DE3010557C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von großflächigen Siliziumkörpern für Solarzellen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von großflächigen Siliziumkörpern für Solarzellen

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Description

a) einer die Siliziumschmelze aufnehmenden Schmelzwanne mit einem, im Boden der Schmelzwanne befindlichen Kanal, der in eine in Richtung Schmelzoberfläche angeordneten, spaltförmigen, den Abmessungen des bandförmigen Netzes angepaßte Öffnung mündet,
b) einer unterhalb der Schmelzwanne im Bereich des Führungskanals angeordneten, das bandförmige Netz in aufgespulter Form enthallenden Vorratsrolle und
c) einer oberhalb der Schmelzwanne im Bereich des Führungskanals angeordneten, das beschichtete bandförmige Netz aufnehmenden Speichertrommel.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzwanne aus zwei Hälften besteht
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet daß die Schmelzwanne mit einem Reservoir verbunden ist
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von großflächigen Siliziumkörpern, insbesondere für Solarzellen, durch Inkontaktbringen des geschmolzenen Silizium mit einem gegen die Schmelze resistenten Trägerkörper mit netzartiger Struktur aus einem von Silizium benetzbaren Fasermaterial und nachfolgendes Erstarrenlassen des mit dem geschmolzenen Silizium beschichteten Trägerkörpers.
Ein solches Verfahren ist aus der DE-OS 28 50 805 bekannt.
Die Ausnutzung des fotoelektrischen Effektes zur Direktumwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität durch die »Solarzelle« ist von großem Interesse für die Zukunft bei der Suche nach Energiequellen. Der Vorteil der Solarzelle liegt einmal darin, daß sie direkt Elektrizität erzeugt; zum anderen sind ihre Bauteile keinem wesentlichen Verschleiß unterworfen und man kann daher solchen Anlagen eine sehr lange Lebensdauer voraussagen.
Diesen Vorteilen steht der Nachteil geringer Energiedichte der Sonneneinstrahlung an der Erdoberfläche gegenüber, nur etwa ein kW/m2 an einem klaren Tag mit der Sonne im Zenit. Mit Wirkungsgraden um 10% kann man also im maximalen Sonnenlicht pro Stunde eine kWh Elektrizität aus 10 m2 Solarzelle erhalten.
Die technische Nutzung von Solarzellen hängt aber nicht nur von der verfügbaren Sonneneinstrahlung und dem Wirkungsgrad der Energieumwandlung ab, sondem vor allen Dingen von den Kosten für das Material. Diese Kosten werden von zwei Faktoren bestimmt:
1. Den Kosten für das aus Silizium bestehende Ausgangsmaterial,
2. den Verfahren zur Herstellung der Solarzellen.
Um bei der Solarzelle den Materialverbrauch auf ein Minimum zu beschränken, ist man bestrebt, die Solarzelle so dünn wie möglich zu machen und hohe Ausbeuten zu erreichen. Im Falle des Silizium liegt die Minimaldicke, die etwa 95% Sonnenabsorption erlaubt, bei 100 μίτι. Um hohe Bruchverluste zu vermeiden, wählt man jedoch für die Solarzellenherstellung wesentlich größere Dicken.
Bisher bestehen Solarzellen aus Siliziumkristallscheiben, die durch einen materialaufwendigen Trennprozeß, entweder aus zum Beispiel nach dem C/.ochralski-Verfahren hergestellten Einkristallstäben oder aus gegosse-
nen Polykristallen mit einer Vorzugsrichtung der Kristallite, wie in der DE-AS 25 08 803 beschrieben, hergestellt werden.
