DE3305933C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von großflächigen, polykristallinen Siliziumkristallkörpern für Solarzellen durch Beschichten eines, gegen schmelzflüssiges Silizium resistenten, von der Schmelze aber benetzbaren, eine netzartige Struktur aufweisenden Trägerkörpers, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Zur Herstellung von Solarzellen aus Silizium soll möglichst billiges Silizium verwendet werden, da die Anforderungen, die an diese Bauelemente in bezug auf Kristallqualität gestellt werden, nicht so hoch sind, wie bei den für integrierte Schaltungen einsetzbaren Halbleiterbauelementen. Es war deshalb ein Weg zu finden, Siliziumkristalle auf einfache und billige Weise herzustellen, das heißt möglichst ohne Materialverlust.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art stellt ein solches Verfahren dar und wird in der DE-OS 28 50 805 beschrieben. Mit diesem Verfahren kann Flächensilizium bei hohem Durchsatz (1 m²/min) für Solarzellen hergestellt werden, indem ein aus Graphit bestehender, mit Löchern versehener Trägerkörper im Durchlaufverfahren tangierend über die Oberfläche einer Siliziumschmelze gezogen wird, wobei bei der Kristallisation des Siliziums der Trägerkörper in den gebildeten Siliziumkörper integriert wird.

Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, daß Konvektionsströme in der Schmelze auftreten können.

Eine weitere Verbesserung in bezug auf die Kristallqualität wird erreicht, wenn, wie in der Patentanmeldung 32 31 326.8 vorgeschlagen, das schmelzflüssige Silizium dem Trägerkörper mittels Kapillaren zugeführt wird. Die Kapillaren münden in einen horizontalen Spalt, durch welchen der Trägerkörper, welcher aus Graphitfäden besteht und eine netzartige Struktur aufweist, zur Beschichtung durchgezogen wird. Bei dieser Ziehvorrichtung liegt aus technischen Gründen der Schmelzpegel im Siliziumreservoir 10 bis 15 mm tiefer als der horizontale Spalt. Das hat zur Folge, daß die Siliziumschmelze, die von den Maschen des Trägerkörpers aufgenommen und mitgeführt wird, ein hydrostatischer Druck ρ · g · h, wobei h=10 bis 15 mm ist, ρ = Dichte, von Silizium, g = Gravitation, wirkt, welcher die maximal füllbare Maschengröße auf etwa 5×5 mm² begrenzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, flächenförmige Siliziumkörper in Band- oder Plattenform mit einer für Solarzellen ausreichenden Kristallqualität herzustellen, bei dem als Trägerkörper für die Beschleunigung ein Graphitnetz oder graphitiertes Quarzglasnetz mit einer Maschenweite im Bereich von 10×10 mm² problemlos verwendet werden kann. Daneben ist es auch Aufgabe der Erfindung, mit möglichst kostengünstigem Ausgangsmaterial möglichst großflächige, bezüglich der Beschichtung gleichmäßige Siliziumkristallkörper herzustellen und dafür eine Vorrichtung zu verwenden, die einfach aufgebaut ist und einen hohen Durchsatz erlaubt.

Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der in Band- oder Plattenform vorliegende Trägerkörper mit einem in Band- oder Plattenform vorliegenden, bezüglich der Abmessungen mit dem Trägerkörper übereinstimmenden durch Sintern aus Siliziumkristallkörpern geringer Korngröße hergestellten Siliziumkörper in Kontakt gebracht und durch eine horizontale Heizeranordnung bewegt wird, wobei der über dem Trägerkörper flächig angeordnete Siliziumsinterkörper zum Aufschmelzen gebracht und in den Maschen des Netzes zum Kristallisieren veranlaßt wird. Die Maschenweite des aus einem Graphitfadennetz oder graphitiertem Quarzglasfadennetz bestehenden Trägerkörpers wird auf einen Bereich von 10×10 mm² eingestellt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung mit den folgenden Merkmalen vorgeschlagen:

