DE3226931A1

DE3226931A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von grossflaechigen, fuer die fertigung von solarzellen verwendbaren bandfoermigen siliziumkoerpern

Info

Publication number: DE3226931A1
Application number: DE19823226931
Authority: DE
Inventors: Josef Dr.rer.nat. 8137 Berg Grabmaier; Werner Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. 8752 Schölkrippen Grimm
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-07-19
Filing date: 1982-07-19
Publication date: 1984-01-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsvorrichtung für netzunabhängige Verbraucher, bei der in ein Gehäuse (10) ein Akkumulator (12) einführbar ist, der durch auf der Stromversorgungsvorrichtung vorgesehene Solarzellen (1-5) aufgeladen werden kann. Die Stromversorgungsvorrichtung kann aber auch zur Dauerstromversorgung eingesetzt werden, da die Solarzellen (1 bis 5) dann direkt Strom an den Verbraucher abgeben.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von groß-
flächigen, für die Fertigung von Solarzellen verwendbaren bandförmiaen SiliziumkörPern, Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von großflächigen, für die Fertigung von Solarzellen verwendbaren, bandförmigen Siliziumkörpern durch Beschichten eines, gegen die Siliziumschmelze resistenten, aber von Silizium benetzbaren, eine netzartige Struktur aufweisenden Trägerkörper, bei dem die Beschichtung in Bezug auf die Ziehgeschwindigkeit des zu beschichtenden Bandes so geführt wird, daß sich aufgrund der hohen Oberflächenspannung des geschmolzenen Siliziums.in den Maschen des Netzes eine dünne Siliziumschicht ausbildet, so daß nach dem Erstarren der netzartige Trägerkörper in den Siliziumkörper integriert ist.
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 wesentlichten Verschleiß unterworfen, und man kann daher solchen Anlagen eine sehr lange Lebensdauer voraussagen.
Bei der Herstellung von Solarzellen sind heute die Kosten für das Watt pro installierter Leistung im Modul noch sehr hoch (etwa 10 bis 20 $). Für einen großen Einsatz solcher Solaranlagen müssen diese Kosten erheblich gesenkt werden. Dies ist nur möglich durch den Einsatz neuer Technologien. Insbesondere sind Verfahren von Bedeutung, bei denen Silizium in. eine großflächige Form bei hohem Durchsatz pro Apparatur (1 m2/min) hergestellt werden kann.
Bisher bestehen Solarzellen aus Siliziumkristallscheiben, die durch einen material aufwendigen Trennprozeß, entweder aus z. B. nach dem Czochralski-Verfahren hergestellten Einkristallstäben oder aus gegossenen 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 und in der gewünschten Dicke anfällt, sind z. B. aus der Zeitschrift "Electronics" April 4, 1974, Seite 108, Figur 4 und Seite 110, Figur 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 ribbongrowth-method bekannt ist, wird ein einkristallines Siliziumband durch eine, in einem Formgebungsteil vorhandene Öffnung aus der Schmelze gezogen. Die erreichten Flächengeschwindigkeiten pro Apparatur liegen in Bereichen unter 50 cm2/min.
Größere Flächengeschwindigkeiten können erzielt werden, wenn gemäß der DE-OS 30 10 557 Al ein netzförmiger, gegenüber schmelzflüssigem Silizium resistenter, aber von Silizium gut benetzbarer Trägerkörper mit schmelzflüssigem Silizium flächenhaft beschichtet wird. Der netzförmige Trägerkörper kann z. B. aus dünnen Graphit- fäden oder aus mit Kohlenstoff beschichteten. Quarzglasfäden bestehen,-wobei die Maschenweite im Millimeter-Bereich liegt. Da durch die Verwendung eines Netzes als Trägerkörper die Kristallisation der Siliziumschmelze vorzugsweise in den Maschen des Netzes erfolgt und von der Geschwindigkeit, mit der der Trägerkörper.beschichtet wird, entkoppelt werden kann, können Ziehgeschwindigkeiten bis zu einigen Metern. pro Minute. erzielt. werden. Das bedeutet, daß bei einer Netzbreite von etwa 1 m nach diesem Verfahren Flächengeschwindigkeiten in der Größenordnung um einen m²/min erzielt werden können.