Verfahren, bei denen das Silizium gleich in flächenhafter Form in der gewünschten Dicke anfallt, sind zum Beispiel aus der Zeitschrift »Electronics« April 4, 1974, Seite 108, Figur 4 und Seite 110, Fig>j-5 bekannt Bei dem in Figur 4 beschriebenen Verfahren wird ein polykristallines Siliziumband von mindestens 1 m Länge durch Aufgießen einer Siliziumschmelze auf eine gekühlte und bewegte Unterlage aus Molybdän oder aus einem mit einer Siliziumnitridschicht überzogenen transportablen Band, ähnlich dem Fließbandprinzip gebracht. Bei dem in Figur 5 beschriebenen Verfahren, welches als ribbon-growth-method bekannt ist, wird ein einkrislallines Siliziumband durch eine in einem Formgebungsteil vorhandenen Öffnung aus der Schmelze gezogen. Nach beiden Verfahren lassen sich auch unter optimalen Bedingungen in einer Vorrichtung nur 24 cm2 Siliziumband in der Minute herstellen. Beim ribbongrowth geht man deshalb dazu über, zur Erhöhung des Durchsatzes in einer Vorrichtung durch Anordnung mehrerer Öffnungen nebeneinander gleichzeitig mehrere Bänder zu ziehen, was aber technisch sehr aufwendig ist.
Zur Reduzierung des Materialverbrauchs verwendet man für die Beschichtung Fremdsubstrate, welche man entweder mit der Schmelze in Kontakt bringt oder auf ■die man das Silizium aus der Gasphase niederschlägt. Da aber für Silizium geeignete Substrate sehr teuer sind „und außerdem die Rekristallisation des Silizium auf Substrate nicht schneller erfolgt als die Kristallisation direkt aus der Schmelze, besieht hier kein Vorteil gegenüber dem Bandziehen.
Das aus der DE-OS 28 50 805 bekannte Verfahren verwendet unter anderem als Substrat einen, die Schmelzoberfläche zeitweilig abdeckenden Körper aus einem, von geschmolzenem Silizium benetzbaren Fasermaterial mit netzartiger Struktur, so daß sich bei der Rekristallisation der Siliziumschicht eine Kolumnarstruktur mit der Maschenweite des Netzes angepaßtem Querschnitt der Säulen ausbildet.
Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, daß in der DE-OS 28 50 805 beschriebene Verfahren zu verbessern und ein Verfahren anzugeben, bei dem
1. eine hohe Flächengeschwindigkeit (= hoher Durchsatz) erzielt wird,
2. ein minimaler Materialverbrauch erfolgt,
3. eine einfache Weiterverarbeitung möglich ist und
4. ein hoher Wirkungsgrad der aus diesem Material gefertigten Solarzelle erwartet werden kann.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Beschichtung in bezug auf die Ziehgeschwindigkeit so geführt wird, daß sich in den Maschen des Netzes eine dünne Siliziumschicht von weniger als 150 μΐη Dikke ausbildet. Nach dem Erstarren ist dann das aus den Fasern bestehende Netzwerk in den Siliziumkörper integriert.
Es liegt im Rahmen des Erfindungsgedankens, daß als Trägerkörper ein Netz aus Graphitfäden oder aus graphitierten Quarzglasfäden von maximal 120 μΐή Dicke verwendet wird, wobei die Maschenweite des Netzes ungefähr 1 cm beträgt. Die Mischen des Netzes haben vorteilhaft die Form eines Quadrates, einer Raute oder eines gleichseitigen Sechsecks.
Mit dem Verfahren nach der Lehre der Erfindung lassen sich Flächengeschwindigkeiten (größer 1 m2/h) erzielen, die um Größenordnungen höher liegen als bei den bekannten Verfahren, da es bezüglich der Breite des Siliziumkörpers, zum Beispiel eines Siliziumbandes, keine Begrenzung gibt Die Flächengeschwindigkeit wird nicht mehr von der Kristallisationsgeschwindigkeit bestimmt, sondern von der Geschwindigkeit, mit der das Silizium das Graphitnetz benetzt und von der Geschwindigkeit, mit der das Netz bewegt wird.
