DE3306515A1 - Vorrichtung zum herstellen von grossflaechigen, bandfoermigen siliziumkoerpern fuer solarzellen - Google Patents

Vorrichtung zum herstellen von grossflaechigen, bandfoermigen siliziumkoerpern fuer solarzellen

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DE3306515A1 DE19833306515 DE3306515A DE3306515A1 DE 3306515 A1 DE3306515 A1 DE 3306515A1 DE 19833306515 DE19833306515 DE 19833306515 DE 3306515 A DE3306515 A DE 3306515A DE 3306515 A1 DE3306515 A1 DE 3306515A1
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Description

-1-
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA go ρ 1 1 Q η ΠΡ
Vorrichtung zum Herstellen von großflächigen, bandförmigen SiliziümkÖrpern für Solarzellen. ' '
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von großflächigen, bandförmigen Siliziumkörpern für Solarzellen durch kontinuierliches Beschichten eines gegen die Siliziumschmelze resistenten, von der Schmelze aber benetzbaren, eine netzartige Struktur aufweisenden Graphitträgerkörpers, bei der
a) ein die Siliziumschmelze aufnehmender Schmelztiegel vorgesehen ist, der in seinem Bodenteil senkrecht nach außen führende Ausflußöffnungen für die Zuführung der Schmelze zum Trägerkörper aufweist, und
b) unter dem Schmelztiegel im Bereich der Ausflußöffnungen ein in horizontaler Richtung verlaufender, beheizbarer Kanal für die Führung des Trägerkörpers angeordnet ist.
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 HaIbleiterbauelementen. 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 in der DE-OS 28 50 805 beschrieben. Mit diesem Verfahren
Edt 1 Plr/18.2.1983
->"-' νΡΛ »Ρ 1100.DE
kann Flächensilizium bei hohem Durchsatz (ungefähr 1 m / 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 Silizium der Trägerkörper im gebildeten Siliziumkörper integriert wird.
Technische Schwierigkeiten bereiten hierbei die in der Schmelze auftretenden Konvektionsströme, die zu beträchtlichen Temperaturschwankungen an der Kristallisationsfront und damit auch zu Schwankungen der Dicke des flächenhaften Siliziumkörpers führen. Auch ist es schwierig, die Siliziumschmelze kontinuierlich und gleichmäßig nachzuführen und damit den Schmelzpegel immer auf gleicher Höhe zu halten, was ebenfalls eine notwendige Voraussetzung für gleichmäßige Beschichtung des Trägerkörpers ist.
Eine weitere Verbesserung in Bezug auf die Kristallqualität und auch in Bezug auf die Gleichmäßigkeit der Beschichtung wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art erreicht, welche bereits in der Patentanmeldung 32 31 326.8 vorgeschlagen wurde. Dort wird, wie insbesondere aus Figur 1 zu entnehmen ist, ein netzartiger Trägerkörper in einen sich in horizontaler Richtung -erstreckenden Kanal unterhalb eines, mit Auslauföffnungen versehenen Schmelztiegels geführt, mit Siliziumschmelze in Kontakt gebracht und das Silizium in den Maschen des Netzes kristallisiert.' Bei dieser Beschichtungsvorrichtung ist die maximal füllbare Maschengröße auf 5 x 5 mm begrenzt und es wird nicht gewährleistet, daß eine gleichmäßige Beschichtung stattfinden kann, weil bei dieser Vorrichtung die Nachführung von Silizium in den Beschichtungskanal und auch in den Schmelztiegel nicht geregelt ist. Es wurde nämlich festgestellt, daß die im Kanal befindliche Siliziumschmelze auslaufen kann, sobald die
-"/-' VPA 83 P 1 1 0 Ο OE
Schmelze eine gewisse kritische Menge überschreitet.
Aufgabe der Erfindung ist es, sine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß eine gleichmäßige Beschichtung von insbesondere aus Graphitnetzen bestehenden Trägerkörpern mit schmelzflässigem Silizium ohne Nachführprobleme durch eine im Volumen variable Reserveschmelze gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, welche neben den Merkmalen a) und b) der eingangs genannten Vorrichtung durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:
c) der Kanal ist nach unten für die Aufnahme einer Schmelzreserve als flache Wanne ausgebildet,
d) der Boden des Schmelztiegels besteht aus einem von der Siliziumschmelze gut benetzbaren Material und
e) die Wanne für die Schmelzreserve besteht aus einem von der Siliziumschmelze nicht benetzbaren Material und weist zwei Bereiche a und b von unterschiedlicher Wannentiefe auf, wobei der Abstand Wannenboden/Tiegelboden des in Richtung beschichteten Trägerkörpers liegenden Bereiches a mindestens um den Faktor 2 größer ist als der Abstand Wannenboden/Tiegelboden des in Richtung unbeschichteter Trägerkörper liegenden Bereiches b .
30
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die Maßnahme, daß der Trägerkörper durch ein SiIiziumschmelzreservoir gezogen wird, bei welchem der Silizium-Meniskus an der Stelle, an welcher der Trägerkörper das Reservoir verläßt, erhalten bleibt, auch wenn sich
