DE2917564A1 - Verfahren zum herstellen von solarzellen und dadurch hergestellte gegenstaende - Google Patents

Verfahren zum herstellen von solarzellen und dadurch hergestellte gegenstaende

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Czeslaw Deminet
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Description

  • "Verfahren zum Herstellen von Solarzellen und dadurch her-
  • gestellte Gegenstände" Das erfindungsgemässe Verfahren umfaßt die folgenden Stufen: 1. Das Ausbilden einer Glasschicht, welche eine Substratschicht für den Solarzellengegenstand begrenzt, 2. das Ausbilden einer Diffusionssperrschicht auf wenigstens einer Oberfläche des Substrates, 3. das Ausbilden einer ersten elektrisch leitenden Schicht an der Diffusionssperrschicht, wobei diese Schicht eine erste Elektrode in dem Sclarzellenprodukt ist, 4. das Abscheiden von kleinkörnigem, polykristallinem Silizium in einem dünnen Film, d.h. 1o-ioo Mikrometer an der ersten Elektrodenschicht, 5. das Rekristallisieren durch Erhitzen des abgeschiedenen polykristallinen Siliziums, bis es sich in großkörniges polykristallines Silizium oder 6in-Kristall-Silizium wiederbildet, 6. das Ausbilden einer PN-Verbindung in der rekristallisierten Siliziumschicht und 7. das Ausbilden einer zweiten elektrisch leitenden Schicht an der rekristallisierten Siliziumschicht, wobei diese zweite elektrisch leitende Schicht eine zweite Elektrode in dem Solarzellenprodukt ist.
  • Das mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Solarzellenprodukt kann in Ausführungen mit großem Oberflächenbereich hergestellt werden, die für irdische als auch für außerirdische Verwendung unter relativ geringen Kosten geeignet sind.
  • Die Erfindung betrifft im allgemeinen die Halbleitertechnik und insbesondere ein Verfahren zum Herstellen von Solarzellen unter Verwendung eines Halbleitermaterials.
  • Wegen ansteigender Kosten und Beschränkungen der Möglichkeiten in Bezug auf herkömmliche Kraftstoffe wie beispielsweise Erde, Naturgas u.dgl. als Energiequellen, sind beträchtliche Ans rengungen unternommen worden, um andere Energiequellen zu entwickeln. Bemerkenswert unter verschiedenen Energiequellen ist die Sonne. Beim Versuch, Sonnenenergie nützlich zu machenesind wesentliche Untersuchungen auf die Entwicklung nicht teurer Vorrichtungen unternommen worden, die als Solarzellen bezeichnet werden, welche direkt die Sonnenenergie, die anfänglich in der Form von Photonen vorliegt, in Elektrizität umwandeln.
  • Eine Solarzelle umfaßt im wesentlichen eine Schicht aus einem Material mit fotoelektrischer Fähigkeit, wobei elektrische Ladungen in dem Material befreit werden als Folge des Auftreffens von Licht auf das Material. Die befreiten elektrischen Aufladungen, wenn sie von dem Bereich ihrer Erzeugung getrennt werden, erzeugen einen Stromfluß, welcher zu einem Außenkreis und zu einem elektrischen Verbraucher geleitet werden kann, wo Arbeit zu leisten ist.
  • Da der von der Solarzelle erzeugte Strom nur so lange fließt, wie Licht tatsächlich auf die Zelle auftrifft, erfordern solche Anwendungen, bei denen kontinuierlich Strom fließen muß, ein separates Subsystem für Elektrizitätsspeicherung.
  • Bei anderen Anwendungen jedoch ist kontinuierlich fließender Strom nicht notwendig, und bei solchen Anwendungen genügt die Solarzelle selbst.
  • Das in Solarzellen verwendete fotoelektrische Material muß zwei fundamentale Eigenschaften aufweisen: 1. Eine zugeordnete strukturelle Fähigkeit zum Produzieren mobiler Ladungsträger in Ansprechen auf Lichtabsorption und 2. eine innere Potentialschwelle, durch welche die mobilen Ladungsträger, befreit durch das Licht, von dem Bereich getrennt werden können, in welchem sie erzeugt sind. Im allgemeinen erfüllen die meisten Halbleitermaterialien diese erste Anforderung, und herkömmliche PN-Anschlüsse wie in Festkörper, Dioden und Transistoren erfüllen die zweite Anforderung, Zusätzlich zu diesen Eigenschaften besitzt das in einer Solarzelle verwendete fotoelektrische Material viele andere Eigenschaften, die zu der Wirksamkeit der Vorrichtung beitragen.
  • Eine detaillierte Information über die gewünschten Eigenschaften derartiger Materialien für die Verwendung in Solarzellen ergibt sich aus"Solid State Physical Electronics", von Aldert Vander Ziel, Prentice-Hall, Inc., 1957.
  • Im allgemeinen sind verschiedene Materialien und Verbindungen für die Verwendung in-Solarzellen geeignet, u.a. Silizium, Selen, Gall-ium-Arsenid, Cadmiumtellurid und Kupfersulfid, um nur einige der häufiger verwendeten Materialien zu-nennen.
  • Betrachtungen der Kosten und Wirksamkeit zeigen an, daß das Halbleitermaterial entweder ein Einkristall oder grobkörnige polykristallin sein sollte, anstatt kleinkörnig polykristallin; es soll nicht teuer und leicht erhältlich sein. Silizium ist ein derartiges Material, obwohl selbst solche Solarzellen, bei denen häufig Silizium verwendet wird, zu teuer sind, um mit anderen Elektrizitätsquellen konkurrieren zu können.