Diese Flächengeschwindigkeit liegt um zwei GröBenordnungen über den mit den bisher bekannten Flächenverfahren erreichbaren Flächengeschwindigkeiten und auch um zwei Größenordnungen über den mit den konventionellen Techniken des Tiegelziehens und Zonenziehens erzielbaren Flächengeschwindigkeiten. Solarzellen, die mit auf diese Weise erhlatenen Flächensilizium hergestellt werden, zeigen einen Sonnenergie-Umwandlungs-Wirkungsgrad um 10 %.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrundeliegt, besteht nun darin, die Flächengeschwindigkeit bei der Herstellung von Solarsilizium in Bandform noch weiter, das ^ heißt, bis in den Bereich von m²/sec dadurch zu erhöhen, daß die bei der Erstarrung des achmelzflüssigen Siliziums freiwerdende Schmelzenergie möglichst rasch abgeführt wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das schmelzflüssige Silizium aus der Schmelzwanne durch eine Düsenöffnung kontinuierlich auf den, an der vorbeigeführten, mit einem gekühlten rotierenden zylinderförmigen Körper in Kontakt gebrachten Trägkörper gespritzt und zum Erstarren veranlaßt wird.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei de erfindungsgemäßen Verfahren wird im Gegensatz zu d*s aus der DE-OS 30 10 557 bekannten Verfahren das Temperaturgefälle in der Siliziumschicht durch den kurzzeitigen kontakt des mit dem schmelzflüssigen Silizium beschichteten netzförmigen Trägerkörpers mit dem schnell rotierenden Zylinder hoher Wärmeleitfähigkeit sehr rasch eingestellt, während beim bekannten Verfahren das Temdurch die Wärmeableitung des Trägerkr.ri allein erfolgt.
Aus der DE-OS 28 30 522 ist zwar ein Verfahren zur Herstellung von Silizium-Bändern bekannt, bei dem in Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum flüssiges Silizium in einem gleichmäßigen Strahl auf eine rotierende Unterlage aufgebracht wird, so daß es in Form einer Folie oder eines Bandes in tangentialer Richtung von der rotierenden Unterlage geschleudert wird, doch ist dieser Siliziumkörper wegen des fehlenden Trägerkörpers wenig mechanisch stabil und erlaubt keine kontinuierliche Herstellung. Dieses Verfahren wird auch als "rollerquenching-method" bezeichnet.
Das "roller-quenchingw'-Verfahren ergibt im allgemeinen Bänder von 1 bis 5 cm Breite und 20 bis 200 m Dicke.
Aufgrund der Sprödigkeit des Siliziums und der hohen abzuführenden Schmelzwärme liegen die Geschwindigkeiten der rotierenden Unterlage zwischen 1 und 30 m/sec. Die entstehenden Siliziumbänder fallen zumeist als Bruch, im besten Fall als Stücke bis zu 20 cm Länge an.
Weitere Nachteile des roller-quenching-Verfahrens in der heutigen Form sind die geringe Korngröße (nur einige µm), die schwierige Kontrolle von Breite und Dicke der Bänder, die unkontrollierbare Verunreinigung der Siliziumbänder durch die rotierende Unterlage, sowie die starke Verspannung der Siliziumbänder. Attraktiv aber ist die hohe Geschwindigkeit, mit der die Siliziumbänder bei diesem Verfahren entstehen; sie ist im wesentlichen bestimmt durch die Haftung des erstarrenden Siliziums auf der rotierenden Unterlage.
Ein ähnliches Verfahren wie die roller-quenching-Methode ist zur Herstellung amorpher Metallbänder auch aus der DE-OS 29 38 709 zu entnehmen. Die Banddicke wird hier durch die Geschwindigkeit des Kühlkörpers, die im allgemeinen zwischen 10 und 50 m/sec liegt, eingestellt.