-ί- -j/- VPA 83 P ί ί 0 0 DE
die Silizium-Menge im Reservoir innerhalb verhältnismäßig großer Toleranzen, zum Beispiel bis zu 15 %, ändert/ wird eine sehr gleichmäßige Beschichtung erreicht.
Zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nunmehr auf die Figuren 1 bis 3 Bezug genommen. Dabei zeigt
die Figur 1 eine Vorrichtung nach der Lehre der Erfindung und
die Figuren 2 und 3 Prinzipskizzen zur Erklärung des Be-
netzungsverhaltens bei Verwendung unterschiedlicher Materialien.
Figur 1: Im Bodenteil eines mit Siliziumschmelze 1 gefüllten Schmelztiegels 2 aus Graphit befinden sich Ausflußöffnungen 3, durch welche das schmelzflüssige Silizium 1 in einen Kanal 4 gelangt. Durch diesen Kanal 4 wird ein aus einem Graphitnetz mit einer Maschenweite von 10 χ 10-mm bestehender·Trägerkörper 5 in horizontaler Richtung (siehe Pfeil 6) bewegt und mit dem Silizium (1) beschichtet. Der Kanal 4 wird nach oben begrenzt durch das Bodenteil des aus Graphit bestehenden Schmelztiegels 2 (von Silizium gut benetzt) und nach unten durch eine aus Quarz bestehende Wanne 7 (von Silizium schlecht benetzt), welche zwei Bereiche a und b unterschiedlicher Wannentiefe aufweist. Der dem beschichteten Trägerkörper 8 zugewandte Wannenbereich ist mit a, der dem unbeschichteten Trägerkörper 5 zugewandte Wannenbereich mit b bezeichnet. Die Quarzwanne 7 hat im Teil b einen ebenen Boden, dessen Abstand h1 zum Tiegelboden (2) mindestens um den Faktor 2 kleiner ist als der Abstand h'1 vom Boden im Teil a der Quarzwanne 7. Führt man der Quarzwanne 7 schmelzflüssiges Silizium 1 aus dem Graphitschmelztiegel 2 zu, so füllt sich zuerst der Wannenteil a. Die Schmelze steigt, bis Kontakt mit dem Boden des Graphittiegels 2
.VPA 83· P 1 1 0 0 DE
eintritt, ohne daß zunächst Teil b der Wanne 7 gefüllt wird. An der Austrittsstelle des Trägerkörpers 5 bildet sich ein Meniskus (siehe Pfeil 8), der oben an der Vorderkante des Graphitschmelztiegels 2 und unten an der Innenwand der Quarzwanne 7 endet. Verringert sich das Schmelzvolumen im Wannenteil a, so löst sich die Siliziumschmelze vom Graphitboden (2) und die Benetzung des Trägerkörpers 5 wird unterbrochen. Füllt man aber Schmelze in einem Maße nach, daß auch ein Teil des Wannen-IQ abschnittes b stets gefüllt bleibt, so besteht die Gefahr des Abreißens nicht, da jetzt ein "Reservevolumen" vorhanden ist; der Trägerkörper 5 wird unter dieser Bedingung gleichmäßig benetzt und es entsteht ein Siliziumband 9, in welches der Trägerkörper 5 integriert ist. Mit dem Bezugszeichen 10 sind Heizeinrichtungen, mit dem Pfeil 11 die Nachführung von Silizium in Granulatform 12 in den Schmelztiegel 2 bezeichnet.
Figur 2: Für den Abstand zwischen Graphitboden und Quarzwanne gilt die Überlegung, daß flüssiges Silizium 16 von einem ihn benetzenden schneidenförmigen Körper (hier Graphitkante 13) der Länge 1 nur die Höhe h hochgehoben werden kann:
ro . g = Ö5 · 2 . 1 ( cf = Oberflächenspannung) und Substitution nach £- γ und V ^ 2 h2/2 . 1 • zu hi% y *JK = 7 . 6 mm.
Figur 3: Denselben Wert erhält man auch für die Höhe der Kuppe eines Tropfens 14, der auf einer ebenen, nicht "benetzenden (Quarz) Unterlage 15 liegt, über der Ebene weitester horizontaler Ausdehnung" (Definition nach Kohlrausch). Stabile Silizium-Schmelzen-Konfigurationen in dem Raum zwischen Graphittiegelboden (2) und Quarzwanne (7) erhält man also für Werte von h^ 7,6 mm, wobei h analog Figur 3 an der in der Wanne liegenden Schmelze ohne Graphittiegel zu messen ist.
-3( - VPA 83 P 11 0 0. QE
Die Weite des Wannenteils a wird so bemessen, daß der Trägerkörper 5 während des Durchziehens (6) mit Schmelze 1 benetzt und gefüllt wird. Erfahrungsgemäß genügt dazu eine Strecke von 1,0 bis 5,0 cm, wenn die Ziehgeschwindigkeit bei etwa 10 cm/min liegt. Bei geeigneter Formgebung der Quarzwanne 7 kann das Gesamtschmelzvolumen um 30 bis 50 % schwanken, ohne daß die Benetzung des Trägerkörpers 5 beeinträchtigt wird. Dieser Toleranzbereich steht dann zur Regelung der Nachführung 11 zur Verfügung.
Die Nachführung 11 des Silizium 12 in den Graphittiegel 2 (siehe Figur 1) kann in Form von Granulat, Pulver oder in Tropfenform vorgenommen werden. Die Regelung der Nachführung (11, 12) erfolgt über eine Messung der Größe des "Reservevolumens", das heißt, des Schmelzvolumens, um dessen Betrag die Füllung der Quarzwanne 7 sich ändern kann, ohne daß die Benetzung des Trägerkörpers 5 sich ändert. Als Messinstrument können zum Beispiel zwei Pyrometer verwendet werden, die die minimale und maximale Füllung des Reservevolumens anzeigen und elektrisch mit der Nachfüllvorrichtung gekoppelt sind (in der Figur 1 nicht dargestellt).
5 Patentansprüche
3 Figuren