  • Es gibt verschiedene Gründe, warum Solarzellen, bei denen Silizium verwendet wird, noch zu teuer sind, um wirtschaftlich in großem Maßstab hergestellt werden zu können. Zunächst wurden bislang Solarzellen in Einheitsgrößen mit Hilfe eines Stückverfahrens hergestellt, anstatt einzelne Größen mittels eines kontinuierlichen Verfahrens. Zweitens sind Solarzellen klein anstatt große Flächenbereiche aufzuweisen. Bislang unternommene Versuche zum Herstellen großflächiger Solarzellen ergaben eine schlechte Qualität und äußerst zerbrechliche Strukturen, die im Gebrauch leicht beschädigt werden. Weiterhin ergaben sich ernsthafte Herstellungsprobleme bei derartigen Versuchen.
  • Drittens sind die Kosten zum Herstellen großflächiger Einzellen-Silizium-Anordnungen in der Form dünner Filme mit Hilfe augenblicklicher bekannter Verfahren zu aufwendig zum wirtschaftlichen Nutzen, wobei ein Schneiden und ein Polieren von Einkristall-Silizium erfolgt. Bisherige Versuche, Silizium in dünne Filme von Halbleiterqualität abzuscheiden, die in Solarzellen verwendbar sind, waren nicht erfolgreich. Dieser fehlende Erfolg ergibt sich aus vielen Faktoren, unter denen besonders wesentlich ist f) das abgeschiedene Silizium erhält in dem Herstellungsverfahren beträchtliche Mengen an Verunreinigungen, so daß hierdurch im wesentlichen die Wirksamkeit der sich ergebenden Solarzelle reduziert wird und 2) die Korngröße des abgeschiedenen Siliziums ist zu klein, um die notwendige Umwandlungswirksamkeit für praktischen Gebrauch zu schaffen.
  • Diese und andere Nachteile kombinieren sich so, daß von dem Anreiz einer Silizium-Solarzelle als wesentliche Alternative zu gegenwärtigen Elektrizitätsquellen abgewichen wird, obwohl die Energiequelle, geschaffen durch die Solarzelle, im wesentlichen unerschöpflich und leicht verfügbar ist.
  • Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen von Solarzellen geschaffen, wobei ein Halbleitermaterial als ihr Aktivelement verwendet wird, wobei ein Substrat gebildet wird, eine erste Elektrode gebildet wird, eine Halbleitermaterialschicht abgeschieden wird, so daß eine Oberflache in ohmischem Kontakt mit der ersten Elektrode ist, wobei die. erste Elektrode zwischen dem Substrat und der Halbleiterschicht angeordnet wird, wobei die Halbleiterschicht rekristallisiert wird, um wesentlich ihre Korngröße zu einem Punkt zu erhöhen, bei welchem sie nützlich in einer Solarzelle ist, wobei eine PN-Verbindung in der rekristallisierten Halbleiterschicht gebildet wird und eine zweite Elektrode geschaffen wird, so daß sie in onmlsohem Kontakt mit einer anderen Oberfläche der rekristallisierten Halbleiterschicht ist, wobei die so hergestellte Solarzelle einen Stromausgang in Ansprechen auf das Auftreffen von Licht auf die rekristallisierte Halbleiterschicht schafft.
  • Die Erfindung schafft weiterhin eine Solarzelle unter Verwendung eines Halbleitermateriales als Aktivelement, welche ein Substrat, eine abgeschiedene dünne Filmschicht eines Halbleitermateriales mit einer Korngröße, die ausreichend groß ist, so daß sie in einer Solarzelle verwendbar ist, wobei die Halbleiterschicht eine PN-Verbindung aufweist, und erste und zweite elektrisch leitende Elektroden umfaßt, die an entgegengesetzten Oberflächen der Halbleiterschicht und damit in ohmischem Kontakt angeordnet sind, wobei die erste Elektrode im wesentlichen zwischen dem Substrat und der Halbleiterschicht vorgesehen ist, wobei die Solarzelle einen elektrischen Strom in Ansprechen auf das Auftreffen von Licht auf die Halbleiterschicht erzeugt.
  • Die Erfindung umfaßt auch eine Folge von Stufen, die insgesamt ein Subverfahren bilden, das nützlich bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen ist, wobei ein Halbleitermaterial als ein aktives Element verwendet wird. Diese Stufenfolge umfaßt ein Verfahren zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen, wobei ein Halbleitermaterial als ihr aktives Element verwendet wird, wobei ein Glassubstrat gebildet wird, wobei dieses Glassubstrat im wesentlichen den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Halbleitermaterial aufweist, wobei eine erste Elektrode gebildet wird, wobei eine erste Halbleitermaterialschicht abgeschieden wird, so daß eine Oberfläche in ohmischem Kontakt mit der ersten Elektrode ist, wobei die erste Elektrode zwischen dem Substrat und der Halbleiterschicht angeordnet ist, und wobei die Halbleiterschicht rekristallisiert wird, um wesentlich ihre Korngröße so zu vergrößern, daß sie Halbleiterqualität aufweist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel an Hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
  • In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht eines Teiles einer großflächigen Solarzelle, wobei das aufeinanderfolgende Aufbauen nachfolgender Materialschichten gezeigt ist, welche die Zelle umfaßt, Fig. 2 perspektivisch eine besondere Verfahrensstufe, wobei die kleinkörnige polykristalline Siliziumschicht geschmolzen wird, um ein Einkristall oder eine großkörnige polykristalline Siliziumschicht zu bilden, Fig. 3 ein Diagramm. das EnergieprofiU für einen Protonenstrahl, einem typischen schweden Partikelstrahl in Bezug auf die Durchdringungstiefe in Silizium, Fig. 4 eine Schnittansicht eines Teiles einer Solarzelle, wobei der strukturelle Effekt der in Fig. 2 gezeigten Stufe dargestellt ist, Fig. 5 eine auseinandergezogene Schnittansicht des Teiles der vollständigen Solarzelle mit den entsprechenden bevorzugten Abmessungen der Zelle in einer ausgewählten Orientierung zwecks Auftreffens von Energie von der Sonne.
