DE3338335A1 - Verfahren zum herstellen von grossflaechigen siliziumkristallkoerpern fuer solarzellen - Google Patents

Verfahren zum herstellen von grossflaechigen siliziumkristallkoerpern fuer solarzellen

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Description

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• 3-
Siemens Aktiengesellschaft Unser Zeichen Berlin und München VPA po ρ 18 5 5 DE
Verfahren zum Herstellen von groi3flächigen Siliziumkristallkörpern für Solarzellen.
Die Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von großflächigen Siliziumkristallkörpern für Solarzellen, bei dem als Ausgangsmaterial den Abmessungen der Siliziumkristallkörper angepaßte Siliziumkörper geringer Kristallkorngröße, vorzugsweise Silizium-Sinterkörper, verwendet werden und bei dem diese Körper in einer horizontalen Heizeranordnung nach dem Fließbandprinzip auf einem Trägerkörper zum Aufschmelzen und anschließenden Kristallisieren gebracht werden.
Ein ähnliches Verfahren ist in der deutschen Patentanmeldung P 33 05 933.0 vorgeschlagen worden. Bei diesem Verfahren wird ein aus einem netzartigen Graphitgewebe bestehender Trägerkörper mit einem, den Abmessungen des Trägerkörpers angepaßten Siliziumsinterkörper durch eine horizontale Heizeranordnung bewegt, wobei der über dem Trägerkörper angeordnete Siliziumsinterkörper zum Aufschmelzen gebracht wird und das geschmolzene Silizium in den Maschen des Graphitfasernetzes zum Kristallisieren veranlaßt wird. .Das Verfahren dient der kontinuierlichen Herstellung von Siliziumbändern für Solarzellen.
Das bei diesem Verfahren auftretende Problem liegt darin, daß infolge der Inkorporation des Graphitnetzes in das Silizium Verunreinigungen, die im Graphitnetz vorhanden sein können, in das Siliziumkristallgitter diffundieren und die Kristallqualität sowie die elektrischen Eigenschäften der aus diesem Material gefertigten Solarzellen
Edt 1 Plr/12.10.1983
verschlechtern.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, bei dem diese Nachteile ausgeschaltet sind.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß als Trägerkörper während des Aufschmelzens und des nachfolgenden Kristallisierens ein von schmelzflüssigem Silizium nicht oder nur schlecht benetzbares, überwiegend aus Quarz bestehendes Fasergewebe verwendet wird, welches nach dem Kristallisieren wieder entfernt wird.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß eine Heizeranordnung verwendet wird, die aus mehreren, getrennt regelbaren Heizzonen besteht, wobei vor dem Schmelzen eine Vorheizung des Siliziumsinterkörpers und nach dem Schmelzen eine Nachheizung des Trägerkörpers und gleichzeitig eine lokale Kühlung des kristallisierenden Siliziumkörpers vorgenommen wird. Durch das nur einseitige Vorheizen soll verhindert werden, daß der zum Beispiel aus einem Quarzglasfasergewebe bestehende Trägerkörper unnötig lange auf hoher Temperatur bleibt und damit die Gefahr einer Inkorporation entsteht. Durch die Nachheizung von unten bei gleichzeitiger Kühlung von oben soll ein gerichtetes Erstarren der Siliziumschmelze begünstigt werden. Die zu erzielende Dicke des Siliziumschmelzfilms auf dem Gewebe wird bestimmt durch die Dicke der vorgegebenen Siliziumsinterplatten.
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 noch näher erläutert. Dabei zeigt
-/- VPA 83 P 18 55 OE
die Figur 1 in schematischer Darstellung eine Heizeranordnung während der Beschichtung und
die Figuren 2 und 3 Prinzipskizzen über den KristallisationsVorgang.
Bei der Darstellung der Vorrichtungen nach Figur 1 bis 3 ist auf die Darstellung der die Bewegung des Trägerkörpers bewirkende Mechanik verzichtet worden, da sie nicht erfingungswesentlich ist. Gleiche Teile sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Figur 1: Die flächenförmigen Siliziumkörper 1, welche aus gesinterten oder bandgespritzten Siliziumplatten bestehen, werden aus einem'Magazin oder aus einer Horde entnommen und zusammen mit dem aus Quarzglasfasergewebe oder Mullit (3 A12°3 * 2 si02^ bestehenden Trägerkörper 2 einer horizontalen Heizeranordnung zugeführt, wo das Silizium auf dem Quarzglasfasergewebe 2 zum Aufschmelzen (10) gebracht wird. Eine Umhüllung der Gewebefasern 2 mit Schmelze 10 kann wegen der schlechten Benetzbarkeit nicht stattfinden. Die Heizeranordnung selbst besteht aus mehreren, getrennt regelbaren Heizöfen (4, 5, 6,7), wobei vor dem Schmelzen (10) der Siliziumsinterkörper Λ 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 wird die Kristallisation des Silizium auf dem Trägerkörper 2 begünstigt. Die kristallisierte Siliziumplatte, die nach dem Abkühlen vom Quarzglasfasergewebe 2 einfach abgehoben werden kann, ist mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet; die Pfeile 9 zeigen die Transportrichtung an. Die Transportgeschwindigkeit wird auf einen Wert von etwa 50 cm/min eingestellt.