Claims (5)

  1. Patentansprüche
    '"'·"· '-"-' 3306515 VPA 83 P Π 0 0 DE
    Λ J Vorrichtung zum Herstellen von großflächigen, bandförinigen Siliziumkörpern (9) für Solarzellen durch kontinuierliches Beschichten eines gegen die Siliziumschmelze (1) resistenten, von der Schmelze aber benetzbaren, eine netzartige Struktur aufweisenden Graphitträgerkörpers (5), bei der
    a) ein die Siliziumschmelze (1) aufnehmender Schmelztiegel (2) vorgesehen ist, der in seinem Bodenteil senkrecht nach außen führende Ausflußöffnungen (3) für die Zuführung der Schmelze (1) zum Trägerkörper (5) aufweist,
    b) unter dem Schmelztiegel (2) im Bereich der Ausflußöffnung (3) ein in horizontaler Richtung (6) verlaufender, beheizbarer Kanal (4) für die Führung des Trägerkörpers (5) angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    c) der Kanal (4) nach unten für die Aufnahme einer Schmelzreserve als flache Wanne (7) ausgebildet ist,
    d) der Boden des Schmelztiegels (2) aus einem von der Siliziumschmelze (1) gut benetzbaren Material besteht und
    e) die Wanne (7) für die Schmelzreserve aus einem von der Siliziumschmelze nicht benetzbaren Material besteht und zwei Bereiche a und b von unterschiedlicher Wannentiefe aufweist, wobei der Abstand Wannenboden/Tiegelboden des in Richtung beschichteter Trägerkörper (9) liegenden Bereiches a mindestens um den Faktor 2 größer ist als der Abstand Wannenboden/Tiegelboden des in Richtung unbeschichteter Trägerkörper (5) liegenden Bereiches b .
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Schmelztiegel (2) zumindest in seinem Bodenteil aus Graphit und die Schmelzwanne (7) aus Quarz besteht.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß für eine Ziehgeschwindigkeit im Bereich von 10 cm/min die Länge des Wannenbereiches a auf einen Bereich von 6 cm und die des Wannenbereiches b auf einen Bereich von 3 cm eingestellt wird.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3/ dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch welche eine kontinuierliche Nachführung (11) von Silizium (12) in den Schmelztiegel (2) gewährleistet ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Regelung der Nachführung (11) über eine Messung des Schmelzvolumens im Wannenbereich b durch Messung der minimalen und maximalen Füllung über zwei Pyrometer erfolgt, die elektrisch mit der Machfüllvorrichtung (11, 12) gekoppelt sind.
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