  • Das Verfahren zum wirtschaftlichen Herstellen einer großflächigen Silizium-Solarzelle ist ein folgeabhängiges Abscheidungsverfahren, wobei Schichten verschiedener ausgewählter Materialien aufeinanderfolgend in einer bestimmten Ordnung auf einem Grundmaterial oder Substrat abgeschieden werden.
  • Da es ein Abscheidungsverfahren anstatt einer Variation eines Schneid- und Polierverfahrens ist, das augenblicklich in der Solarzellen-Technik dominiert, werden viele Nachteile des bekannten Verfahrens eliminiert.
  • Weiterhin werden selbst solche beträchtlichen technischen Probleme bei bekannten Abscheidungsverfahren zum Herstellen von Solarzellen größtenteils durch die Verwendung einer Folge von Stufen überbrückt, wie dies nachfolgend erläutert wird. Obwohl die Erläuterung des erfindungsgemässen Verfahrens als kontinuierliches Herstellen großflächiger Solarzellen erfolgt, sei hervorgehoben, daß im wesentlichen jede Größe oder Ausbildung von Solarzellen mittels des erfindungsgemässen Verfahrens in Stück- bzw. Serienform ebenfalls erzeugt werden kann. Die Tatsache, daß das erfindungsgemässe Verfahren besonders geeignet für kontinuierliche Produktion ist, ergibt einen wirtschaftlichen Anreiz.
  • In Fig. 1 sind die nachfolgenden Stufen des erfindungsgemässen Verfahrens von der Ausbildung des Glassubstrates bis zur letzten Oxidschutzschicht gezeigt. Jede nachfolgende Stufe ist mit einer bestimmten Bezugsziffer versehen, um eine Identifizierung und eine Bezugnahme zu erleichtern.
  • In der ersten Stufe 12 wird geschmolzenes Glas zwischen zwei Walzen 32 und 33 vorgesehen, um eine Glasplatte zu bilden, die als ein Substrat 34 für das Solarzellen-Produkt dient.
  • Die Glastemperatur an diesem Punkt beträgt annähernd 12000C.
  • Das Glassubstrat 34 ist vorzugsweise,jedoch nicht notwendigerweise dick genug, beispiels 6,3 mm, um eine feste Stütze für die verbleibenden Schichten der Solarzelle zu schaffen, die auch im normalen Gebrauch einem Zerbrechen selbst für Großflächenausbildungen entgegenwirkt. Die Dicke des Substrates 34 ist wesentlich bei irdischen Anwendungen, jedoch bei außerirdischen Anwendungen (im Weltraum) kann das Substrat 34 relativ dünn sein, d.h. 250 Mikrometer.
  • Das Glassubstrat 34 ist selbstverständlich ebenfalls lichtdurchlässig, eine notwendige Eigenschaft, wenn die vervollständigte Solarzelle so orientiert werden soll, daß das Substrat 34 zu der Sonne hinweist. Glas ist ebenfalls bevorzugt als Substratmaterial auf Grund seiner Isoliereigenschaften, seiner optischen Eigenschaften, seiner Wirtschaftlichkeit und Verfügbarkeit.
  • Weiterhin hat Glas einen Ausdehnungskoeffizienten, der sehr dicht bei dem Ausdehnungskoeffizienten der Siliziumaktivschicht liegt. Dies ist wesentlich, weil die Substratschicht und die aktiven Schichten als auch die anderen Schichten sich während des Herstellungsverfahrens ausdehnen und zusammenziehen auf Grund der hohen angewandten Temperaturen. Bei solchen Temperaturbedingungen ergibt jeder beträchtliche Unterschied der relativen Ausdehnungseigenschaften des Substrates und der Aktivschicht, insbesondere bei Großflächenausbildungen ausreichende Zwischenschichtspannungen, die ein Zerbrechen des Substrates verursachen. Borsilikat-Glas hat die geforderten Eigenschaften und wurde für das erfindungsgemässe Verfahren als gut befunden.
  • Andere Glasarten mit den besonderen Eigenschaften sollten ebenfalls verwendbar sein. Nachdem das Substrat 34 mit Hilfe.
  • der Walzen 32 und 33 gebildet ist, tritt es in eine Abpumpkammer 14 ein, wo der atmosphärische, das Glassubstrat 34 umgebende Druck auf ein nahes Vakuum reduziert wird. Verschiedene erfindungsgemässe Stufen werden in diesem nahen Vakuum durchgeführt. Bevor das Substrat 34 in die Abpumpkammer eintritt, wird die Temperatur des Glassubstrates auf annähernd 8000C reduziert, um ein Sieden des Glases in der Atmosphäre nahe des Vakuums zu verhindern.
