DE3306135A1

DE3306135A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von polykirstallinen, grossflaechigen siliziumkristallkoerpern fuer solarzellen

Info

Publication number: DE3306135A1
Application number: DE19833306135
Authority: DE
Inventors: Richard Dr.Rer.Nat. 8025 Unterhaching Falckenberg; Josef Dr.rer.nat. 8137 Berg Grabmaier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-02-22
Filing date: 1983-02-22
Publication date: 1984-08-23

Abstract

Die erfindungsgemäße Sicherheits-Skibindung besitzt eine elektronische Schaltung, die die auf das Bein des Skiläufers einwirkenden Kräfte und/oder Momente durch mindestens einen Wandler erfaßt und bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellenwertes einen Elektromagneten erregt oder entregt, dessen Anker die Verriegelung des Sohlenhalters löst. Der Sohlenhalter ist von mindestens einer Feder in Richtung seiner geöffneten Stellung belastet und durch die Verriegelungseinrichtung in seiner geschlossenen Stellung gehalten. Zum Lösen der Verriegelung ist in der Verriegelungseinrichtung ein Auslöseteil vorgesehen und die Kraft mindestens einer Feder gespeichert, die ein Vielfaches der vom Anker aufgebrachten Kraft ausmacht. Ein einfacher mechanischer Aufbau und eine gute Bedienungsmöglichkeit der Sicherheits-Skibindung sind dadurch gegeben, daß dem Sohlenhalter (4) ein Schließpedal (5) zugeordnet ist und daß das Schließpedal (5) das Anfangsglied einer kinematischen Kette ist, die ein Spannstück (37) umfaßt, über das mit der Schließbewegung des Sohlenhalters (4) ein Spannen der entspannten, das Endglied der Kette bildenden Feder oder Federn der Verriegelungseinrichtung erfolgt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von poly-
kristallinen, großflächigen Siliziumkristallkörpern für Solarzellen.
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von polykristallinen, großflächigen Siliziumkristallkörpern, wie sie insbesondere zur Weiterverarbeitung von Solarzellen verwendet werden, durch kontinierliches Beschichten eines gegen schmelzflüssiges Silizium resistenten, von der Schmelze aber benetzbaren, eine netzartige Struktur aufweisenden Trägerkörpers, bei dem das schmelzflüssige Silizium in einem, sich in horizontaler Richtung erstreckenden Führungskanal mit dem sich Im Führungskanal bewegenden Trägerkörper in Kontakt gebracht wird, 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 zur Herstellung von Billigsilizium wird zum Beispiel in der DE-OS 28 50 805 beschrieben. Mit diesem Verfahren kann Flächensilizium bei hohem Durchsatz ( /V1 m2/min) für Solarzellen hergestellt werden, indem ein aus Graphit bestehender, mit Löchern versehener Trägerkörper im Durchlaufverfahren tangierend übers 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 durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, wie es in der Patentanmeldung 32 31 326.8 vorgeschlagen ist und bei dem das schmelzflüssige Silizium dem Trägerkörper mittels Kapillaren zugeführt wird, erreicht. Die Kapillaren münden in einen horizontalen Führungskanal, durch welchen der Trägerkörper, welcher aus Graphitfäden besteht und eine netzartige Struktur aufweist, zur Beschichtung durchgezogen wird. Bei dieser Beschichtungsvorrichtung liegt aus technischen Gründen der Schmelzpegel im Siliziumreservoir 10 bis 15 mm tiefer als der Führungskanal. Das hat zur Folge, daß auf die Siliziumschmelze, die von den Maschen des Trägerkörpers aufgenommen und mitgeführt wird, ein hydrostatischer Druck set . g . h, wobei h = 10 bis 15 mm, g = Dichte der Si-Schmelze und g = Erdbeschleunigung ist, wirkt, welcher die maximal füllbare Maschengröße auf etwa 5 x 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 Beschichtung ein Graphitnetz oder graphitiertes Quarzglasnetz mit einer Maschenweite im Bereich von 10 x 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 die Zuführung des Silizium in Form von freifallenden Schmelztropfen erfolgt, wobei der Impuls der Schmelztropfen vor Erreichen des horizontalen Führungskanals von einer Prallplatte, die zugleich die obere Begrenzung des Führungskanals bildet, aufgenommen wird und die Schmelze durch in der Prallplatte eingebrachte Bohrungen dem Trägerkörper zugeführt wird und dort das geschmolzene Silizium in die Maschen des netzförmigen Trägerkörpers eingebracht und zum Auskristallisieren veranlaßt wird.