Bei dem Verfahren nach der Lehre der Erfindung wird die Banddicke, die Länge und die Breite des Siliziumbandes in erster Linie durch die Geometrie des netzartigen Trägerkörpers eingestellt. Die Korngröße kann durch die Maschenweite beeinflußt werden. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber allen bisher bekannten Verfahren.
Ein weiterer Vorteil ist, daß die Verunreinigung der Siliziumbänder durch Korrosion der rotierenden Unterlage durch die Verwendung des netzartigen Trägerkörpers stark gemindert wird. Dies trifft insbesondere zu, wenn nur Impf-Kontakt vorhanden ist, das heißt, die Kontaktfläche des flüssigen Siliziums mit dem rotierenden Zylinder ist verglichen mit der Größe einer Masche klein (z. B. 1/10) und ' soll nur die Kristallisation des flüssigen Siliziums in der Masche imitieren.
Die Verunreinigung der Siliziumbänder ist vernachlässigbar, wenn die Korrosion des rotierenden Zylinders durch Oberflächenvergütung oder durch Aufspannen spezieller, gegen Silizium resistenter Bänder aus zum Beispiel Molybdän, Wolfram oder Tantal ausgeschaltet wird. Bei geeigneter kristallographischer Struktur der vergüteten Oberfläche bzw. dieser Bänder kann zusätzlich Einfluß auf die Keimbildung und damit auf die Kristallisation des schmelzflüssigen Silizium genommen werden, zum Beispiel im Hinblick kolumnarer oder epitaktischer Erstarrung des Silizium Durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist die Möglichkeit gegeben, Siliziumbänder unter Verwendung eines netzartigen Trägerkörpers von 1 m Breite Flächen-2 geschwindigkeiten in der Größenordnung von m /sec zu erzielen. Die Kristallqualität dieser Bänder ist durchaus vergleichbar mit der Kristallqualität, die durch andere Flächenverfahren erzielt werden. Der Wirkungsgrad der aus diesen Bändern hergestellten Solarzellen liegt oberhalb 10 %.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung benutzt, welche, schematisch dargestellt anhand der in der Zeichnung befindlichen Figur nachfolgend näher erläutert wird.
Von einer Vorratstrommel 1 wird ein aus Graphitfäden von 100 m Fadenstärke bestehendes, bandförmiges Netz 2 mit einer Maschenweite von ca. 2 mm in Pfeilrichtung 3 abgespult und im Abstand von ca. 0,2 mm an der, im Bodenteil einer Schmelzwanne 4 befindlichen Düsenöffnung 5 vorbeigeführt. Die Düsenöffnung 5 ist auf die Oberfläche eines gekühlten (nicht dargestellt), rotierenden (siehe Pfeil 6), zylinderförmigen Körpers 7, der mit einer Oberflächenschicht eines hochschmelzenden Metalles vergütet ist und mit dem das bandförmige Graphitnetz 2 kurzzeitig in Kontakt gebracht wird, gerichtet.
Das unter einem Druck von ca. 40 mbar durch die Düse 5 mit einer Schlitzbreite von 0,5 mm im Bodenteil der Schmelzwanne 4 austretende schmelzflüssige Silizium 8 spritzt gegen'das mit einer Ziehgeschwindigkeit von ca. 1 m/sec bewegte, gerade auf dem rotierenden Zylinder (6,7) laufende Graphitnetz 2 und kühlt infolge des hohen, dort herrschenden Temperaturgradienten rasch ab, wobei das Siliziumband 9 entsteht, in welchem das Graphitnetz 2 integriert ist. Das beschichtete Siliziumband 9 wird nach seiner Fertigstellung sofort auf einer Speichertrommel 10 aufgespult (siehe Pfeil 11). Die in der Schmelzwanne 4 befindliche Siliziumschmelze 8 wird durch eine, mit einer Wärmeisolation 12 nach außen abgeschirmte Heizeinrichtung 13 auf Schmelztemperatur gehalten.