  • In der nächsten Verfahrensstufe 16, die in dem nahen Vakuum durchgeführt wird, wird eine Diffusionssperrschicht 36 auf der oberen Fläche 37 des Glassubstrates 34 abgeschieden. Diese Schicht 36 verhindert, daß Verunreinigungen in dem Glassubstrat 34 in die Siliziumaktivschicht während des Herstellungsverfahrens wandern. Ohne eine solche Diffusionssperrschicht würde die durch die Abscheidung der Siliziumaktivschicht erzeugte Hitze als auch andere Verfahrensstufen ergeben, daß die in dem Glas vorhandenen Verunreinigungen in die Siliziumaktivschicht diffundieren, so daß die Wirksamkeit wesentlich reduziert wird. Wenn indessen das Glassubstrat 34 frei von Verunreinigungen wäre, wäre die Schicht 36 nicht erforderlich.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Diffusionssperrschicht 36 ein pyrolytisches Oxid, das auf dem Glassubtrat 34 bei relativ hohen Temperaturen abgeschieden ist. Das pyrolytische Oxid zersetzt sich bei relativ hohen Temperaturen, die beträchtlich über der Abscheidungstemperatur und der Temperatur der anderen Verfahrensstufen liegen, so daß ein Wandern der Verunreinigungen in dem Glassubstrat 34 in die Diffusionssperrschicht 36 verhindert ist. Die Diffusionssperrschicht 36 ist vorzugsweise sehr dünn in dem Bereich von 5000 bis 8000 Angström (A), um so die Möglichkeit eines Zerbrechens auf Grund von Wärmespannungen während der verbleibenden Verfahrensstufen auf ein Minimum herabzusetzen. Das Oxid selbst sollte frei von Verunreinigungen sein, um die Siliziumschicht frei von Verunreinigungen zu halten, und sie sollte weiterhin sowohl an Glas als auch an Silizium gut haften. Ein Material, welches diesen Anforderungen entspricht, ist Siliziumdioxid und dies ist das Material, welches in dem vorliegenden Verfahren verwendet wird.
  • Die nächste Verfahrensstufe 18 ist das Abscheiden einer elektrisch leitenden ersten Elektrode 40 auf der oberen Fläche 42 der Oxidschicht 36. In Abhängigkeit von der erwarteten Ausrichtung der vervollständigten Solarzelle in Bezug auf die Sonne, kann die erste Elektrode 40 in einem Muster oder nicht abgeschieden werden, typischerweise in der Form von Streifen des Elektrodenmaterials, die einen wesentlichen Abstand voneinander aufweisen. Dieser Abstand der Elektrodenstreifen erlaubt, daß die Sonnenstrahlen die Siliziumaktivschicht erreicht. Wenn die Solarzelle so auszurichten ist, daß das Glassubstrat 34 zu der Sonne hinweist, dann wird die erste Elektrode 40 in einem solchen Muster abgeschieden, was mit Hilfe des bekannten Abdeck- bzw. Maskenverfahrens ausgeführt werden kann. Das gezeigte Muster umfaßt eine Reihe von schmalen Materialstreifen, die als Finger bezeichnet werden, welche in Fig. 1 im Schnitt gezeigt sind, wobei diese Finger der Breite nach in der Solarzelle verlaufen. Die einzelnen Finger sind miteinander an einem Ende entsprechend durch eine Stange (nicht gezeigt) verbunden, mit welcher ein Elektrodendraht oder eine andere Schaltkreiseinrichtung angeschlossen werden kann. Die Finger und die Stange sind elektrisch leitend und bilden die erste Elektrode für die Solarzelle. Es verbleibt indessen ein ausreichender Raum zwischen den Fingern für einen großen Anteil des Lichts von der Sonne, welches auf das Glassubstrat 34 auftrifft, um die Siliziumaktivschicht zu erreichen.
  • Bei der gezeigten Ausführungsform wird die erste Elektrode 40 in einem Vakuum mit Hilfe herkömmlicher Abscheidungsverfahren abgeschieden in einer Dicke, die in dem Bereich von 10 ooo bis 20 ooo Angström liegt. Das die erste Elektrode 40 bildende Material ist typisch ein Metall, vorzugsweise ein Metall mit einem hohen Schmelzpunkt (schwer schmelzbar), das mit Glas verträglich ist. Wolfram, Tantal und Molybdän sind erfolgreich verwendet worden. Jedoch brauchen die Elektroden nicht notwendigerweise aus Metall zu bestehen, ein stark gedoptes bzw. angereichertes Silizium ist ebenfalls erfolgreich verwendet worden.
  • Die nächste Verfahrens stufe 20 ist das Abscheiden von kleinkörnigem polykristallinem Silizium an der ersten Elektrode 40. Die Siliziumaktivschicht füllt auch den Raum zwischen benachbarten Streifen der gemusterten ersten Elektrode 40 und erstreckt sich in solchen Bereichen abwärts zu der Oberfläche 42 der Diffusionssperrschicht 36. Wie oben erwähnt ist, wird Silizium als das aktive Element bei dem erfindungsgemässen Verfahren auf Grund seiner Verfügbarkeit und des relativ geringen Preises verwendet. Andere Halbleitermaterialien und/oder Verbindungen könnten jedoch erfolgreich in dem erfindungsgemässen Verfahren verwendet werden. Die Siliziumaktivschicht 44 kann auf verschiedene Weise abgeschieden werden. Ein verwendetes Verfahren ist die chemische Verdampfungsreduktion von Siliziumtetrachlorid, die in einer gesteuerten Wåsserstoffatmosphäre durchgeführt werden muss, weil die Reduktion von Siliziumtetrachlorid zu reinem Silizium eine reine Wasserstoffquelle erfordert. Andere Siliziumabscheidungsverfahren,wie beispielsweise aus Silan, können in einem Vakuum durchgeführt werden, weil eine gasförmige Atmosphäre nicht erforderlich ist.
  • Weitere herkömmliche Techniken wie beispielsweise Flammspritzbeschichten, Zerstäubung und Vakuumverdampfung können ebenfalls eingesetzt werden.
