DE2533166A1 - Photoelement und verfahren zur herstellung des photoelementes - Google Patents

Photoelement und verfahren zur herstellung des photoelementes

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DE2533166A1 DE19752533166 DE2533166A DE2533166A1 DE 2533166 A1 DE2533166 A1 DE 2533166A1 DE 19752533166 DE19752533166 DE 19752533166 DE 2533166 A DE2533166 A DE 2533166A DE 2533166 A1 DE2533166 A1 DE 2533166A1
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Description

Kerne 1, 8000 München 40,
FreiügrathstraBe 19 IM I J %λ D U D.k Eisenacher Straße 17
Postfach 140 " Uipi.-Pig. K. Γί. nanr pa«.-Anw. Betzier
Pat-Anw. H*rrmann-Trwi!«pofil DlDl-PflVS Edliard ΒθίΖΐθΓ Fernsprecher: 36 3011
Fernsprecher: 51013 I* ■ J ■ 36 3012
51014 Dipl.-Ing. W. Herrmann-Trentepohl a63013
Telegrammanschrift: Telegrammanschrift:
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Dresdner Bank AQ Kerne 7-520 Postscheckkonto Dortmund 558 68-467
Be,.: MO 5300 S j/st
in der Antwort bitte angeben
Zuschrift bitte nach:
München
COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE 29, rue de la Federation Paris 15* / Frankreich
Photoelement und Verfahren zur Herstellung des Photoelementes
Die Erfindung "bezieht sich auf ein Photoelement und ein Verfahren zur Herstellung des Photoelementes.
Es sind Photoelemente bekannt, deren Herstellung ausgehend von Scheiben oder Streifen aus Silizium oder aber von einem Metallsubstrat erfolgt, auf dem ein Film aus Silizium abgesetzt wird. Bei den Photoelementen der zweiten Kategorie erweist es sich als vorteilhaft, ein Substrat aus Stahl zu verwenden, jedoch müssen dabei Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden, einerseits um zur Erzielung eines möglichst hohen Umwandlungs-Wirkungsgrades das Silizium in großkörnigen Einkristallen zu erhalten und um andererseits während der Herstellung des Photoelementes die Dotierung des Siliziums durch das Substrat zu vermeiden.
Die Erfindung schlägt zu diesem Zweck zur Herstellung des Metallträgers, auf dem die Halbleiterschicht abgesetzt wird, die Verwendung eines Metallbleches vor, welches mit einem Metall mit
509887/0789 - 2 -
- 2 - 2 h 3 /Π R fi
niedrigem Schmelzpunkt überzogen ist.
Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf ein Photoelement, das gekennzeichnet ist durch einen Metallträger mit einem Überzug aus einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, auf dem eine kristalline Schicht eines derartig dotierten Halbleitermaterials abgesetzt ist, welche einen p-n-Übergang aufweist.
Der Metallträger ist vorzugsweise ein Blech aus Stahl oder aus Eisen-Silizium oder aus Eisen-Nickel. Das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt ist vorzugsweise Zinn oder eine Zinnlegierung, wie z.B. mit Blei legiertes Zinn. Die Dicke der Zinnschicht ist vorzugsweise kleiner als 5/um. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich vorzugsweise um Silizium.
Darüberhinaus soll erfindungsgemäß ein Herstellungsverfahren angegeben werden, das in einfacher Weise durchführbar ist und die Herstellung von kristallinen Filmen großer Abmessungen und guter Qualität bei geringen Kosten ermöglicht. Dieses Ergebnis wird dank der Verwendung eines Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt erzielt, welches den Metallträger überdeckt, wobei das Metall während der Herstellung des Photoelementes auf einer Temperatur gehalten wird, daß das Metall sich in flüssigem Zustand befindet, während das Wachsen des Kristalls anschließend durch Epitaxie auf dem flüssigen Metall erfolgt.
Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung ferner auf ein Verfahren zur Herstellung der oben angegebenen Photozelle und ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- Zersetzen einer einen Bestandteil zur Bildung einer kristallinen Halbleiterschicht enthaltenden gasförmigen Verbindung in einem Gehäuse, in dem sich ein mit einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt überzogener Metallträger befindet,
- Aufrechterhalten der Temperatur des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt auf einem ausreichend hohen Wert, so daß sich das Metall
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j η flüssigem Zustand "befindet und ein flüssiges metallisches Substrat bildet, auf dem die kristalline ,Schicht durch Epitaxi e entsteht,
- Dotieren der gasförmigen Verbindung in geeigneter V/eise, so daß die Halbleiterschicht eine p-n-Struktur aufweist.
