EP1021838A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen einer scheibe aus halbleitendem material - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum herstellen einer scheibe aus halbleitendem material

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EP1021838A1
EP1021838A1 EP98947547A EP98947547A EP1021838A1 EP 1021838 A1 EP1021838 A1 EP 1021838A1 EP 98947547 A EP98947547 A EP 98947547A EP 98947547 A EP98947547 A EP 98947547A EP 1021838 A1 EP1021838 A1 EP 1021838A1
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melt
wafer
semiconducting material
silicon
mold
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Wolfgang Dipl.-Ing. Priesemuth
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    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1804—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof comprising only elements of Group IV of the Periodic Table
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
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    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for producing a pane made of semiconducting material, in particular a silicon pane, for a solar cell according to the preamble of claim 1 and claim 4, respectively.
  • a method for producing a polycrystalline solar cell in which a silicon substrate is produced by powder metallurgy and then the active silicon layer of the solar cell is applied to the silicon substrate.
  • the silicon substrate is produced by sintering or melting a compact formed from silicon powder with the aid of an electric current through the powder compact.
  • the silicon layer is applied to the silicon substrate by spinning on liquid silicon, by vapor deposition or by plasma spraying. Alternatively, the silicon layer can also be applied in powder form to the silicon substrate and then melted.
  • the previously known method is relatively complicated since first the silicon substrate has to be produced and then the silicon layer has to be applied to it.
  • DE 35 36 743 A1 discloses a process for the production of large-area silicon crystal bodies for solar cells, in which silicon powder is used as the starting material and is converted into film form by sintering. The film is then melted in a thermal treatment by one-sided energy irradiation up to at least half of its layer thickness and recrystallized. The remaining layer thickness is then melted in a further temperature treatment and re- crystallizes that the enlarged crystal grains formed after the second temperature treatment in the residual crystallization continue to grow over the entire layer thickness of the silicon body. This process is also relatively complicated due to the multiple temperature treatment.
  • the invention is based on the object of specifying a simple and inexpensive method for producing a pane of semi-conductive material, in particular a silicon pane, for a solar cell.
  • the invention is further based on the object of specifying a device for carrying out the method.
  • the melt is exposed to an electrical and / or magnetic field at least during the start of solidification.
  • the interaction of the field with the material crystallizing out of the melt leads to directional crystal growth, which leads to the formation of large crystal grains or an almost monocrystalline disk.
  • the field according to claim 2 is a constant field, which is particularly effective if it fluctuates according to claim 3 about a central direction.
  • the claim 4 characterizes the basic structure of a device for producing a disc from semiconducting material.
  • FIG. 1 shows a section through a device for producing a disk from semiconducting material
  • FIG. 2 shows a section through the embodiment of FIG. 1, cut along the line II-II of FIG. 1,
  • FIG. 3 is a view similar to FIG. 2 with an additional capacitor
  • Fig. 4 is a detailed view of the surface of a molding of Fig. 1 in section and
  • Fig. 5 is a plan view of the surface shown in Fig. 4.
  • a mold for producing a silicon wafer which is processed into a solar cell, has a lower part 2 and an upper part 4, which form a cavity with a degassing outlet 5 between them.
  • the molded parts 2 and 4 consist for example of quartz, which is coated with tungsten towards the cavity, or of silicon carbide or other suitable materials.
  • a metal plate 6 is arranged, which consists of tungsten or another material that is as resistant to high temperatures as possible. With appropriate temperature control of the lower part, however, steel or even copper is also suitable.
  • Fine, high-purity silicon powder 8 is introduced into the cavity and is compressed by pressing the lower part 2 and upper part 4 together.
  • electrical conductors 10 are integrated in the upper part 4, which run parallel to one another and parallel to the underside of the upper part 4.
  • the underside of the upper part 4 is electrically heated, with so much heating power being carried out under the control of a control unit (not shown) that the silicon powder 8 melts.
  • a control unit not shown
  • the silicon powder 8 melts.
  • all conductors 10 FIG. 2
  • the magnetic fields running through the silicon powder 8 and generated by the individual conductors 10 add up to form a rectified magnetic field within the silicon powder 8 or the melt, which runs parallel to the underside of the upper part 4 .
  • the process is carried out in such a way that the heating power applied is no longer sufficient to keep the melt liquid, its crystallization begins under the action of the magnetic field.