  • Bei der gezeigten Ausführungsform wird Silizium in kleinkörniger polykristalliner Form in Dicken von 1o - loo Mikrometer abgeschieden. Wenn das Silizium abgeschieden ist, ist die kristalline Konstruktion feinkörnig, typischerweise in der Größenordnung von 1-1o Mikrometer. Es ist aus wirtschaftlichen Gründen wünschenswert, daß so wenig Silizium wie möglich verwendet wird. Somit wird die Siliziumaktivschicht als ein dünner Film abgeschieden. Die tatsächliche Tiefe der Siliziumaktivschicht hängt von verschiedenen Faktoren ab. Ein PN-Anschluß muß in Siliziumaktivschicht ausgebildet sein, wie dies erläutert wird, jedoch erfordert diese Stufe eine Dicke von lediglich einem Mikrometer. Die Tiefe der Siliziumaktivschicht hängt primär von der gewünschten Wirksamkeit der Solarzelle ab.
  • Eine 25 Mikrometer dicke Siliziumaktivschicht 44 absorbiert annähernd 80% der auftreffenden Photonen, während eine 100 Mikrometer dicke Siliziumschicht ungefähr 95% der auftreffenden Photonen absorbiert. Solche Solarzellen,die eine Siliziumaktivschicht geringer als 25 mm Dicke aufweisen, haben-eine entsprechend herabgesetzte Wirksamkeit, während die Wirksamkeit von Solarzellen mit Aktivschichten, die dicker als 100 Mikrometer sind, von 95% zunimmt. Ein praktischer Bereich der Dicke der Aktivschicht ist 1o-loo Mikrometer. Der optimale Kompromiß zwischen Wirksamkeit und Kosten für die meisten Anwendungen ergibt sich innerhalb dieses Bereiches.
  • Eine abgeschiedene Siliziumschicht 44 ist jedoch kleinkörnig polykristallin und somit ungeeignet für die Verwendung in einer Solarzelle. Bei der nächsten Verfahrensstufe 22 wird die Siliziumschicht 44 geschmolzen und in ein Einkristall oder großkörniges polykristallines Silizium umgewandelt, welches die Wirksamkeit der sich ergebenden Solarzelle auf ein praktisches Niveau erhöht. Wie oben erwähnt ist, hat das abgeschiedene Silizium eine kleinkörnige, d.h. einige Mikrometer kristalline Struktur. Bei dieser Korngröße ist die Wirksamkeit der Siliziumschicht für Solarzellenzwecke extrem gering.
  • Wenn die Korngröße jedoch zunimmt, steigt die Wirksamkeit der Aktivschicht entsprechend an, bis Korngrößen von loo Mikrometer und größer erhalten sind, die geeignet sind für die Verwendung in Solarzellen und als großkörnige Polykristalle bezeichnet werden.
  • Die Siliziumschicht 44, die ursprünglich in kleinkörniger polykristalliner Form vorlag, kann umgeschmolzen werden, um das gewünschte Einkristall oder großkörnige polykristalline Silizium mit Hilfe verschiedener Mittel zu bilden, unter denen Elektronen- und/oder Laserstrahlen genannt seien. Jedoch haben diese beiden bekannten Verfahren beträchtliche Nachteile, weil ihre entsprechende Aufheizwirkung nicht nur in der Siliziumschicht 44, sondern auch in der ersten Elektrodenschicht 40, der Oxidsperrschicht 36 und in dem Substrat 34 wirkt. Solch ein Verfahren ist nicht nur unwirksam, sondern kann ein Wandern von Verunreinigungen, die in einer der unteren Schichten vorhanden sind, in die Siliziumaktivschicht verursachen, so daß die fotoelektrische Fähigkeit wesentlich herabgesetzt wird.
  • Zusätzlich wird die in dem Substrat erzeugte litze letzteres erweichen, woraus sich beträchtliche Probleme bei nachfolgenden Verfahrensstufen ergeben, wobei auch die Ausbildung und der Betrieb der sich ergebenden Solarzelle beeinträchtigt werden. Zusätzlich hat ein derartiges verstreutes, durchdringendes Erwärmen ein Abkühlungsprofil in der wieder geschmolzenen Siliziumschicht, welches von dem Boden der Siliziumschicht zu der oberen Fläche hin fortschreitet. Ein solches Abkühlungsprofil neigt dazu, eine kleinkörnige Kristallausbildung anstatt eines großen Kornes zu beschaffen auf Grund der Tatsache, daß die Kristallstruktur des wiedergeschmolzenen Siliziums dazu neigt, die Kristallform des Materials anzunehmen, bei welchem das Abkühlen beginnt. Da somit das Abkühlen mit bekannten Verfahren aufwärts von der unteren Fläche der Siliziumschicht 44 fortschreitet, die benachbart zur ersten Elektrode 40 und zum Substrat 34 ist, die ihrerseits alle kleinkörnige polykristalline Materialien sind, wird die wiedergeschmolzene Siliziumschicht ebenfalls zu einem kleineren Korn neigen.
  • Bei dem vorliegenden Verfahren wird indessen ein schwerer Partikelstrahl, typisch, jedoch nicht notwendigerweise ein Protonenstrahl verwendet, um das Schmelzen und das nachfolgende Rekristallisieren der Siliziumschicht 44 durchzuführen. Eine beträchtliche Kontrolle über den Wärmeeffekt des Protonenstrahles wird erzielt, da das Durchdringen der schweren Partikel, wie beispielsweise Protonen, in festes Material genau errechnet und kontrolliert werden kann.
  • In Fig. 3 ist ein Diagramm gezeigt, welches die Eindringtiefe eines Protonenstrahles gegen den logarithmischen Wert der Strahlenergie wiedergibt. Es ist nicht nur möglich, eine genaue Eindringtiefe durch Begrenzen der Energie des Strahles zu erzielen, sondern es ist eine maximale Eindringtiefe für ein besonderes Material vorhanden. Die Energie in dem Protonenstrahl und die Tiefenabmessung der Siliziumaktivschicht werden eingestellt, um eine genau definierte Tiefe des geschmolzenen Bereiches in der Siliziumschicht 44 während der Erhitzungs- (Rekristallisations-) Stufe zu ergeben.