Die Zersetzung kann thermisch oder mit Hilfe eines von einem Hochfrequenzfeld erzeugten Plasmas erfolgen.
In weiterer Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Stahlblech als Metallträger verwendet, dessen Curiepunkt sich im höchsten Temperaturbereich der bei der Durchführung des Verfahrens verwendeten Temperaturen befindet, wodurch eine Regulierung der Heizung durch Hochfrequenz-Induktion gewährleistet ist.
Das Material zur Bildung des Kristalls kann beispielsweise Silizium sein, während die Verbindung, die der thermischen Zersetzung unterworfen wird, Siliziumwasserstoff SiHi oder Chlorsilan sein kann.
Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Photoelementes und des Verfahrens zur Herstellung des Photoelementes sollen anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 einen Schnitt eines erfindungsgemäßen Photoelementes in schematischer Darstellung;
Fig. 2 einen Schnitt zur Verdeutlichung der Struktur der HaIbläterschicht und des Metallsubstrates;
Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens des Photoelementes; und in
- 4 509887/0789
Fig. 4 ein Temperatur-Zeit-Diagramm zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens des Photoelementes.
Das in Fig. 1 erkennbare Photoelement weist ein verzinntes Stahlblech 2 mit einer Halbleiterschicht 4 in seinem mittleren Bereich auf, welche beispielsweise aus einer Schicht 8 aus Silizium £ und einer Schicht 10 aus Silizium η besteht. An ihrer Oberseite sind Anschlüsse 12 angebracht, die über einen Kollektor 13 mit einem nicht gezeichneten äußeren Anschluß in Verbindung stehen; am Stahlblech 2 ist ein weiterer Anschluß 15 angebracht, der eine entgegengesetzte Polarität wie der Anschluß 14 aufweist. Das erfindungsgemäße Photoelement kann an seiner Oberseite mit einer Glasplatte 16 abgeschlossen sein, welche an den Enden 18 und 20 mit einer Hartlötung am Stahlblech befestigt ist. Eine isolierende Schicht 22 vervollständigt die Anordnung.
Das auf dem Metallträger aus Stahl abgesetzte Zinn hat die Aufgabe, das kristalline Wachstum des Siliziums während der Herstellung zu unterstützen, eine chemische Barriere gegenüber den Eisenatomen des Bleches zu bilden, eine zu starke Lösung des Siliziums im Stahl zu verhindern, den Siliziumfilm auf dem Stahlblech zu verankern und die Wärmeausdehnung des Siliziums und des Stahls einander anzugleichen. Zusätzlich kann das Zinn dazu dienen, die Glasplatte auf das Blech zu löten.
Das Stahlblech kann vorzugsweise eine texturierte Struktur aufweisen, welche beispielsweise mit einer thermischen Behandlung erreicht wird und die Richtung 110 oder 100 aufweist. Das Stahlblech kann durch Elektrolyse oder durch Seigern verzinnt sein; an den Arbeitsgang der Elektrolyse kann sich ein Ausglühen bei ungefähr 8000C, beispielsweise in einer Wasserstoffatmosphäre anschliessen, was die Haftung des Zinns auf seinem Träger erleichtert und verbessert.
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Das Blech kann aus Stahl mit Eisen-Silizium bestehen und beispielsweise eine Dicke von einigen Zehntel Millimetern aufweisen.
Ein erfindungsgemäßes Photoelement kann bei einer üblichen Bestrahlung von ungefähr 1 kW/m beispielsweise einen Strom von
2
10 mA/cm bei einer Spannung von 500 mV liefern.
In Fig. 2 ist die schematische Anordnung einer auf einem Metallträger abgesetzten Halbleiterschicht erkennbar. Es versteht sich von selbst, daß aus Gründen der Anschaulichkeit die Abmessungen nicht maßstabsgerecht sind. Die metallische Schicht mit niedrigem Schmelzpunkt trägt das Bezugszeichen 30. Dabei handelt es sich beispielsweise um einen Zinnfilm oder eine Legierung auf der Basis von Zinn. Während der Herstellung, die im folgenden noch näher beschrieben werden soll, befindet sich diese Schicht in flüssigem Zustand, ist aber unter normalen Betriebsbedingungen fest. Die Schicht 30 ist mit einer Schicht 32 aus dotiertem Silizium, dann mit einer p+-dotierten Schicht 34, dann mit einer Schicht 36 aus p-Silizium und einer darüber liegenden Schicht 38 vom Typ n+ überzogen. Die Aneinanderlagerung der Schicht 36 vom Typ p_ und der Schicht 38 vom Typ η erzeugen einen p-n-Übergang 40.