Da Fasergewebe aus Quarzglas oder Mullit bei der Schmelz-
ORiGINAL
temperatur des Silizium nach kurzer Zeit weich werden und sich unter dem Druck des aufliegenden Silizium verformen kann, ist es vorteilhaft, das Gewebe (2) nicht freitragend durch die Heizeranordnung (4, 5, 6, 7, 8) zu ziehen, sondern als Transporthilfe eine Graphitplatte bzw. ein Graphitnetz oder eine Graphitfolie zu verwenden. Diese Transportvorrichtung ist in der Figur 1 nicht dargestellt. Nach der Kristallisation werden die Siliziumplatten (12) und anhaftendes Gewebe (2) von der Transporthilfe abgehoben und das Gewebe (2) von der Siliziumkristallplatte (12) getrennt. Das Gewebe (2) wird an einem, im Durchlaufverfahren integrierten Schaber (in der Figur nicht dargestellt) vom Silizium befreit und kann wieder verwendet werden.
Die Figur 2 zeigt im Detail den Übergang von der Schmelzzone 10 in das kristallisierte Siliziumband 12. Es gelten die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1. Die Nachheizzone 7 sowie die Vorheizzone 4. sind nicht in der Zeichnung enthalten. Mit dem Bezugszeichen 11 ist die Kristallisationsfront bezeichnet.
Die Figur 3 zeigt in Draufsicht eine Variante zu Figur 2 zur Herstellung von besonders großkörnigen, polykristallin nen Siliziumplatten 12. Dabei ist der Heizer 6 so geformt, daß die Erstarrung (11) der Siliziumplatten 12 von der Plattenmitte nach außen fortschreitet. Dabei kann der keilförmige Einschnitt im Heizer 6 zum Beispiel mit einem Kühlblech ausgekleidet sein oder zum Anblasen der Platten (12) mit einem Kühlgas benützt werden. Dadurch wird die Zahl der anfänglichen Nukleationszentren verringert; die wenigen entstehenden Körner werden größer.
Als Grundmaterial für ein schmelzflüssiges Silizium nicht benetzendes Gewebe (2) eignen sich neben Quarzglasfasergewebe insbesondere temperaturstabile Graphitfädengewebe, die mit SiOp beschichtet sind und Gewebe aus ausgelaugten
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Glasfasern, die nach der Auslaugung nur noch aus einem SiO -Gerüst bestehen, also hochrei] günstig hergestellt werden können.
SiO -Gerüst bestehen, also hochrein sind und sehr kosten-
Die Verwendung von Geweben, die von Siliziumschmelze nicht benetzt werden, bringt folgende Vorteile:
1. Niedrige Substratkosten wegen der billigen Herstellung und der Wiederverwendbarkeit des Substrates (2).
2. Geringe Verunreinigung des entstehenden Flächensiliziums (12) durch das Substratmaterial (2) sowie
3. hohe Kristallqualität des Flächensiliziums (12). 15
Es darf erwartet werden, daß mit solchem Flächensilizium Solarzellenwirkungsgrade um 12 % erreicht werden, wobei billiges Ausgangsmaterial verwendet werden kann. Flächenhafte Siliziumkörper (1) lassen sich zum Beispiel in Form von Sintersilizium oder bandgespritztem Silizium kostengünstig und in großen Abmessungen herstellen.
Die Herstellung von Siliziumkörpern aus Sintersilizium erfolgt zweckmäßigerweise nach dem in der deutschen Offenlegungsschrift 29 27 086 beschriebenen Verfahren. Der Rohstoff ist Silizium-Pulver. Erst wird eine Folie hergestellt, die auf ein Maß geschnitten wird, welches unter Berücksichtigung des Schwundes beim Sintern den Abmessungen einer Solarzelle (zum Beispiel derzeit 10 χ 10 cm ) entspricht. Die Vorsinterung der Folie, die zu freitragenden Platten führt, erfolgt bei Temperaturen zwischen 12500C und 13000C im Stapel. Da bereits eine freitragende verdichtete Platte eingesetzt werden kann, ist die Temperaturführung hierbei von untergeordneter Bedeutung.
Dabei hat sich herausgestellt, daß das Vorsintern unterbleiben kann, wenn zum Beispiel ein Widerstandsofen verwendet wird, in dem das Aufheizen der Siliziumfolie in
- i - VPA 83 P 1 8 5 5 OE
einer anfänglich Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre stattfindet, um den Binder auszubrennen.
Die gesinterten Platten bzw. die Rohfolie können in Horden gestapelt werden. Der darunter vorbeilaufende Trägerkörper aus Quarzglasfasern kann somit kontinuierlich oder in gewünschten Abständen mit Platten belegt werden (wie in Figur 1 und 3 dargestellt).
Vorsinterung und Aufschmelzung von Silizium kann im Vakuum bzw. in Argon-Atmosphäre durchgeführt werden.
Da bei der Herstellung von Flächensilizium nach der Lehre der Erfindung billiges Ausgangsmaterial eingesetzt werden kann, ist eine starke Kostensenkung der Solarzellen zu erwarten.
Das nach der Erfindung hergestellte Flächensilizium läßt sich auch vorteilhaft als sehr kostengünstiges Silizium-Substratmaterial für die Herstellung von Halbleiterbauelementen einsetzen.
7 Patentansprüche
3 Figuren