Wegen der geringen Dicke der Siliziumschicht (Siliziumhäutchen in den Maschen des Netzes) von nur etwa 100 bis 150 μπι (dies entspricht der notwendigen Dicke für quantitative Lichtabsorption) läßt sich der Siliziummaterialverbrauch auf ein Minimum beschränken, was etwa einer Materialeinsparung gegenüber den herkömmlichen Techniken um den Faktor 5 entspricht Wegen der Kristallisation der Siliziumschicht in der geringen Dicke von nur etwa 100 μπι ist die Kristallperfektion des Siliziumkörpers sehr hoch und mit der von nach dem Czochralski-Verfahren hergestellten Kristallen vergleichbar. Der Wirkungsgrad liegt über 10%.
Das in den Siliziumkörper integrierte Fasernetz gibt dem Siliziumkörper (zum Beispiel Siliziumband) eine hohe mechanische Festigkeit, wodurch es trotz seiner geringen Dicke selbsttragend wird. Wegen der netzartigen Struktur des Trägerkörpers ist der Materialbedarf für den Trägerkörper äußerst gering. Außerdem sind die Netze großtechnisch billig herstellbar.
Weitere Einzelheiten, insbesondere über die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und der F i g. 1 bis 5 in schematischer Darstellung noch näher beschrieben. Dabei zeigt die
F i g. 1 die Struktur des verwendeten Trägerkörpers, die
F i g. 2 bis 4 verschiedene Beschichtungsarten und die Fig.5 die Möglichkeit der Herstellung eines pn-Überganges während der Beschichtung.
In Fig. 1 ist in Draufsicht ein bandförmiges Netz 2 aus Graphitfäden 3 dargestellt. Durch den Pfeil 4 soll die Ziehrichtung markiert werden. Wie aus der Figur ersichtlich, sind im Hinblick auf ein günstiges Kristallwachstum (Keimauswahl in den Ecken) die Maschen im Netz 2 so angeordnet, daß eine Masche mit einer Ecke beginnt, wenn man in Längsrichtung des Netzes und entgegen der Ziehrichtung (4) sieht.
Fi g. 2 zeigt ein auf einen Rahmen 5 mit Halterung 6 aufgespanntes Graphitfasernetzt 7, welches in eine geschmolzene, Silizium 8 enthaltende Schmelzwanne 9 eingetaucht ist. Bei diesem diskontinuierlichen Beschichtungsprozeß, welcher durch kurzzeitiges Eintauchen des gerahmten Netzes (5, 6, 7) in die Siliziumschmelze 8 erfolgt, wird ein Rahmen von der Größe 0,5 χ 0,5 m2 verwendet.
In F i g. 3 wird ein bandförmiges Graphitfasernetz 10 dadurch mit Silizium beschichtet, daß dieses Graphitnetz 10 durch einen im Boden der Schmelzwanne 12 befindlichen Kanal 18, der in Richtung Schmelzoberfläche in eine spaltförmige Öffnung 11 mündet, geführt durch die Siliziumschmelze 13 in Pfeilrichtung 14 gezogen wird. Dabei wird das Graphitnetz 10 von einer Vorratsrolle 15 abgespult und das beschichtete Graphitnetz 30 auf einer Speichertrommel 16 (Trommeldurchmesser ca. 1 m) wieder aufgespult. Seitlich von der Schmelzwanne 12 wird die Schmelze 13 durch eine Zuführung 17 mit festem oder flüssigen Silizium ergänzt, so daß der
5
Schmelzpegel immer auf konstanter Höhe bleibt. Die Abmessungen der spaltförmigen Öffnung 11 sind der Fadenstärke und der Breite des Graphitnetzes 10 angepaßt.