Es darf darauf hingewiesen warden, daß der Rahmen der Erfindung nicht verlassen wird, wenn die Dotierungen invertiert werden und die Schichten 32, 34 und 36 dann mit η und η und die Schicht 38 mit p_+ dotiert werden. Eine metallische transparente Elektrode 42 in der Form eines Kammes oder eines Gitters, beispielsweise aus Aluminium mit einer Dicke von 2 bis 2000 Angström, bedeckt die gesamte Anordnung.
In Fig. 3 ist schematisch das Herstellungsverfahren des oben beschriebenen Photoelementes erkennbar. In Fig. 3 ist ein Gehäuse 102 mit einer Heizeinrichtung 104 und einem Einlaß 106 versehen, durch den eine gasförmige Verbindimg mit der abzusetzenden Komponente in einen Raum 108 eingelassen wird.
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In dem Gehäuse ist ein Träger 110 angebracht, auf dem ein metallisches Substrat 112 sitzt. Mit der Heizeinrichtung 104 wird die Temperatur des Substrates 112 auf einer Temperatur gehalten, so daß sich die gasförmige Verbindung im Raum 108 thermisch zersetzt und dabei das zur Bildung des Kristalls erforderliche Material geschaffen sowie für eine Verflüssigung des Metallsubstrats 112 zumindest an der Oberfläche gesorgt wird. Das flüssig gewordene Substrat 112 ermöglicht an seiner Oberfläche die Entstehung von Keimen 114, welche die Bildung einer dünnen Schicht 116 hervorrufen, die ihrerseits als Keim dient, auf dem der Kristall 118 durch Epitaxie in der Richtung 120 wachsen kann.
Wird Silizium als Material für den zu bildenden Kristall verwendet, so liegt die dünne Schicht 116 in Form einer hexagonal dichten Packung vor, wenn nicht texturierter Stahl verwendet wird. Die Siliziumatome setzen sich bei ihrer Ablagerung nach und nach an den zuerst abgesetzten Atomen ab. Sobald die erste Schicht auf dem flüssigen Metall abgesetzt ist, erfolgt das anschließende Wachsen in üblicher Weise durch Epitaxie auf der Basisanordnung. Zur Steigerung der Absetzgeschwindigkeit des Kristalles kann die Arbeitstemperatur über die Zersetzungstemperatur des Silizium-Wasserstoffs erhöht werden.
Die Dotierung des Siliziumkristalls kann durch Mischen des Silizium-Wasserstoffs mit einem Dotierungsstoff wie z.B. Bor erfolgen, um Dotierungen vom Typ ρ oder p_ zu erzielen, wobei die Dotierung £ einer Konzentration von ungefähr 10 Atomen/cm des Dotierungsmittels und die Dotierung vom Typ p_ ungefähr 10 Atomen/cBr entspricht. Um eine Dotierung vom Typ η zu erzielen, kann man Silizium-Wasserstoff mit Phosphor mischen.
Es erweist sich als vorteilhaft, als Metallträger einen flüssigen Metallfilm eines Metalls zu verwenden, dessen Curiepunkt dem höchsten Temperaturbereich entspricht, der während des Herstellungsverfahrens verwendet wird, um dadurch eine Selbst-
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regulierung zu gewährleisten. Man kann somit als Material für den Metallträger ein Stahlblech verwenden, dessen Curietemperatur im Bereich zwischen 600°C und 10000C liegt. In diesem Falle kann das Temperatur-Zeit-Diagramm, das die thermische Entwicklung des Systems kennzeichnet, von dem in der Fig. 4 wiedergegebenen Typ sein, bei dem auf der Abszisse die zeit und auf der Ordinate die Temperatur aufgetragen ist.
Die Temperatur wird zunächst bis zum Punkt F erhöht, bei dem das das Substrat 30 bildende Metall schmilzt. Die Temperatur steigt dann weiter an und man kommt in den Bereich 50, wo die Absetzung der Keime bildenden Schicht 32 erfolgt. Von da an beobachtet man die Bildung und das Wachsen des Kristalls durch Epitaxie in der gesamten Zone 52 und gegebenenfalls die Bildung von Siliziumzonen, die mit p_ , p_ und η dotiert sind. Ist das Absetzen der letzten Schicht mit η-dotiertem Silizium fertiggestellt, so wird die Temperatur verringert, wobei die Schicht des flüssigen Zinns bis ungefähr 2320C die Einschnürung des Siliziums verhindert. Der Ablauf des Verfahrens kann beispielsweise größenordnungsmäßig einige zehn Minuten betragen.