  • In Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines geschmolzenen Bereiches gezeigt, der durch einen Protonenstrahl gebildet ist. Das Silizium ist geschmolzen, jedoch nicht über die Zwischenfläche zwischen der Siliziumschicht 44 und der ersten Elektrodenschicht 40 oder Diffusionsträgerschicht 36 hinaus. Die genaue Form des geschmolzenen Bereiches 48 ist nicht bekannt, obwohl angenommen ist, daß Fig. 4 im wesentlichen korrekt ist.
  • Die größte Abmessung des geschmolzenen Bereiches 48 ist auf eine besondere Tiefe konzentriert, normalerweise die Hälfte zwischen den oberen und unteren Flächen der Siliziumschicht 44. Die Breite hängt von der Breite des schweren Partikelstrahles ab, der in einer Ausführungsform geringer als der Abstand zwischen benachbarten Fingern der Elektrode 40 ist, jedoch größer als die Breite dieser Finger. Die besonderen Relativabmessungen können variiert werden, um den Wünschen des Designers und des besonderen Verwendungszweckes zu entsprechen.
  • Die Tiefenkontrolle beim Heizeffekt des Protonenstrahles eliminiert die Nachteile von Elektronen und/oder Laserstrahlen und produziert einen geschmolzenen Bereich mit einem Abkühlungsprofil, das von der oberen Fläche 50 der Siliziumschicht 44 abwärts zu der Zwischenfläche 49 zwischen der Siliziumschicht 44 und der ersten Elektrodenschicht 40 oder Diffusionssperrschicht 36 fortschreitet. Hieraus ergibt sich eine Neigung des geschmolzenen Siliziums, in großem Korn anstatt in kleinkörniger polykristalliner Form zu rekristallisieren. Normalerweise wird die Korngröße auf wenigstens loo Mikrometer erhöht, wobei das Schmelzen von einem schweren Partikelstrahl, beispielsweise Protonenstrahl, bewirkt wird. Die Korngröße kann selbst auf ein Maß erhöht werden, bei welchem ein Einkristall vorliegt.
  • Bei der gezeigten Ausführungsform begrenzt der Protonenstrahl eine sehr schmale Linie, beispielsweise 1 mm über die Gesamtbreite der Siliziumschicht 44 (Fig. 2) und da die Siliziumschicht 44 und der Protonenstrahl sich relativ zueinander bewegen, bildet sich ein geschmolzener Bereich 54 in der Siliziumschicht aus, welcher die Form eines schmalen Rechteckes an der oberen Oberfläche der Siliziumschicht einnimmt. Der geschmolzene Bereich 54 bewegt sich längs der Siliziumschicht 44 und trennt den abgeschiedenen kleinkörnigen polykristallinen Siliziumbereich 58 von dem Bereich 56 aus wiedergeformtem grobkörnigem polykristallinem oder Einkristall-Silizium, wenn sich das Glassubstrat 57 von rechts nach links in Bezug auf den stationären Protonenstrahl bewegt.
  • Dieses als Zeilenablenkverfahren bezeichnete Verfahren hat den Vorteil einer sehr hohen Produktionsrate in der Größenordnung 2 von 2,3 bis 4,65 m pro Stunde. Es werden auch größtenteils vorhandene Verunreinigungen in dem abgeschiedenen Silizium reduziert, weil Verunreinigungen in dem geschmolzenen Bereich gesammelt und gehalten werden und somit kontinuierlich von dem wiedergeformten grobkörnigen polykristallinen Silizium wegwan-« , so daß dahinter im Bereich bei ein relativ reines S zium in grobkörniger polykristalliner Form gelassen wird.
  • Die wiedergeformte Siliziumschicht ist mit 44a bezeichnet.
  • Die nächste Stufe 24 ist das Ausbilden einer PN-Verbindung in der nun grobkörnigen polykristallinen Siliziumschicht 44a bzw.
  • Einkristall-Silizium. Wie oben erwähnt ist, ist bei einer Solarzelle ein PN-Anschluß bei dem fotoelektrischen Umwandlungsprozeß erforderlich, da die Ladungsträger, die durch Auftreffen von Licht befreit sind, von ihrem Entstehungsbereich getrennt werden müssen, um einen Strom zu erzeugen.
  • Eine PN-Verbindung kann in der grobkörnigen Siliziumschicht 44a folgendermassen gebildet werden. Bei dem vorliegenden Verfahren ist das ursprünglich abgeschiedene Silizium von etwas gedoptem N-Typ. Somit ist die Siliziumschicht 44a ein gleichmässiges N-Typmaterial vor der Stufe 24. Die PN-Verbindung kann leicht in der N-gedopten Siliziumschicht 44a durch Dopen der Siliziumschicht 44a und mit einem P-artigen Dopingmittel aus der oberen Fläche 45 bis zu einer besonderen Tiefe, beispielsweise der Hälfte der Siliziumschicht 44a gebildet werden. In einem solchen Fall ist die Bodenhälte der Siliziumschicht N-gedoptes Material und die obere Hälfte P-gedopt, so daß die erforderliche PN-Verbindung 63 geschaffen ist. Selbstverständlich könnte die PN-Verbindung umgekehrt werden, wobei das abgeschiedene Silizium anfänglich vom gedopten P-Typ ist, während seine obere Hälfte in einen N-Typ geändert wird.