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist: a) eine beheizbare Schmelzwanne, die in ihrem Bodenteil mindestens eine, senkrecht nach außen führende Bohrung mit scharfkantiger Austrittsöffnung aufweist, b) eine unterhalb der Schmelzwanne angeordnete Prallplatte, die mit nach unten führenden Bohrungen versehen ist und zugleich die Oberbegrenzung eines sich in horizontaler Richtung erstreckenden Führungskanals für den zu beschichtenden Trägerkörper darstellt, c) einen von unten beheizbaren Führungskanal für den Trägerkörper, d) Antriebsmittel außerhalb der Beschichtungsanordnung, durch welche ein Transport des Trägerkörpers durch den Führungskanal ermöglicht wird und e) eine zwischen Führungskanal und der Heizanordnung für den Führungskanal angeordnete, sich über den Führungskanal hinaus erstreckende Auffangwanne für das nicht in das Maschennetz eingeschmolzenen Silizium. Dabei kann vor der Beschichtungsvorrichtung eine Vorratsrolle angeordnet sein, von der der Trägerkörper abgespult wird und im Anschluß an die Beschichtungsanordnung eine Speichertrommel vorgesehen sein, auf die der mit Silizium beschichtete Trägerkörper wieder aufgenommen wird.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im folgenden wird anhand von Ausführungsbeispielen und der Figuren 1 bis 3 das Verfahren nach der Lehre der Erfindung und die Vorrichtungen zu seiner Durchführung noch näher erläutert. Dabei zeigt die Figur 1 in schematischer Darstellung eine Beschichtungsanordnung einfacher Bauart mit nur einer Auslauföffnung im Wannenboden, die Figur 2 eine Ausführungsform, bei der die Zahl der dem Trägerkörper zugeführten Schmelztropfen durch Eintauchen eines Verdrängungskörpers in die Schmelzwanne gesteuert wird und die Figur 3 eine Ausführungsform, bei der eine Nachführung von Silizium in Form von Silizium-Körnern oder -Granulat in die Schmelzwanne erfolgt.
In den Figuren 1 und 2 ist auf die Darstellung der die Bewegung des Trägerkörpers und des Verdrängungskörpers bewirkende Mechanik verzichtet worden. Gleiche Teile sind in allen Figurerfmit gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1: Im Bodenteil einer mit Siliziumschmelze 1 gefüllten Schmelzwanne 2 befindet sich eine enge Bohrung 3 (Durchmesser z. B. 0,5 mm). An der scharfkantigen Umrandung der Auslauföffnung 4 reißen die sich bildenden Siliziumschmelztropfen 5 ab und fallen auf die in einem Abstand von mehreren Tropfendurchmessern (ca. 4) unter der Schmelzwanne 2 angeordnete Prallplatte 6, welche zugleich die obere Begrenzung des den Trägerkörper 7 in horizontaler Richtung führenden Kanals 8 darstellt. Der Trägerkörper 7 besteht aus einem Graphitfadennetz mit 2 einer Maschenweite bis zu 10 x 10 mm und wird vor dem Führungskanal 8 von einer Vorratstrommel (nicht dargestellt) abgespult und gegebenenfalls nach der Beschichtung als Siliziumband 9, in das der Trägerkörper 7 integriert ist, von einer Speichertrommel (nicht dargestellt) wieder aufgenommen. Die Prallplatte 6 ist mit einer Anzahl nach unten laufenden Bohrungen 10 versehen, die die Zufuhr von flüssigem Silizium in den Führungskanal 7 ermöglichen. Der Pfeil 11 zeigt die Ziehrichtung des Trsgerkörpers 7 an. Mit dem Bezugszeichen 12 sind die Heizer für die Beheizung der Schmelzwanne (1, 2), mit 13 der Heizer für den Trägerkörper 7 und mit 14 eine Auffangwanne zum Schutze für den Heizer 13 für die nicht in den Trägerkörper 7 eingeschmolzenen Siliziumtropfen bezeichnet.
Die Wirkung des hydrostatischen Druckes ist in dieser Vorrichtung ausgeschaltet. Die Schmelze verteilt sich auf der 5 mm dicken Prallplatte 6, welche vorzugsweise aus Graphit oder Quarzglas besteht und gelangt durch die Bohrungen 10 in den Führungskanal 8. Der Durchmesser der Bohrungen 10 hängt vom Material der Prallplatte 6 bzw.
vom Benetzungswinkel ab.
Die Masse MT eines Siliziumschmelztropfens 5 hängt vom Radius r der Auslauföffnung 4 ab und läßt sich abschätzen aus MT . g C $-r1n, wobei Oberflächensoannuna der