1 2 Patentansprüche 1 Figur

Claims

PatentansPrüche 1. Verfahren zum Herstellen von großflächigen, für die Fertigung von Solarzellen verwendbaren, bandförmigen Siliziumkörpern (9), durch Beschichten eines, gegen die Siliziumschmelze (8) resistenten, aber von Silizium benetzbaren, eine netzartige Struktur aufweisenden Trägerkörpers (2), bei dem die Beschichtung in Bezug auf die Ziehgeschwindigkeit des zu beschichtenden Bandes (2) so geführt wird, daß sich aufgrund der hohen Oberflächenspannung des geschmolzenen Silizium in den Maschen des.

Netzes (2) eine dünne Siliziumschicht ausbildet, so daß nach dem Erstarren der netzartige Trägerkörper (2) in den Siliziumkörper (9) integriert ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das schmelzflüssige Silizium (8) aus der Schmelzwanne (4) durch eine Düsenöffnung (5) kontinuierlich auf den an der Düsenöffnung (5) vorbeigeführten, mit einem gekühlten, rotierenden (6), zylinderförmigen Körper (7) in Kontakt gebrachten Trägerkörper (2) gespritzt und zum Erstarren veranlaßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z ei c h n e t , daß der Trägerkörper (2) vor der Beschichtung von einer Vorratstrommel (1) abgespult und nach der Beschichtung auf einer Speichertrommel (10) aufgespult wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, d a d u r c h g e k e.n n z e i c h n e t , daß ein netzartiger Trägerkörper (2) verwendet wird, der aus Graphitfäden oder graphitierten Quarzglasfäden von maximal 120 Mm Dicke besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Trägerkörper (2) mit einer Maschenweite von 0,5 - 3 min verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Ziehgeschwindigkeit und damit die Rotationsgeschwindigkeit des gekühlten, zylinderförmigen Körpers (7) auf 0,5 - 5 m/sec, vorzugsweise auf 1 m/sec eingestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein zylinderförmiger Körper (7) aus einem, eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Material verwendet wird, welcher auf einer Temperatur von maximal 20"C gehalten wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein Körper verwendet wird, der zumindest an seiner Oberfläche aus einem der Metalle Kupfer, Molybdän, Wolfram, Titan oder Tantal besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei einer Schlitzbreite der Düsenöffnung (5) von 0,5 mm der auf die Schmelze (8) wirkende Druck auf ca. 40 mbar eingestellt wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, g e k e n n -z e i c h n e t durch folgende Merkmale: a) einer, die Siliziumschmelze (8) aufnehmenden Schmelzwanne (4) mit einer im Bodenteil der Schmelzwanne (4) befindlichen düsenförmigentÖffnung (5), b) einer, die Schmelzwanne (4) umgebenden, wärmeisolierten (12) Heizeinrichtung (13), c) einem, im Bereich der düsenförmigen Öffnung (5) unterhalb der Schmelzwanne (4) angeordneten, rotierbaren, zylinderförmigen Körper (7) aus einem, eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Material, d) einer, bezüglich der Rotation -mit dem zylinderförmigen Körper (7) gekoppelten Vorratstrommel (1) für den netzartigen Trägerkörper (2) und e) einer, bezüglich der Rotation mit dem zylinderförmigen Körper (7) und der Vorratstrommel (1) gekoppelten Speichertrommel (10) für den beschichteten Trägerkörper (9).
io. Vorrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß zur Kühlung des zylinderförmigen Körpers (7) ein Kühlsystem vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 und/oder 10, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der zylinderförmige Körper (7) im Abstand von 0,1 bis 0,5 mm unterhalb der Düsenöffnung (5) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schmelzwanne (4) mit einer Reservoir verbunden ist, aus dem die Siliziumschmelze (8) laufend ergänzt wird.