  • Die Bildung der PN-Verbindung kann mittels verschiedener bekannter Verfahren einschließlich Diffusion, Aufwachsverfahren oder Ionenimplantation durchgeführt werden, obwohl Ionenimplantation in einigen Fällen auf Grund der genauen Steuerung des Dotierniveaus unter Fähigkeit einer Massenproduktion bevorzugt sein kann. Die Ausbildung der PN-Verbindung sollte in einem Vakuum durchgeführt werden. Dei Temperatur des Substrates 34 nach der Bildungsstufe der PN-Verbindung 63 wird typischerweise von 7000C, welches die Temperatur des Substrates während vorheriger Stufen war, auf 3750C abfallen.
  • In der nächsten Verfahrensstufe 26 wird eine zweite Elektrode 62 an der oberen Fläche 45 der wiedergeformten Siliziumschicht 44a gebildet, in welcher eine PN-Verbindung 63 gebildet worden ist. Diese zweite Elektrode 62 ist in ihren- Xigenschaften und in ihrem Zweck ähnlich der ersten Elektrode 4o. - Sie schafft guten ohmischen Kontakt zu der Oberseite der Siliziumschicht 44a und wird im allgemeinen durch herkömmliche Verfahren wie beispielsweise Vakuumverdampfen oder Abscheiden gebildet. Wenn die erste Elektrode 40 gemustert ist, wird die zweite Elektrode 62 kompakt sein und umgekehrt. Diese Stufe wird in einem nahen Vakuum durchgeführt, wobei sich das Substrat 34 typischerweise bei einer Temperatur von ungefähr 3750C befindet.
  • In der letzten Verfahrensstufe 28 wird eine lichttransparente Oxidschicht 64 auf die obere Fläche 66 der zweiten Elektrode 62 aufgebracht, um einen Schutz für die vervollständige Solarzelle zu schaffen Wie in verschiedenen der anderen Stufen wird das Oxid zweckmässig in einem nahen Vakuum abgeschieden, und die Temperatur des Substrates 34 beträgt annähernd 3750C.
  • Die Oxidschicht 64 in der gezeigten Ausführungsform ist relativ dünn in der Größenordnung von 5000 Angström und kann eine von einer Vielzahl unterschiedlicher Oxide sein einschließlich, jedoch nicht begrenzt ein pyr-olytisches Oxid ähnlich dem der Diffusionssperrschicht 36. Die Oxidschicht 64 hat den Primärzweck, die Rückseite der Solarzelle zu schützen.
  • Das Ergebnis des Verfahrens ist eine Solarzelle, die in ausgezogener Form in Fig. 5 dargestellt ist. Die Solarzelle nach Fig. 5 ist so orientiert, daß sich das Glassubstrat 34 zur Sonnenseite hin befindet, obwohl die Zelle selbstverständlich arbeiten würde, wenn sie entgeq-engesetzt orientiert wäre, vorausgesetzt, daß die besondere Elektrode, die sich zwischen der umgeformten Siliziumschicht 44a und der Sonne befindet, gemustert ist, so daß Licht von der Sonne tatsächlich auf die Siliziumschicht auftreffen kann. Bei der gezeigten und beschriebenen Ausführungsform umfaßt die vervollständigte Solarzelle der Reihe nach folgende Schichten mit den entsprechenden Dicken: 1. Ein Glassubstrat, annähernd 6,35 mm (für irdische Anwendungen); 2. eine Oxiddiffusionssperre, annähernd 5000 - 8000 Angström; 3. eine erste geformte bzw. gemusterte Elektrode, annähernd lo ooo - 20 ooo Angström; 4. eine grobkörnige polykristalline Siliziumaktivschicht oder in der Form eines Einkristalles mit einer darin ausgebildeten PN-Verbindung, annähernd lo bis loo Mikrometer; 5. eine zweite Elektrode, annähernd lo ooo - 20 ooo Angström und 6. eine schützende Glasschicht, annähernd 5000 Angström.
  • Für Weltraumanwendungen, bei denen das Gewicht kritisch ist, kann das Glassubstrat äußerst dünn sein, d.h. annähernd 250 Mikrometer.
  • Es sei hervorgehoben, daß die individuellen Verfahrensstufen, wie sie im Detail oben erläutert sind, als auch die besonderen Abmessungen, insbesondere die Dicke einer jeden Schicht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen.
  • Verschiedene Verfahrensschritte als auch viele der Eigenschaften und Abmessungen der sich ergebenden Schichten, welche die Solarzelle umfassen, können von dem Fachmann modifiziert werden, ohne sich jedoch dabei vom Kern der Erfindung zu entfernen. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren können nichtaufwendige, großflächige Solarzellen erzeugt werden, bei denen das aktive Halbleiterelement anfänglich auf einem Substrat in kleinkörniger polykristalliner Form abgeschieden wird. Die kleinkörnige polykristalline Schicht wird dann in einer genauen gesteuerten Weise geschmolzen, um eine grobkörnige polykristalline oder eine Einkristall-Siliziumschicht zu schaffen, in welcher dann eine PN-Verbindung ausgebildet wird. Elektroden oder ähnliche Vorrichtungen, die innerhalb der Konstruktion angeordnet sind, erlauben, daß ein Strom fließt, wenn sie mit einem Verbraucher verbunden ist.
  • Mittels dieses Verfahrens hergestellte Solarzellen können verschiedene Ausbildungen annehmen einschließlich solche, bei denen verschiedene Slliziumaktivschichten durch Elektrodenzwischenflächen getrennt sind, um so eine gestapelte Solarzelle zu ergeben, wodurch die Wirksamkeit erhöht wird und die Kosten der Solarzelle reduziert werden.