• a) einer aus mehreren getrennt regelbaren Heizzonen bestehenden horizontalen Heizeranordnung,
• b) einer Transportvorrichtung, die den Trägerkörper durch die Heizeranordnung bewegt,
• c) einer vor der Heizeranordnung angeordneten Vorratstrommel, von der der bandförmige Trägerkörper abgespult wird,
• d) einer nach der Heizeranordnung angeordneten Speichertrommel, auf der der beschichtete Trägerkörper aufgenommen wird,
• e) einer vor der horizontalen Heizeranordnung und über der Vorratstrommel für den Trägerkörper angeordneten Zuführvorrichtung, in der die vorgesinterten Siliziumplatten übereinander hordenförmig gelagert sind, und
• f) einem Antrieb für die Zuführeinrichtung, durch welchen zeitgesteuert der Trägerkörper mit den vorgesinterten Siliziumkörpern von oben bestückt wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird anhand von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1 bis 4 das Verfahren nach der Lehre der Erfindung und die Vorrichtung zu seiner Durchführung noch näher erläutert. Dabei zeigt die

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Heizeranordnung während der Beschichtung, die

Fig. 2 und 3 Prinzipskizzen über den Kristallisationsvorgang nach Fig. 1 und die

Fig. 4 schematisch die Beschichtungsanordnung mit einer im Schnittbild dargestellten Zuführvorrichtung für gesinterte Siliziumplatten. Dabei ist auf die Darstellung der Heizeranordnung und der die Bewegung des Trägerkörpers sowie der die Nachführung der Siliziumplatten bewirkenden Mechanik verzichtet worden.

Fig. 1: Die in einem Magazin oder in einer Horde (in Fig. 4 dargestellt) befindlichen flächenförmigen Siliziumkörper 1, welche aus gesinterten Siliziumplatten bestehen, werden zusammen mit dem aus einem Graphitfadennetz bestehenden Trägerkörper 2 einer horizontalen Heizeranordnung zugeführt, in der das Silizium zum Aufschmelzen (10) gebracht, in die Maschen des Netzes des bewegten Trägerkörpers 2 eingefüllt und bis zum Ausgang des Spaltes 3 transportiert wird. Die Heizeranordnung selbst besteht aus mehreren getrennt regelbaren Heizöfen (4, 5, 6, 7), wobei vor dem Schmelzen (10) der Siliziumsinterkörper 1 eine Vorheizung 4 der flächenförmigen Siliziumsinterplatte 1 erfolgt und nach dem Durchlauf durch die Schmelzzone 10, beheizt vom Schmelzofen 5 und dem Heizofen 6, eine Nachheizung 7 durchgeführt wird. Durch eine Kühlvorrichtung 8 wird die Kristallisation des Siliziums in den Maschen des Trägerkörpers 2 begünstigt. Das kristallisierte Siliziumband mit dem integrierten Trägerkörper 2 ist mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet; die Pfeile 9 zeigen die Transportrichtung an. Bei einer Maschenweite von 10×10 mm² wird die Transportgeschwindigkeit auf einen Wert von etwa 50 cm/min eingestellt.

Durch das nur einseitige Vorheizen 4 der Silizium-Sinterplatte 1 mit einer mittleren Temperatur von etwa 1200°C soll verhindert werden, daß das Graphitfadennetz 2 unnötig lange auf hoher Temperatur bleibt und damit Verunreinigungen abgeben kann. Durch die Nachheizung 7 von unten mit einer mittleren Temperatur von 1000-1400°C bei gleichzeitiger Kühlung 8 von oben soll ein gerichtetes Erstarren der Siliziumschmelze begünstigt werden. Die zu erzielende Dicke des Siliziumschmelzfilms auf dem Trägerkörper 2 ist dabei umgekehrt proportional zur Maschenweite des Trägerkörpers 2, das heißt je weiter die Masche, desto dünner das kristallisierte Siliziumband 12. Bei einer Maschenweite von 5×5 mm² liegt die Dicke des kristallisierten Bandes unter 1 mm.

Fig. 2 zeigt im Detail den Übergang von der Schmelzzone 10 in das kristallisierte Siliziumband 12. Es gelten die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1. Die Nachheizzone 7 sowie die Vorheizzone 4 sind nicht in der Zeichnung enthalten. Mit dem Bezugszeichen 11 ist die Kristallisationsfront bezeichnet.