  • the magnetic field led to the crystallization taking place homogeneously and in the same way, so that large crystal bodies or even a monocrystal is formed.
  • the solidified disk resulting from the silicon powder 8 is directly connected to the metal plate 6, so that the thickness of the silicon can be less than 100 ⁇ without the disk being endangered.
  • the metal plate 6 serves at the same time for contacting the silicon material.
  • the doping and contacting and thus the production of the finished solar cell then takes place in the usual way, for example by diffusing in the doping material and by vapor deposition of the contact tracks.
  • the metal plate 6 may be missing.
  • a silicon melt can be introduced directly into the lower part 2, the electrical conductors 10 then advantageously running in the lower part 2 or additionally in the upper part 4. In special cases it is possible to work without top 4.
  • the solidifying melt according to FIG. 3 can be subjected to an electrical field by the shape between the plates 12 and 14 of a capacitor is arranged, which is supplied with DC voltage. It is particularly effective to pivot the capacitor plates 12 and 14 in the sense of the double arrows about a horizontal axis, so that the melt or the crystallizing silicon wafer is penetrated by an electric field which oscillates about a central direction.
  • the magnetic field caused by the electrical conductors 10 can be neutralized, in which neighboring conductors each have current flowing through them in opposite directions and are accordingly connected to a current source (not shown). It goes without saying that it is possible to switch from current flow in the same direction to current flow in the opposite direction.
  • Fig. 4 shows a cross section through the underside 18 of the upper part 4, which determines the surface shape of the resulting silicon wafer.
  • the underside 18 is corrugated and consists of individual pyramids arranged next to one another, the tips of which are assigned to the viewer in FIG.
  • the resulting silicon wafer in this way has on its upper side a surface consisting of pyramids arranged next to one another, which improves the efficiency of the later solar cell.
  • large-area silicon wafers can be produced in a simple manner with good efficiency in converting incident sunlight into electrical current.
  • the thickness of the finished silicon wafers can be chosen to be very thin, so that the consumption of semiconducting material is reduced.
  • Any material suitable for producing a solar cell can be used as the semiconducting material, for example germanium, selenium or gallium arsenide.

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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer Scheibe aus halbleitendem Material, insbesondere einer Siliciumscheibe, für eine Solarzelle, bei welchem eine Schmelze des Halbleitermaterials (8) zu der Scheibe erstarrt, zeichnet sich dadurch aus, daß die Schmelze zumindest während des Beginns des Erstarrens einem elektrischen und/oder magnetischem Feld ausgesetzt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer Scheibe aus halbleitendem Material
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Scheibe aus halbleitendem Material, insbesondere einer Siliciumscheibe, für eine Solarzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 4.
Aus der DE-PS 30 35 563 C2 ist ein Verfahren zum Herstellen einer polykristallinen Solarzelle bekannt, bei dem ein Silicium-Substrat auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt und anschließend die aktive Siliciumschicht der Solarzelle auf das Silicium-Substrat aufge- bracht wird. Das Silicium-Substrat wird dabei durch Sintern oder Schmelzen eines aus Sili- ciumpulver gebildeten Preßkörpers mit Hilfe eines elektrischen Stromes durch den Pulver- Preßkörper hindurch erzeugt. Die Siliciumschicht wird auf das Silicium-Substrat durch Aufschleudern von flüssigem Silicium, durch Aufdampfen oder durch Plasmaspritzen aufgebracht. Alternativ kann die Siliciumschicht auch in Pulverform auf das Silicium-Substrat aufgebracht und danach aufgeschmolzen werden.
Das vorbekannte Verfahren ist verhältnismäßig kompliziert, da zunächst das Silicium-Substrat hergestellt werden muß und anschließend die Siliciumschicht darauf aufgebracht werden muß.