Claims (26)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen von Solarzellen, wobei ein Halbleitermaterial als Aktivelement verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat gebildet wird, daß eine erste Elektrode gebildet wird, daß eine Schicht des Halbleitermateriales abgeschieden wird, so daß eine Oberfläche in ohmischem Kontakt mit der ersten Elektrode ist, daß die erste Elektrode zwischen dem Substrat und der Halbleiterschicht angeordnet wird, daß die albleiterschicht rekristallisiert wird, um so wesentlich ihre Korngröße auf einen Wert zu erhöhen, bei welchem sie in einer Solarzelle nutzvoll ist, daß eine PN-Verbindung in der rekristallisierten Halbleiterschieht gesbildet wird, und daß eine @@@@@@ Elektrode gebildet wird, so daß sie in ohmischem Kontakt mit einer anderen Oberfläche der rekristallisierten Halbleiterschicht ist, so daß die so hergestellte Solarzelle einen Stromausgang in Ansprechen auf das Auftreffen von Licht auf die rekristallisierte Halbleiterschicht schafft.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Material umfaßt, welches im wesentlichen den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Halbleitermaterial aufweist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, welches das Substrat umfaßt, Glas ist.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silizium ist.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Elektroden in einem Muster gebildet wird, so daß Licht teilweise durch diese eine Elektrode gehen und auf die rekristallisierte Halbleiterschicht auftreffen kann.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Elektrode aus einem schwer schmelzbaren Metall besteht.
  7. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des Halbleitermateriales auf wenigstens annähernd 100 Mikrometer durch die Rekristallisationsstufe erhöht wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diffusionssperre an einer Oberfläche des Substrates ausgebildet wird, so daß diese Diffusionssperrschi.cht zwischen dem Substrat und der ersten Elektrode vorgesehen ist, und daß die Diffusionssperrschicht verhindert, daß Verunreinigungen in dem Substrat in die Halbleiterschicht während des weiterem Verfahrens wandern
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die DiffusionssperEe eirn Oxid ist
  10. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß eine schützende Schicht auf der Oberseite der zweiten DIektrodP ausgebildet wird
  11. 11. Verfahren nach-einem der vorhergehenden Anspruche, da durch gekennzeichnetL daß das Rekristallisieren der Halbleiterschicht ein Erhitzen dieser Halbleiterschicht mit Hilfe eines @@@@@@@@ @@@@@@@@@@@@@@@ @@@@@@@@@,
  12. 12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht eine Tiefe innerhalb des Bereiches von 1o bis loo Mikrometer aufweist.
  13. 13. Verfahren zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen unter Verwendung eines Halbleitermateriales als Aktivelement, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glassubstrat gebildet wird, daß das Glassubstrat im wesentlichen den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Halbleitermaterial aufweist, daß eine erste Elektrode gebildet wird, daß eine Schicht aus Halbleitermaterial abgeschieden wird, so daß eine Oberfläche in ohmischem Kontakt mit dieser ersten Elektrode ist, daß diese erste Elektrode zwischen dem Substrat und der Halbleiterschicht angeordnet wird, und daß diese Halbleiterschicht rekristallisiert wird, um ihre Korngröße wesentlich zu erhöhen, so daß sie Halbleiterqualität aufweist.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silizium ist.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Oberfläche des Substrates eine Diffusionssperrschicht ausgebildet wird, so daß diese Diffusionssperrschicht zwischen dem Substrat und der ersten Elektrode vorgesehen wird.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Rekristallisieren das Schmelzen der Halbleiterschicht mit einem Schwerpartikelstrahl einschließt.
  17. 17. Solarzelle mit einem Halbleitermaterial als ihr-Aktivelement, gekennzeichnet durch ein Substrat, eine abgeschiedene dünne Filmschicht aus Halbleitermaterial mit einer Korngröße, die ausreichend groß ist, um in einer Solarzelle nützlich zu sein, wobei die Halbleiterschicht einen PN-Anschluß aufweist, durch erste und zweite elektrisch leitende Elektroden an gegenüberliegenden Oberflächen der Halbleiterschicht und damit in ohmischem Kontakt, wobei die erste Elektrode im wesentlichen zwischen dem Substrat und der Halbleiterschicht vorgesehen ist und wobei die Solarzelle elektrischen Strom in Ansprechen auf das Auftreffen von Licht auf die Halbleiterschicht erzeugen kann.
  18. 18. Solarzelle nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht eine Dicke in dem Bereich von 10 - loo Mikrometer aufweist.
  19. 19. Solarzelle nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des Halbleitermateriales wenigstens annähernd 100 Mikrometer beträgt.
  20. 20. Solarzelle nach Anspruch 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Material umfaßt, welches im wesentlichen den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie die Halbleiterschlcht aufweist.
  21. 21. Solarzelle nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, welches das Substrat umfaßt, Glas ist.
  22. 22. Solarzelle nach Anspruch 17, 18, 19, 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht Silizium ist.
  23. 23. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Elektrode gemustert sind, so daß Licht teilweise dadurchgehen kann, um auf die Halbleiterschicht aufzutreffen.
  24. 24. Solarzelle nach Anspruch 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Elektroden aus schwer schmelzbarem Metall bestehen.
  25. 25. Solarzelle nach Anspruch 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß.eine Diffusionssperrschicht zwischen dem Substrat undder ersten Elektrode angeordnet ist, wobei die Diffusionssperrschicht verhindert, daß Verunreinigungen in die Halbleiterschicht während des Herstellens der Solarzelle wandern.
  26. 26. Solarzelle nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionssperrschicht ein Material umfaßt, welches einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der im wesentlichen gleich dem der Halbleiterschicht und des Substrates ist.
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DE3813737A1 (de) * 1988-04-23 1989-11-02 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zum herstellen von solarzellen sowie spiegelofen zur durchfuehrung des verfahrens

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