Fig. 3 zeigt eine Variante zu Fig. 2 zur Herstellung von besonders ebenen Siliziumbändern. Dabei dienen die Heizer 5 und 6 gleichzeitig zum Schmelzen der Siliziumsinterplatten und zur Formgebung des entstehenden Siliziumbandes 12. Die Vorheizung sowie der Spalt ist der besseren Übersicht wegen hier nicht dargestellt worden.

Bei einer Herstellung von Flächensilizium mit netzförmigen Trägerkörpern in Band- oder Plattenform nach der Lehre der Erfindung können Maschen von einer Größe bis in den Bereich von 10×10 mm² problemlos gefüllt werden. Dies bringt folgende Vorteile:

• 1. Eine große Maschenweite bedeutet niedrige Substratkosten.
• 2. Die horizontale Nachführung des Siliziums bewirkt, daß der hydrostatische Druck ρ · g · h wegen h≈0, bei der Füllung der Maschen keine Rolle spielt.
• 3. Der auskristallisierte Siliziumkörper enthält, bedingt durch das verwendete Substratmaterial, nur einen geringen Verunreinigungspegel.
• 4. Die Anordnung der Heizung in der Beschichtungsvorrichtung liefert eine hohe Kristallqualität.

Die unter Punkt 3 und 4 aufgezeigten Vorteile wirken sich sehr günstig auf den Wirkungsgrad der mit diesen Siliziumbändern hergestellten Solarzellen aus (ca. 12%).

Fig. 4 zeigt im Detail die Nachführung von Siliziumsinterplatten 1 in die Beschichtungsvorrichtung. Dabei ist der besseren Übersicht wegen auf die Darstellung der Anordnung der einzelnen Heizzonen verzichtet worden. Es gelten gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 bis 3. Der Pfeil 19 zeigt die Transportrichtung zum Schmelzofen an.

Die Siliziumsinterplatten 1 werden zweckmäßigerweise nach dem in der DE-OS 29 27 086 beschriebenen Verfahren hergestellt. Das Ausgangsmaterial ist Siliziumpulver mit einer Körnung <1 µm. Dieses Siliziumpulver wird mit einem Binder zu einem Schlicker verrührt und der Schlicker mit einem Ziehschuh auf einer Unterlage zu einer Folie ausgezogen. Die Folie wird getrocknet und die Unterlage entfernt. Dann wird die Folie auf ein Maß geschnitten, welches unter Berücksichtigung des Schwundes beim Sintern den Abmessungen einer Solarzelle (zum Beispiel 10×10 cm²) entspricht. Die Vorsinterung der Folie, die zu freitragenden Platten 1 führt, folgt bei Temperaturen zwischen 1250°C und 1300°C im Stapel. Da breits eine freitragende verdichtete Platte eingesetzt werden kann, ist die Temperaturführung hierbei von untergeordneter Bedeutung.

Die gesinterten Siliziumplatten werden, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, in einer Zuführvorrichtung 13 übereinander gestapelt. Der unter der Zuführvorrichtung 13 mittels einer Transportvorrichtung (in der Zeichnung nicht dargestellt) vorbeilaufende Trägerkörper 2 wird in gewünschten Abständen, zum Beispiel wie in Fig. 4 dargestellt oder auch kontinuierlich (wie in Fig. 1 dargestellt), mit den Siliziumsinterplatten 1 von oben (siehe Pfeil 20) belegt. Der aus einem bandförmigen Graphitnetz bestehende Trägerkörper 2 wird vor dem Beschichten von einer Vorratstrommel 14 abgespult und kann nach dem Beschichten auf einer Speichertrommel wieder aufgespult werden. Die Zuführvorrichtung 13 selbst besteht aus zwei Paar parallel übereinander angeordneten Rollen 15 und 16, wobei jeweils zwei übereinander angeordnete Rollen 15a und 16a und 15b und 16b mit einem endlos laufenden Band 15c und 16c versehen sind (ähnlich einem doppelseitigen Gurtförderer). Die an der Oberfläche der Endlosbänder 15c und 16c befindlichen Noppen 17 dienen als Auflagefläche für die Siliziumsinterplatten 1. Durch ein in der Figur durch die Pfeile 18 angedeuteten Antrieb werden die Rollenpaare 15a, 16a und 15b, 16b in eine gegensinnig zueinander laufende Bewegung versetzt, so daß zeitgesteuert in bestimmten Abständen der aus dem Graphitnetz bestehende Trägerkörper 2 mit den vorgesinterten Siliziumplatten 1 bestückt und der Heizeranordnung (siehe Pfeil 19) zugeführt wird. Nach der Kristallisation des Siliziums in den Maschen des Graphitnetzes werden die Solarzellen dann durch einfaches Zertrennen des Bandes erhalten.

