch längere Weglänge der einfallenden Photonen erreicht wird und höhere Solarzellenwirkungsgrade realisiert werden.The silicon waste is melted in a reusable crucible and the Melt, poured into molds, with a high temperature gradient of a short-term subject to directional solidification. To set the desired high conductivity If necessary, additional dopants are added to the melt. The one after solidification high purity and highly conductive multicrystalline Si block is used for further processing in saws large, multicrystalline thin slices and cuts through the substrate surface mechanical or chemical-mechanical processes roughened. This has the advantage that the then deposited Si layer is structured so that when light falls through Total reflection at the two interfaces epi-layer-substrate and epi-layer-air one optically longer path length of the incident photons is reached and higher Solar cell efficiencies can be realized.
Die großflächigen multikristallinen Scheiben werden nach der Reinigung auf 850°C aufgeheizt und durch Einleitung flüchtiger Si-Verbindungen hoher Reinheit der Abscheidung der aktiven Si-Schicht unterworfen. Nach Abscheiden der aktiven Si-Schicht werden die großflächigen Scheiben nach bekannter Technologie oberflächenpassiviert, kontaktiert und mit einer Antireflexschicht versehen. Beim Aufbringen der Front- und Rückseitenkontakte auf die großflächigen Scheiben wird schon die spätere Geometrie der Solarzelle aufgedruckt und nach elektrischer Messung der Untereinheiten, durch mechanische Trennung die Aufteilung in die gewünschten Solarzellenformate vorgenommen.After cleaning, the large-area, multi-crystalline disks reach 850 ° C heated and by introducing volatile Si compounds of high purity of the deposition subjected to the active Si layer. After the active Si layer has been deposited, the Large-area panes are surface passivated, contacted and made using known technology provided with an anti-reflective coating. When applying the front and back contacts The later geometry of the solar cell is already printed on the large panes and after electrical measurement of the subunits, by mechanical separation Subdivision into the desired solar cell formats made.
Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß die durchwegs großformatige
Prozessierung - Block, Scheibe, Si-Schicht, Zellenprozeß - und die erfindungsgemäße
Bereitstellung geeigneter Si-Substrate eine wesentliche Senkung der Herstellungskosten
erlaubt. Das erfindungsgemäße Si-Substrat erfüllt dabei sämtliche Hauptbedingungen, wie
The solution according to the invention has the advantage that the consistently large-format processing - block, disc, Si layer, cell process - and the provision of suitable Si substrates according to the invention allows a substantial reduction in production costs. The Si substrate according to the invention fulfills all the main conditions, such as
- - Hochtemperaturbeständigkeit bei den Bedingungen der Si-Abscheidung aus der Gasphase sowie Kompatibilität zwischen Substrat und Si-Schicht,- High temperature resistance under the conditions of Si deposition from the gas phase as well as compatibility between substrate and Si layer,
- - hohe Reinheit des elektrisch gut leitenden Substrats, damit bei der Hochtemperaturabscheidung keine störenden Verunreinigungen (Übergangsmetalle etc.) in die hochreine und aktive Si-Schicht diffundieren können,- High purity of the electrically well conductive substrate, so in the High temperature separation no disturbing impurities (transition metals etc.) can diffuse into the high-purity and active Si layer,
- - gute Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Substrat und Si- Schicht, damit es nicht zur Rißbildung oder Ablösung der Si-Schicht kommt,- good adaptation of the thermal expansion coefficient between substrate and Si Layer so that there is no cracking or detachment of the Si layer,
- - gute Verträglich- und Verarbeitbarkeit des Substrat/Si-Schicht-Verbundes in den folgenden Zellen- und Modulprozeßschritten.- Good compatibility and processability of the substrate / Si layer composite in the following cell and module process steps.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.