g die Erdbeschleunigung,ud die

Siliziumschmelze ist. A S hslt

man das Tropfenvolumen VT und den Tropfenradius RT. Nachfolgende Tabelle gibt einige Zahlenwerte: r /im/ MT /g/ RT/mm/ VT /mm 3/ I 0.5 .23 2.9 100 0.25 0.11 2.3 50 0.15 0.07 1.9 27 Zieht man ein Siliziumband (9) mit einer Breite von 10 cm und einer Dicke von 0,03 mm mit einer Ziehgeschwindigkeit von 50 cm/min, so ist eine Zufuhr von 15 cm3 /min an Silizium-Volumen erforderlich. Das entspricht 300 Tropfen/min mit einem Radius von 2,3 mm.
Figur 2: Die ungefähre Zahl der Schmelztropfen 5 pro Minute wird dadurch eingestellt, daß zum Beispiel durch Eintauchen (siehe Doppelpfeil 19) eines Verdrängungskörpers 15 in die in der Schmelzwanne 2 befindliche Siliziumschmelze 1 einer oder- mehrere auf unterschiedlicher Höhe liegende Uberlauföffnungen 16, 17 von der Siliziumschmelze 1 gefüllt werden. Die genaue Zahl der Tropfen (5) läßt sich einstellen, indem oberhalb einer Uberlauföffnung 16, 17 zusätzlich ein bestimmter hydrostatischer Druck eingestellt wird, der sich aus der Höhe p der Schmelzpegel über der Ausflußöffnung 4a ergibt.
Die Zahl der pro Zeiteinheit auf die Prallplatte 6 fallenden Schmelztropfen 5 muß der jeweiligenlBandgeschwindigkeit (11) angepaßt werden. Nimmt die im Führungskanal 8 befindliche Schmelzmenge (18) ab, so entleert sich der Kanal 8 in Ziehrichtung 11. Der Grad der Entleerung kann als Regelgröße für die Schmelztropfensteuerung, zum Beispiel durch Beobachtung des Meniskus am Einlauf des Graphitnetzes 7 in den Kanal 8 benutzt werden.
Figur 3: Die Nachführung des Silizium in die Schmelzwanne 2 erfolgt kontinuierlich in Form von Granulat 20, welches aus einem Vorratsbehälter 21 mittels einer Dosiervorrichtung in Gestalt einer Schüttelrinne 22 entnommen und durch ein mit der Schmelzwanne 2 verbundenes Fallrohr 23 der Schmelze 1 zugeführt wird. Da das Granulat 20 spezifisch leichter als die Siliziumschmelze 1 ist, schwimmt es auf der Schmelze 1 bis es durchgeschmolzen ist. Um eine Verstopfung der Austrittsöffnung 4 im Bodenteil der Schmelzwanne 2 durch ungeschmolzenes Material zu vermeiden, ist der Schmelzraum la um die Austrittsöffnung 4, die in Richtung Schmelze 1 in