DE3803769A1

DE3803769A1 - Verfahren zum herstellen von duennen, bandfoermigen siliziumkristallen mit ebener oberflaeche, geeignet fuer die solarzellenfertigung

Info

Publication number: DE3803769A1
Application number: DE19883803769
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Phys Hoyler; Richard Dr Rer Nat Falckenberg; Josef Dr Rer Nat Grabmaier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-02-08
Filing date: 1988-02-08
Publication date: 1989-08-17
Also published as: JPH01226798A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von dünnen, bandförmigen Siliziumkristallen mit ebener Oberfläche, bei dem als Trägerkörper und Kristallisationskeimbildner ein gegenüber der Siliziumschmelze resistentes und einen höheren Emissionsfaktor ε aufweisendes netzartiges Fadengewebe verwendet wird, welches tangierend über die in einer Wanne befindliche Siliziumschmelze in horizontaler Richtung gezogen und mit Silizium beschichtet wird.

Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise aus der europäischen Patentanmeldung 01 70 119 bekannt. Bei diesem Verfahren ist die Schmelzenwanne so dimensioniert, daß ihre Länge l mindestens so groß ist wie die Kontaktlänge L; die Ziehrichtung ist im Winkel α kleiner 10 Grad gegen die Horizontale geneigt eingestellt; Abstrahlungsverluste von der Schmelzenoberfläche werden durch Reflektoren geregelt. Durch das bekannte Verfahren (sogenanntes S-Web-Verfahren) ist die Möglichkeit gegeben, bandförmige Siliziumkristalle für Solarzellen mit einigermaßen konstanter Dicke und Breite bei hohen Ziehgeschwindigkeiten herzustellen. Der verwendete Trägerkörper besteht bei diesem Verfahren aus einem Gewebe von parallel angeordneten Graphitfäden.

Ein weiteres Verfahren der eingangs genannten Art ist in der deutschen Patentanmeldung P 37 36 341.7 vorgeschlagen worden. Bei diesem Verfahren werden dünne (kleiner 300 µm) Siliziumbänder mit ebenen Oberflächen dadurch erhalten, daß beim horizontalen Ziehen der Bänder (S-Web-Technik) netzartige Graphitträgerkörper verwendet werden, deren lichte Maschenweite k in Anpassung an die Schichtdicke d des zu ziehenden Bandes von kleiner 300 µm bei einem in der Siliziumschmelze herrschenden Temperaturgradienten G _L von kleiner 25 K kleiner als 2,0 mm ist. Bei einer Maschenweite von bereits größer 1,5 mm liefert dieses Verfahren nicht mehr die gewünschten dünnen Siliziumbänder mit ebener Oberfläche.

Aus Kostengründen und im Hinblick auf höhere Umwandlungswirkungsgrade ist man bestrebt, die Siliziumbänder möglichst dünn, das heißt nur etwa 100 bis 300 µm, zweckmäßigerweise unter 100 µm dick zu machen.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrundeliegt, besteht nur darin, das horizontale Bandziehverfahren, das heißt die sogenannte S- (= supported)-Web-Technik für hohe Ziehgeschwindigkeiten (im Bereich von 1 m/min) mit Carbonfasernetzen mit lichten Maschenweiten von größer 1,5 mm auch für 100 µm dicke Siliziumbänder nutzbar zu machen, wobei diese Bänder ebene Oberflächen aufweisen sollen.

Dünne Bänder zeigen an der, der Schmelze zugewandten Seite, auf der später bei der Herstellung von Solarzellen aus diesem Material der pn-Übergang erzeugt und zur Kontaktierung ein Grid aufgebracht wird, eine gewellte Oberfläche, die um so ausgeprägter ist, je dünner die Siliziumschicht im Mittel ist. Diese Unebenheit der dünnen Siliziumbänder entsteht durch die unterschiedlich starke Wärmeabstrahlung von Carbonfasern und Silizium während des Wachsens der Siliziumschicht. Die höhere Emission der Carbonfasern ( ε = 0,6) gegenüber der Emission des flüssigen bzw. festen Siliziums ( ε = 0,3 bzw. ε = 0,46) hat zur Folge, daß die Silziumschicht im Bereich unter den Carbonfasern schneller in die Tiefe wächst als in den Bereichen unter den Maschenöffnungen des Carbonfasernetzes. Die so entstandene Welligkeit, deren Periodizität etwa der des Netzmusters entspricht, verhindert bei der Solarzellenherstellung die einwandfreie Aufbringung eines Grids auf dieser Fläche, welches aus Kostengründen mittels Siebdrucktechnik erzeugt werden soll.