Zur Substratherstellung werden hochreine und hochdotierte Siliziumabfälle aus der Halbleiterindustrie verwendet, die für konventionelle Photovoltaik-Produkte nicht verwendbar sind. Dieses Material besitzt außer der Grunddotiereung (As, Sb, P, B, Ga) keine weiteren Verunreinigungen. Diese Siliziumabfälle, die in Form von Stababschnitten, Tiegelrückständen und gebrochenen Scheiben vorliegen, werden in einem Quarzglastiegel geschmolzen und in Quarzglas-Kokillen gegossen, die mit einer Schutzschicht aus beispielsweise SiN ausgekleidet sind. Das schmelzflüssige Silizium wird mit hohem Temperaturgradient einer gerichteten Erstarrung unterworfen, um bei hoher Kristallisationsgeschwindigkeit mechanisch stabile multikristalline Si-Blöcke zu erhalten. Zur Einstellung des gewünschten Leitungstyps - vorzugsweise p-leitend - und der gewünschten hohen Leitfähigkeit, wird der Schmelze bei Bedarf zusätzlich As, Sb, P, B oder Ga zugesetzt. Falls erforderlich, kann die Schmelze auch raffiniert werden, um beispielsweise Teilchen zu entfernen.Highly pure and highly doped silicon waste from the Semiconductor industry used that cannot be used for conventional photovoltaic products are. This material has no other than the basic doping (As, Sb, P, B, Ga) Impurities. This silicon waste, in the form of rod sections, Crucible residues and broken panes are present in a quartz glass crucible melted and poured into quartz glass molds, which are made with a protective layer for example SiN are lined. The molten silicon is high Temperature gradient subjected to directional solidification in order at high Crystallization rate to obtain mechanically stable multicrystalline Si blocks. For Setting the desired line type - preferably p-type - and the desired one high conductivity, As, Sb, P, B or Ga is added to the melt if necessary. If necessary, the melt can also be refined, for example to add particles remove.
Auf diese Weise erhält man nach der gerichteten Erstarrung einen hochreinen und hochleitenden multikristallinen Si-Block, der zur Weiterverarbeitung in beispielsweise 30 × 30 × 30 cm große Blöcke zerteilt und mit der entsprechenden Drahtsägentechnologie in ca. 200 µm-400 µm dünne Scheiben zersägt wird. Die multikristallinen Scheiben werden möglichst großflächig gewählt, damit bei jedem der anschließenden Zell- und Modulprozeßschritte eine hohe Leistung/Scheibe prozessiert und damit geringe Kosten/Watt Spitzenleistung der späteren Solarzelle realisiert werden. In this way you get a highly pure and after the directional solidification highly conductive multicrystalline Si block, which for further processing in 30 × Blocks 30 × 30 cm in size and cut into approx. 200 µm-400 µm thin slices are sawn. The multicrystalline slices will be chosen as large as possible so that in each of the subsequent cell and Module process steps a high power / slice processed and thus low cost / watt Top performance of the later solar cell can be realized.
Nach dem Sägeprozeß werden die Scheiben gereinigt und dem anschließenden CVD-Prozeß der Silizum-Abscheidung unterworfen. Hierfür werden die Scheiben vorzugsweise in einem Reaktor auf Temperaturen von ca. 850°C aufgeheizt und anschließend durch die Einleitung von SiHCI3, SiH4, SiH2CI2 oder ähnlichen flüchtigen Si-Verbindungen hoher Reinheit die Abscheidung der aktiven Si-Schicht durchgeführt. Währen der Abscheidung im Reaktor werden die Si-Substrate auf Werkzeugträgern (Quarz, Graphit etc.) oder auch werkzeugträgerfrei durch die Beschichtungszone geführt.After the sawing process, the panes are cleaned and subjected to the subsequent CVD process of silicon deposition. For this purpose, the wafers are preferably heated to temperatures of approximately 850 ° C. in a reactor and then the active Si layer is deposited by introducing SiHCl 3 , SiH 4 , SiH 2 CI 2 or similar volatile Si compounds of high purity. During the deposition in the reactor, the Si substrates are guided through the coating zone on tool carriers (quartz, graphite, etc.) or without tool carriers.
Die Abscheidung der aktiven Si-Schicht wird dabei so gesteuert, daß in den letzten ca. 0,5 µm eine hochdodierte P-Schicht abgeschieden wird, um den erforderlichen p-n-Übergang zu realisieren. Alternativ kann die aktive Si-Schicht auch n-leitend sein; in diesem Fall werden die letzten 0,5 µm abgeschieden, die die für den n-p-Übergang erforderliche Bor-Dotierung aufweisen.The deposition of the active Si layer is controlled so that in the last approx. 0.5 µm a highly doped P layer is deposited to achieve the required p-n junction realize. Alternatively, the active Si layer can also be n-conducting; in this case the last 0.5 µm deposited, which is the boron doping required for the n-p junction exhibit.