eine, in einem Überlauf 24 befindliche Kapillare 25 übergeht, durch einen Hohlkörper 26 (Diaphragma) vom Schmelzraum 1 getrennt. Der Übertritt von Schmelze aus dem Schmelzraum 1 in den Schmelzraum la ist nur durch Kanäle (siehe Pfeile 27 für die Strömungsrichtung), die unter der Schmelzoberfläche liegen, möglich. Durch das abgeschrägte Dach des Hohlkörpers 26 wird die Zuführung von Granulat 20 zur Schmelzoberfläche (1) begünstigt. Die Verwendung von Silizium in Form von Pulver bzw. Granulat hat den Vorteil, daß dieses bei der aluminothermischen bzw. carbothermischen Reduktion von Quarzsand anfällt und billig zur Verfügung steht.
Mit dem Bezugszeichen 28 ist die Abschirmung bezeichnet, in die die Beschichtungsanordnung eingebaut ist.
Die Tropfgeschwindigkeit (5) wird direkt über die nachgeführte Granulatmenge gesteuert. Das ist möglich, weil die Zahl der pro Minute gebildeten Tropfen N von dem über der Austrittsöffnung 4 anstehenden hydrostatischen Druck wie folgt abhängt: N = K . r3 . (1 + h/hK). Demgemäß kann die grobe Einstellung des Regelbereiches durch die Wahl geeigneter Abmessungen von Kapillarhöhe hK und Kapillarradius r erfolgen. Die Feinregelung geschieht durch Einstellung der Schmelzpegelhöhe h. Beispiel: Bei einem Tropfengewicht von etwa 0,23 g erhält man für r = 0,5 mm und h = 0 eine Tropfenzahl N von ungefähr 60/min und für h=hK eine Tropfenzahl N von ungefahr 120/min.
Die Regelung der Dosiervorrichtung (22) erfolgt durch Be- obachtung der Meniskuskrümmung der Siliziumschmelze, zum Beispiel an der Stelle der Graphitnetzeinführung in den Führungskanal 8 (siehe Pfeil 8).
Um einen kontinuierlichen Langzeitbetrieb zu ermöglichen, kann auf den Vorratsbehälter 21 ein weiterer Behälter aufgesetzt werden. Dieser sitzt in einer Schleuse und kann durch ein Schleusenventil vom Vorratsbehälter 21 getrennt werden. Dadurch ist eine Auswechselung bzw. eine Nachfüllung während des Betriebes ohne Störung des Beschichtungsvorganges möglich.
Bei einer Herstellung von Flächensilizium mit netzförmigen Graphitträgerkörper können nach der Lehre der Erfindung Maschen von einer Größe von 10 x 10 mm2 problemlos gefüllt werden.
11 Patentansprüche 3 Figuren