Ein weiteres kontinuierliches Durchlaufverfahren ist aus Fig.4 zu entnehmen. Dabei erfolgt die Beschichtung des Netzes 10 dadurch, daß geschmolzenes Silizium 13 aus einem, in der Bodenecke einer Schmelzwanne 19 befindlichen Spalt 20 auf das Netz 10 fließt, welches senkrecht zum Spalt 20 und in geringem Abstand davon bewegt wird. Der Netztransport erfolgt hier, wie bereits in F i g. 3 beschrieben, von einer Vorratsrolle 15 auf eine Speicherrolle 16 in Pfeilrichtung 14.
Fig.5 zeigt die Möglichkeit, einen pn-übergang in das mit Graphitfäden verstärkte Siüziumband 30 während der Beschichtung einzubringen. Dabei ist die das geschmolzene Silizium 13 enthaltende Schmelzwanne 21 in zwei Hälften 22 und 23 geteilt, wobei die eine Wannenhälfte (22) mit einer Zuführung 24 für p-leitendes Silizium und die andere Wannenhälfte (23) mit einer Zuführung 25 für η-leitendes Silizium versehen sind. Ansonsten gelten die gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 3 beschrieben.
Bei den hohen Bandgeschwindigkeiten — es v/erden bevorzugt Geschwindigkeiten im Bereich von 50 cm/ min eingestellt — ist eine merkliche Verwischung des pn-Überganges durch Diffusion der n- und p-Dotierung in der Grenzfläche der beiden Schmelzen ausgeschlossen.
Der pn-Übergang kann aber auch nachträglich, ggf. 30 ¥},
nach Zerteilung des Körpers bzw. Bandes in entspre- |g/
chende, den gewünschten Abmessungen der Solarzelle |*
angepaßte Abschnitte durch Diffusion oder Ionenim- Ü
plantation in den Siliziumkörper (30) eingebracht wer- i;
den. Hierzu dienen die bekannten Verfahren der Halb- 35 |
leitertechnologie, die auch auf die Anbringung der Elek- g
trodenstrukturen anwendbar sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
40
45
50
55
60
65

Claims (12)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen von großflächigen Siliziumkörpern, insbesondere für Solarzellen, durch Inkontaktbringen des geschmolzenen Siliziums mit einem gegen die Schmelze resistenten Trägerkörper mit netzartiger Struktur aus einem von Silizium benetzbarem Fasermaterial und nachfolgendes Erstarrenlassen des mit dem geschmolzenen Silizium beschichteten Trägerkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung in bezug auf die Ziehgeschwindigkeit so geführt wird, daß sich in den Maschen des Netzes eine dünne Siliziumschicht von weniger als 150 μπι Dicke ausbildet
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägerkörper ein Netz aus Graphitfäden von maximal 120 μηι Dicke verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägerkörper ein Netz aus graphi-
' tierten Quarzglasfäden von maximal 120 μίτι Dicke verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschenweite des Netzes 1 cm beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Netz verwendet wird, dessen Maschen die Form eines Quadrates, einer Raute oder eines gleichseitigen Sechseckes aufweisen.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Netz auf einen Rahmen aufgespannt durch kurzzeitiges Eintauchen in die Siliziumschmelze beschichtet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein bandförmiges Netz verwendet wird, welches durch eine spaltförmige Öffnung im Boden der Schmelzwanne geführt durch die Siliziumschmelze gezogen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ziehgeschwindigkeit auf 20 bis 100 cm/min, insbesondere auf 50 cm/min, eingestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweigeteilte Schmelzwanne verwendet wird, wobei die eine Wannenhälfte eine Siliziumschmelze mit p-Dotierung, die andere Wannenhälfte eine Siliziumschmelze mit n-Dotierung enthält.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein bandförmiges Netz verwendet wird, welches senkrecht zu der im Boden der Schmelzwanne befindlichen spaltförmigen Öffnung bewegt und mit der Siliziumschmelze beschichtet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das bandförmige Netz vor der Beschichtung von einer Rolle abgespult und nach der Beschichtung auf einer Speichertrommel aufgespult wird.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 11, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
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