Ein derartiges Verfahren weist folgende Eigenschaften auf:
- Man erhält Silizium von guter Qualität;
- man kann den Kristall während der Herstellung, die vollständig in situ erfolgt, nicht aus der gesamten Anordnung herausnehmen;
- man erhält ein wirtschaftliches Herstellungsverfahren;
- man kann sequentiell nacheinander große Flächen behandeln, ohne daß dazu Überwachungseinrichtungen erforderlich sind.
Beispielsweise kann man mit dem oben beschriebenen Verfahren Photoelemente von der Größe 2 cm χ 500 cm herstellen, die sich als Sonnenbatterien verwenden lassen und in parallel zueinander verlaufenden Reihen auf isolierenden Platten montiert werden können. Ausgehend von handelsüblichen Streifen aus verzinntem Eisen von 3/10 mit 2/um Zinn werden die folgenden Arbeitsgänge vorgenommen:
- 8 S09887/0789
1. Gaufrieren;
2. Chemisches Beizen mit Zinkchlorid 2;
3. Einführen in einen Epitaxie-Ofen.
Diese drei Arbeitsgänge erfolgen in einer Ubergangsvorrichtung.
Man erhöht die Leistung des Generators bis die Temperatur erreicht und auf ungefähr 10C über das gesamte behandelte Blech stabilisiert ist, was ungefähr 10 Minuten dauert. Anschließend wird im üblichen Epitaxie-Verfahren die beabsichtigte Struktur geschaffen. Danach wird die Heizleistung verringert, um eine zusätzliche Keimbildung des Zinns zu gewährleisten und die Anhaftung zu unterstützen. Anschließend werden die folgenden Arbeitsgänge durchgeführt:
4. Überführung in eine Abdeckkammer;
5. Einbau des Kollektors mit einem üblichen Verfahren;
6. Ummantelung.
Es versteht sich von selbst, daß die Zersetzung der Verbindung mit Hilfe eines Plasmas erfolgen kann, welches in einem Gas bei einem Druck zwischen beispielsweise 1 Torr und 100 Torr von einem Hochfrequenzfeld beispielsweise im Bereich zwischen 50 kHz und 1 MHz erzeugt wird. Was die Heizung des metallischen Substrats anbetrifft, so kann diese durch Hochfrequenzinduktion oder -wärmeleitung erfolgen.
Patentansprüche; - 9 -
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Claims (16)

  1. - 9 - Patentansprüche
    M.^Photoelement, gekennzeichnet durch einen
    mit einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt überzogener Metallträger, auf dem eine kristalline Schicht eines dotierten Halbleitermaterials abgesetzt ist, welche einen p-n-Übergang aufweist.
  2. 2. Photoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallträger ein Stahlblech ist.
  3. 3. Photoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallträger ein Blech aus texturierten! Stahl
    ist.
  4. 4. Photoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt Zinn ist.
  5. 5. Photoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt eine Legierung auf der Basis von Zinn ist.
  6. 6. Photoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt überzogene Metallträger ein Blech aus verzinntem Stahl ist, welches
    eine texturierte Struktur aufweist.
  7. 7. Photoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silizium ist.
  8. 8. Verfahren zur Hersteilung des Photoelementes nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte
    a) Zersetzen einer einen Bestandteil zur Bildung einer kristallinen Halbleiterschicht enthaltenden gasförmigen Verbindung
    in einem Gehäuse, in dem sich ein mit einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt überzogener Metallträger befindet,
    - 10 509887/0789
    b) Aufrechterhalten der Temperatur des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt auf einem ausreichend hohen Wert, so daß sich das Metall in flüssigem Zustand befindet und ein flüssiges metallisches Substrat bildet, auf dem die kristalline Schicht durch Epitaxie entsteht,
    c) Dotieren der gasförmigen Verbindung in geeigneter Weise, so daß die Halbleiterschicht eine p-n-Struktur aufweist.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallträger ein Metall verwendet wird, dessen Curiepunkt im höchsten beim Verfahren verwendeten Bereich liegt.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Material zur Herstellung des Kristalls Silizium verwendet wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung, die thermisch zersetzt wird, Silizium-Wasserstoff SiH^ ist.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, d*ß als Metall mit niedrigem Schmelzpunkt Zinn verwendet wird.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall mit niedrigem Schmelzpunkt eine Legierung auf der Basis von Zinn verwendet wird.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallträger ein Stahlblech verwendet wird.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zersetzung der Verbindung durch Erhöhung der Temperatur erfolgt.
    - 11 509887/0789
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zersetzung der Verbindung durch Erzeugung eines Plasmas in der Verbindung unter Verwendung eines Hochfrequenzfeldes erfolgt.
    509887/0789
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