Die Erfindung löst das Problem der Erzeugung dünner und ebener Siliziumbänder unter Verwendung netzartiger Trägerkörper mit Maschenweiten größer 1,5 mm dadurch, daß das gezogene Siliziumband unmittelbar nach dem Durchlauf der Wachstumsstrecke noch in Kontakt mit der Schmelzoberfläche in Ziehrichtung des Bandes eine Abschmelzstrecke mit einer, über der Schmelze angeordneten Abdeckung durchläuft, deren Temperatur T₁ so eingestellt wird, daß sie größer oder gleich der mittleren Temperatur T₂ an der netzseitigen Oberfläche des mit Silizium beschichteten Trägerkörpers ist. Unter mittlerer Temperatur T₂ wird dabei eine Temperatur verstanden, die zwischen der Temperatur der Carbonfaseroberflächen und der Siliziumflächen liegt.

Der Temperaturunterschied dieser beiden Oberflächengebiete rührt von der unterschiedlichen Wärmeabstrahlung von Carbonfaser bzw. Silizium in der Wachstumsstrecke her. Wie Berechnungen zeigen, liegt dieser Temperaturunterschied in der Größenordnung von 1 K. Nach dem Eintritt des Bandes (S-Web) in die Abschmelzstrecke gleicht sich dieser geringe Temperaturunterschied aus.

Ist nun die Temperatur T₁ der Abdeckung und die mittlere Temperatur T₂ der S-Web-Oberfläche gleich groß, dann ist die resultierende Wärmestromdichte zwischen S-Web-Oberfläche und Abdeckung praktisch gleich Null. Dies ergibt sich, vergleiche zum Beispiel "Die Grundgesetze der Wärmeübertragung" von U. Grigull, Seite 384, Springer-Verlag Berlin/Göttingen/Heidelberg, 1963, aus der Formel für die Wärmestromdichte Φ _1,2 zwischen zwei parallelen Flächen 1 (= Abdeckung) bzw. 2 (= S-Web-Oberfläche) mit Temperaturen T₁ bzw. T₂:

σ = 5,7 · 10^-12 W · cm^-2 · K^-4 ist die Stefan-Boltzmann-Konstante, ε₁ bzw. ε₂ sind die Emissionszahlen der beiden Flächen 1 bzw. 2. Für T₁ = T₂ ist nach (1) Φ _1,2 = 0. In der Abschmelzstrecke wirken sich in diesem Fall die unterschiedlichen Emissionszahlen von Carbonfaser bzw. Silizium an der S-Web- Oberfläche auf das Abschmelzverhalten nicht aus: bei Wärmezufuhr durch die Schmelze schmilzt das in der Wachstumsstrecke kristallisierte Silizium an der Phasengrenze überall mit gleicher Rate ab, unabhängig davon, ob sich darüber eine mit Carbonfasern bedeckte Oberfläche oder eine Silizium-Oberfläche befindet.

Man erhält nun sehr dünne und gleichzeitig glatte Siliziumbänder nach einer ersten Ausführung des Erfindungsgedankens dadurch, daß man in der Wachstumsstrecke die Siliziumdicke über die gewünschte Nenndicke hinaus so lange wachsen läßt, bis eine ebene Phasengrenze erreicht ist und in der anschließenden Abschmelzstrecke die zu dicke Schicht auf die Nenndicke wieder abschmilzt.

In der zweiten Ausführungsform des Erfindungsgedankens hat die Abdeckung der Abschmelzstrecke eine höhere Temperatur T₁ als die mittlere Temperatur T₂ der S-Web-Oberfläche. In diesem Fall geht ein resultierender Wärmestrom von der Abdeckung zum S-Web hin. Setzt man in Formel (1) für ε₂ einmal den Wert für die Carbonfaser (0,6) und einmal den Wert für Silizium (0,46) ein, dann zeigt sich, daß die Wärmestromdichte zu den Carbonfasern größer ist als zum Silizium. Nimmt man zum Beispiel an, daß die Abdeckung aus Graphit ( ε = 0,75) besteht, T₁ = 1745 K (also 60 K über der Siliziumschmelzentemperatur), T₂ = 1680 K (also 5 K unter der Siliziumschmelzentemperatur), dann ergibt sich aus (1) für die Wärmestromdichte zu den Carbonfasern Φ _C = 3,7 W/cm² und für die Wärmestromdichte zum Silizium Φ _Si = 3,0 W/cm². Man hat damit die Möglichkeit, in der Abschmelzstrecke auch ungleichmäßig abzuschmelzen, dergestalt, daß den Bereichen unter den Carbonfasern von der Abdeckung her mehr Wärme zugeführt wird, als den Bereichen unter den Maschenöffnungen. Eventuell von der Wachstumsstrecke her noch vorhandene Verdickungen der Siliziumschicht unter den Carbonfasern können auf diese Weise in der Abschmelzstrecke erfindungsgemäß eingeebnet werden.