Bei sehr dünner aktiver Si-Schicht (≦ 10 µm) ist es vorteilhaft, durch mechanische oder chemisch-mechanische Verfahren die Substratoberfläche aufzurauhen und damit die abgeschiedene Si-Schicht zu strukturieren, so daß bei Lichteinfall durch Totalreflexion eine optisch längere Weglänge der einfallenden Photonen entsteht und ein höherer Solarzellenwirkungsgrad realisiert wird.In the case of a very thin active Si layer (≦ 10 µm) it is advantageous to use mechanical or chemical-mechanical processes to roughen the substrate surface and thus the to structure the deposited Si layer, so that when light falls through total reflection a optically longer path length of the incident photons arises and a longer one Solar cell efficiency is realized.
Nach der Abscheidung der aktiven Si-Schicht werden die großformatigen Scheiben mit bekannter Technologie oberflächenpassiviert, kontaktiert (z. B. Siebdrucktechnik für Vorder- und Rückseite) und mit einer Antireflexschicht (z. B. SiN, TiOx) versehen.After the active Si layer has been deposited, the large-format wafers are surface passivated with known technology, contacted (e.g. screen printing technology for the front and back) and provided with an anti-reflective layer (e.g. SiN, TiO x ).
Entscheidend bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren ist, daß alle Schritte bis zur Messung der Solarzellenparameter mit dem großflächigen Format durchgeführt werden, damit sich die Herstellungskosten auf niedrigem Niveau bewegen. Um dies zu erreichen, wird beim Aufbringen der Front- und Rückseitenkontakte schon die spätere Geometrie der Solarzelle aufgedruckt und nach der elektrischen Messung der Untereinheiten - z. B. 10 cm × 10 cm, 15 cm × 15 cm, etc. - durch mechanische Trennung wie Ritzen/Brechen, Laserschneiden, Sägen die Aufteilung in die gewünschten Solarzellenformate vorgenommen.It is crucial in the method proposed here that all steps up to the measurement the solar cell parameters are carried out with the large format so that the Move manufacturing costs to a low level. To achieve this, the Applying the front and rear contacts already the later geometry of the solar cell printed and after the electrical measurement of the subunits - e.g. B. 10 cm x 10 cm, 15 cm × 15 cm, etc. - through mechanical separation such as scratching / breaking, laser cutting, sawing the division into the desired solar cell formats.
Das Zerteilen der großflächigen, ca. 30 cm × 30 cm großen Si-Substrate in die vorstrukturierten, kontaktierten Untereinheiten der gewünschten Solarzellen ist aus physikalischen Gründen erforderlich, da mit einer 30 cm × 30 cm großen Solarzelle die derzeit gängigen Module mit ca. 14 V Leerlaufspannung nicht realisiert werden können. The division of the large, approximately 30 cm × 30 cm large Si substrates into the pre-structured, contacted subunits of the desired solar cells is off physical reasons necessary, because with a 30 cm × 30 cm large solar cell current modules with approx. 14 V open circuit voltage cannot be implemented.
Nach dem Zerteilen der beispielsweise 30 cm × 30 cm großen Substrate für die entsprechenden Solarzellen, werden diese mit bekannter Technik verbunden und zu Modulen verarbeitet.After cutting the, for example, 30 cm × 30 cm large substrates for the corresponding solar cells, these are connected using known technology and to form modules processed.
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Citations (1)
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DE1614218A1 (en) * | 1966-02-16 | 1970-06-25 | Philips Nv | Method for producing a contact layer for semiconductor devices and semiconductor device obtained by this method |
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1999
- 1999-10-19 DE DE19950187A patent/DE19950187A1/en not_active Ceased
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE1614218A1 (en) * | 1966-02-16 | 1970-06-25 | Philips Nv | Method for producing a contact layer for semiconductor devices and semiconductor device obtained by this method |
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