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen von polykristallinen, großflächigen Siliziumkristallkörpern (9), wie sie insbesondere zur Weiterverarbeitung von Solarzellen verwendet werden, durch kontinuierliches Beschichten eines gegen schmelzflussiges Silizium resistenten, von der Schmelze aber benetzbaren, eine netzartige Struktur aufweisenden Trägerkörpers (7), bei dem das schmelzflüssige Silizium (1) in einem, sich in horizontaler Richtung erstreckenden Führungskanal (8) mit dem sich im Führungskanal (8) belegenden Trägerkörper (7) in Kontakt gebracht wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Zuführung des Silizium (1) in Form von freifallenden Schmelztropfen (5) erfolgt, wobei der Impuls der Schmelztropfen (5) vor Erreichen des horizontalen Führungskanals (8j von einer Prallplatte (6), die zugleich die obere Begrenzung des Führungskanals (8) bildet, aufgenommen, die Schmelze durch in der Prallplatte (o) eingebrachte Bohrungen (10) dem Trägerkörper (7) zugeführt und dort das geschmolzene Silizium (1, 18) in die Maschen des netzförmigen Trägerkörpers (7) eingebracht und zum Auskristallisieren veranlaßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß zur Bildung der Schmelztropfen (5) eine, mit mindestens einer, in ihrem Bodenteil befindlichen Bohrung (3) mit scharfkantiger Austrittsöffnung (4) versehene Schmelzwanne (2) verwendet 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 zum Herstellen eines Siliziumkristallbandes (9) gleichmäßIger Dicke die Zahl der pro Zeiteinheit auf die Prallplatte (5) fallenden Schmelztropfen (5) der Transportgeschwindlgkeit (11) des Trägerkörpers (7) über die Einstellung eines empirisch ermittelten hydrostatischen Druckes, der sich aus der Schmelzpegelhöhe p über der Austrittsöffnung (4 ergibt, angepaßt wird.
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 als Trägerkörper ein bandförmiges Graphitnetz (7) oder graphitiertes Quarzglasfadennetz mit einer Maschen weite von vorzugsweise 10 x 10 mm2 verwendet wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) einer beheizbaren (12) Schmelzwanne (2), die in ihrem Bodenteil mindestens eine, senkrecht nach außen führende Bohrung (3) mit scharfkantiger Austrittsöffnung (4, 4a, 4b) aufweist, b) eine unterhalb der Schmelzwanne (2) angeordnete Prall-' platte (6), die mit nach unten führenden Bohrungen (10) versehen ist und zugleich die obere Begrenzung eines sich in horizontaler Richtung erstreckenden Führungskanals (8) für den zu beschichtenden Trägerkörper (7) darstellt, c) einem von unten beheizbaren (15) Führungskanal (8) für den Trägerkörper (7), d) Antriebsmitteln außerhalb der Beschichtungsanordnung, durch welche ein Transport (11) des -Trägerkörpers durch den Führungskanal (8) ermöglicht wird und e) einer zwischen Führungskanal (8) und der Heizanordnung (13) für den Führungskanal (8) angeordneten, sich über den Führungskanal (8) hinaus erstreckenden Auffangwanne (14) für das nicht in das Maschennetz (7) einge- schmolzene Silizium.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß vor der Beschichtungsanordnung eine Vorratsrolle angeordnet ist, von der der Trägerkörper (7) abgespult wird und im Anschluß an die Beschichtungsanordnung eine Speichertrommel vorgesehen ist, auf die der mit Silizium beschichtete Trägerkörper (9) wieder aufgenommen wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und/oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schmelzwanne (2) über den Austrittsöffnungen (4a, 4b) unterschiedlich hochliegende Überlauföffnungen (16, 17) aufweist und daß ein Verdrängungskörper (15) vorgesehen ist, durch den beim Eintauchen in die Schmelze (1) die Uberlauföffnungen (16, 17) von der Schmelze (1) gefüllt werden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5 und/oder 6, d a -durch gekennzeichnet, daß zur kontinuierlichen Nachführung von Silizium (20) in die Schmelzwanne (2) ein über der Schmelzwanne (2) angeordneter Vorratsbehälter (21) für Silizium in Körner-oder Granulatform (20) mit einer Dosiervorrichtung (22) vorgesehen ist, daß die Schmelzwanne (2) so ausgebildet ist, daß sie in ein, sich nach oben in Richtung Dosiervorrichtung (22) erstreckendes Fallrohr (23) mündet, daß die Schmelzwanne (2) in ihrem Bodenteil über der Austrittsöffnung (4) einen, in die Schmelze (1a) ragenden Überlauf (24) mit einer, die Schmelze an die Austrittsöffnung (4) transportierenden Kapillare (25) enthält, und daß der Überlauf (24) mit der Kapillare (25) von einem in die Schmelze (1) tauchenden, als Diaphragma wirkenden, mit einem schrägen Dach versehenen Hohlkörper (26) zentrisch umgeben ist, dessen Dach zugleich als Zuführung für das aus dem Vorratsbehälter (21) kommende Silizium (20) dient.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, da d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß als Dosiervorrichtung eine Schüttelrinne (22) vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und/oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Vorratsbehälter (21) über eine Schleuse mit einem weiteren Vorratsbehälter für Silizium in Körner- oder Granulatform gekoppelt ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die gesamte Beschichtungsanordnung mit einer Abschirmung (28) umgeben ist, in der Öffnungen für die Zuführung des Trägerkörpers (7) und des Fallrohres (23) sowie für den Abtransport (11) des beschichteten Siliziumbandes (9) eingebracht sind.