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen von großflächigen, polykristallinen Siliziumkristallkörpern (12) für Solarzellen durch Beschichten eines gegen schmelzflüssiges Silizium (10) resistenten, von der Schmelze (10) aber benetzbaren, eine netzartige Struktur aufweisenden Trägerkörpers (2), dadurch gekennzeichnet, daß der in Band- oder Plattenform als Graphitnetz oder als graphitiertes Quarzglasfadennetz vorliegende Trägerkörper (2) mit einem in Band- oder Plattenform vorliegenden, bezüglich der Abmessungen mit dem Trägerkörper (2) übereinstimmenden durch Sintern aus Siliziumkristallkörpern geringer Korngröße hergestellten Siliziumkörper (1) in Kontakt gebracht wird und durch eine horizontale Heizeranordnung (4, 5, 6, 7, 8) bewegt wird, wobei der über dem netzförmigen Trägerkörper (2) flächig angeordnete Siliziumsinterkörper (1) zum Aufschmelzen gebracht und in den Maschen des Netzes (2) zum Kristallisieren veranlaßt wird.

2. Verfahren nach Asnpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flächenförmigen Siliziumsinterkörper (1) vor dem Schmelzen (10) vorgeheizt werden und nach dem Schmelzen (10) das in den Maschen des Trägerkörpers (2) kristallisierte Silizium nachgeheizt (7) wird mittels einer Heizeranordnung aus mehreren Heizzonen (4, 5, 6, 7), welche getrennt regelbar sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallisation des Siliziums in den Maschen des Trägerkörpers (2) zusätzlich durch eine von oben wirkende, lokale Kühlung (8) begünstigt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Art der Anordnung der Heizzonen (4, 5, 6, 7) und der Kühlzone (8) der Heizeranordnung nach dem Aufschmelzen (10) des Siliziumkörpers (1) die Form des entstehenden Siliziumkristallkörpers (12) eingestellt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 mit folgenden Merkmalen:

• a) einer aus mehreren getrennt regelbaren Heizzonen (4, 5, 6, 7) bestehenden horizontalen Heizeranordnung,
• b) einer Transportvorrichtung (9), die den Trägerkörper durch die Heizeranordnung bewegt,
• c) einer vor der Heizeranordnung (4, 5, 6, 7, 8) angeordneten Vorratsrolle (14), von der der bandförmige Trägerkörper (2) abgespult wird,
• d) einer nach der Heizeranordnung (4, 5, 6, 7, 8) angeordneten Speichertrommel, auf der der beschichtete Trägerkörper (12) aufgenommen wird,
• e) einer vor der horizontalen Heizeranordnung (4, 5, 6, 7, 8) und über der Vorratstrommel (14) für den Trägerkörper (2) angeordneten Zuführeinrichtung (13), in der die vorgesinterten Siliziumplatten (1) übereinander hordenförmig gelagert sind und
• f) einem Antrieb (18) für die Zuführeinrichtung (13), durch welchen zeitgesteuert der Trägerkörper (2) mit den vorgesinterten Siliziumkörpern (1) von oben (20) bestückt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (18) der Zuführeinrichtung (13) aus zwei Paar parallel zueinander angeordneten Rollen (15, 16) besteht, wobei jeweils zwei übereinander angeordnete Rollen (15a, 16a und 15b, 16b) mit einem endlos laufenden Band (15c, 16c) versehen sind, daß die Oberfläche der Endlosbänder (15c, 16c) mit Noppen (17) versehen ist, die als Auflagefläche für die Siliziumsinterplatten (1) dienen.