Claims (7)

  1. Patentansprüche
    -/- VPA 83 P 18 55 DE
    Verfahren zum Herstellen von großflächigen Siliziumkristallkörpern (12) für Solarzellen, bei dem als Ausgangsmaterial den Abmessungen der Sxliziumkrxstallkörper (12) angepaßte Siliziumkörper (1) geringer Kristallkorngröße, vorzugsweise Silizium-Sinterkörper, verwendet werden und bei dem diese Körper (1) in einer horizontalen Heizeranordnung (4, 5, 6, 7, 8) nach dem Fließbandprinzip (9) auf einem Trägerkörper (2) zum Aufschmelzen und anschließenden Kristallisieren gebracht werden, dadurch gekennzeichnet , daß als Trägerkörper während des Aufschmelzens und des nachfolgenden Kristallisierens ein von schmelzflüssigem Silizium nicht oder nur schlecht benetzbares, überwiegend aus Quarz bestehendes Fasergewebe (2) verwendet wird, welches nach dem Kristallisieren wieder entfernt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e -
    kennzeichnet, daß eine Heizeranordnung (4, 5, 6, 7/ 8) verwendet wird, die.aus mehreren, getrennt regelbaren Heizzonen besteht, wobei vor dem Schmelzen eine Vorheizung (4) des Siliziumsinterkörpers (1) und nach dem Schmelzen (10) eine Nachheizung (7) des Trägerkörpers (2) und gleichzeitig eine lokale Kühlung (8) des kristallisierenden Siliziumkörpers (12) vorgenommen wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufschmelzen (10)
    des Sinterkörper (1) ein Heizer (6) verwendet wird, der so ausgebildet ist, daß die Erstarrung (11) der flächenförmigen Siliziumkristallkörper (12) von der Mitte aus nach außen erfolgt.
    35
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß ein Heizer (6) verwendet
    ORIGINAL
    - £ - VPA 83 P 1 8 -5 5 DE
    wird, der entgegengesetzt der Transportrichtung (9) einen keilförmigen Einschnitt aufweist.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägerkörper (2) ein Fasergewebe aus Quarz oder Aluminiurasilikat (Mullit 3 AIpO, . 2 SiO-) oder ein Gewebe aus mit SiO_ beschichteten Graphitfäden verwendet wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß ein aus ausgelaugten Glasfasern bestehendes Gewebe verwendet wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasergewebe (2) auf einer, aus Graphit bestehenden Platte, Folie oder Netz durch die Heizeranordnung transportiert wird.
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