Die Länge der Abschmelzstrecke sowie die Wärmestromdichte, die dem S-Web während des Durchlaufs durch die Abschmelzstrecke zugeführt wird, bestimmen bei vorgegebener Ziehgeschwindigkeit die Dicke der abschmelzenden Schicht. Um zum Beispiel bei einer Länge der Abschmelzstrecke von 20 cm und einer Ziehgeschwindigkeit von 1 m/min eine Schicht von 100 µm Dicke abzuschmelzen, ist bei einer Schmelzwärme des Siliziums von 1800 Joule/g eine Wärmestromdichte von 3,5 W/cm² erforderlich. Im Falle des gleichmäßigen Abschmelzens (Wärmestrom zwischen Abdeckung und S-Web- Oberfläche gleich Null) läßt sich diese Wärmestromdichte in der Schmelze (Wärmeleitfähigkeit 0,6 W/cm · K) mit einem Temperaturgradienten von 5,8 K/cm erreichen; ein Wert, der technisch ohne Schwierigkeiten realisiert werden kann, indem die Bodenfläche der Schmelze entsprechend geheizt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Fig. 1a, 1b und 2a, 2b noch näher erläutert. Dabei zeigen die

Fig. 1a, 1b die S-Web-Technik ohne Abschmelzstrecke, wobei 1b vergrößert den Querschnitt eines so hergestellten Bandes mit welliger Unterseite zeigt; die

Fig. 2a, 2b schematisch die S-Web-Technik mit Abschmelzstrecke und zugehörigem vergrößertem Bandquerschnitt mit ebener Oberfläche des Bandes.

Für beide Zeichnungen gelten folgende Bezugszeichen:

1 = Trägerkörper aus Carbonfasernetz
2 = Siliziumschmelze
3 = mit Silizium beschichtetes Carbonfasernetz = Siliziumband
4 = Ziehrichtung
5 = Abdeckung
6 = Schmelzenwanne
W = Wachstumsstrecke
A = Abschmelzstrecke

Die Temperatur der Abdeckung über der Abschmelzstrecke A kann durch eine geregelte Heizung 7 den gewünschten Bedingungen angepaßt werden. Desgleichen kann im Falle des gleichmäßigen Abschmelzens ein Temperaturgradient in der Schmelze 2 eingestellt werden, indem die Bodenfläche der Schmelze 2 mit den dort vorhandenen Heizern 8 entsprechend geheizt wird.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von dünnen, bandförmigen Siliziumkristallen mit ebener Oberfläche, bei dem als Trägerkörper und Kristallisationskeimbildner ein gegenüber der Siliziumschmelze resistenter und einen höheren Emissionsfaktor aufweisendes netzartiges Fadengewebe verwendet wird, welches tangierend über die in einer Wanne befindliche Siliziumschmelze in horizontaler Richtung gezogen und mit Silizium beschichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das gezogene Siliziumband (3) unmittelbar nach dem Durchlauf der Wachstumsstrecke (W) noch in Kontakt mit der Schmelzoberfläche (2) in Ziehrichtung (4) des Bandes eine Abschmelzstrecke (A) mit einer über der Schmelze (2) angeordneten Abdeckung (5) durchläuft, deren Temperatur T₁ so eingestellt wird, daß sie größer oder gleich der mittleren Temperatur T₂ an der netzseitigen Bandoberfläche des mit Silizium beschichteten Trägerkörpers (3) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein netzartiges Fadengewebe (1) aus Karbonfasern verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleicher Temperatur der Abdeckung (5) und der Siliziumbandoberfläche (3) (T₁ = T₂) die Temperatureinstellung über eine Boden-Beheizung (8) der Schmelzwanne (6) erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abdeckung (5) aus Graphit verwendet wird, die mit einer Heizregelung (7) versehen ist, wobei die Temperatur T₁ mindestens 50 K über die Siliziumschmelztemperatur und die Temperatur T₂ mindestens 3 K unter die Siliziumschmelztemperatur eingestellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abschmelzen einer 100 µm dicken Siliziumschicht von einem beschichteten Siliziumband bei einer Ziehgeschwindigkeit von 1 m/min die Abschmelzstrecke (A) bei einer Wärmestromdichte von 3,5 W/cm² auf 20 cm eingestellt wird.

6. Verwendung der nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellten bandförmigen Siliziumkristalle für Halbleiterbauelemente, insbesondere für Solarzellen.