Aus der DE 35 36 743 AI ist ein Verfahren zum Herstellen von großflächigen Silicium- kristallkörpern für Solarzellen bekannt, bei dem als Ausgangsmaterial Siliciumpulver verwendet wird, das durch Sintern in Folienform übergeführt wird. Die Folie wird anschließend in einer Temperaturbehandlung durch einseitige Energieeinstrahlung bis mindestens zur Hälfte ihrer Schichtdicke geschmolzen und wieder rekristallisiert. Anschließend wird die Restschichtdicke in einer weiteren Temperaturbehandlung so aufgeschmolzen und re- kristallisiert, daß die nach der zweiten Temperaturbehandlung bei der Restkristallisation entstandenen vergrößerten Kristallkörner über die ganze Schichtdicke des Siliciumkörpers weiter wachsen. Auch dieses Verfahren ist durch die mehrfache Temperaturbehandlung verhältnismäßig kompliziert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach und kostengünstig durchführbares Verfahren zum Herstellen einer Scheibe aus halbleiltendem Material, insbesondere einer Si- liciumscheibe, für eine Solarzelle, anzugeben. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens anzugeben.
Der das Verfahren betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Erfindungsgemäß wird die Schmelze zumindest während des Beginns des Erstarrens einem elektrischen und/oder magnetischen Feld ausgesetzt. Die Wechselwirkung des Feldes mit dem aus der Schmelze auskristallisierendem Material führt zu einem gerichteten Kristallwachstum, das zur Ausbildung großer Kristallkörner oder einer fast monokristallinen Scheibe führt.
Mit Vorteil ist das Feld gemäß Anspruch 2 ein Gleichfeld, das besonders wirksam ist, wenn es gemäß Anspruch 3 um eine mittlere Richtung schwankt.
Der Anspruch 4 kennzeichnet den Grundaufbau einer Vorrichtung zum Herstellen einer Scheibe aus halbleitendem Material.
Mit den Merkmalen der Ansprüche 5 bis 8 wird diese Vorrichtung in vorteilhafter Weise weitergebildet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert. Es stellen dar:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Vorrichtung zum Herstellen einer Scheibe aus halbleitendem Material,
Fig. 2 einen Schnitt durch die Ausführungsform der Fig. 1, geschnitten längs der Linie Ü-II der Fig. 1,
Fig. 3 eine Ansicht ähnlich der Fig. 2 mit einem zusätzlichen Kondensator,
Fig. 4 eine Detailansicht der Oberfläche eines Formteils der Fig. 1 im Schnitt und
Fig. 5 eine Aufsicht auf die in Fig. 4 dargestellte Oberfläche.
Gemäß Fig. 1 weist eine Form zur Herstellung einer Siliciumscheibe, die zu einer Solarzelle weiterverarbeitet wird, ein Unterteil 2 und ein Oberteil 4 auf, die zwischen sich einen Hohlraum mit einem Entgasungsauslaß 5 bilden. Die Formteile 2 und 4 bestehen beispielsweise aus Quarz, das zum Hohlraum hin mit Wolfram beschichtet ist oder aus Siliciumcar- bid oder anderen geeigneten Materialien.
Auf dem Boden des Unterteils 2 ist ein Metallplättchen 6 angeordnet, das aus Wolfram oder einem anderen, möglichst hochtemperaturbeständigen Material besteht. Bei entsprechender Temperaturführung des Unterteils ist jedoch auch Stahl oder sogar Kupfer geeignet.
In den Hohlraum wird feines, hochreines Siliciumpulver 8 eingebracht, das durch Zusammenpressen von Unterteil 2 und Oberteil 4 verdichtet wird.
Zur Beheizung des Siliciumpulvers 8 sind in das Oberteil 4 elektrische Leiter 10 integriert, die zueinander parallel und parallel zur Unterseite des Oberteils 4 verlaufen. Durch Beschickung der elektrischen Leiter 10 mit Strom wird die Unterseite des Oberteils 4 elektrisch beheizt, wobei unter Steuerung eines nicht dargestellten Steuergerätes soviel Heizleistung geführt wird, daß das Siliciumpulver 8 schmilzt. Wenn alle Leiter 10 (Fig. 2) gleichsinnig stromdurchflossen sind, addieren sich die durch das Siliciumpulver 8 verlaufenden, von den einzelnen Leitern 10 erzeugten Magnetfelder zu einem innerhalb des Siliciumpulvers 8 bzw. der Schmelze gleichgerichteten Magnetfeld, das parallel zur Unterseite des Oberteils 4 verläuft.
Wird der Prozeß nun so geführt, daß die aufgebrachte Heizleistung nicht mehr reicht, um die Schmelze flüssig zu halten, so beginnt deren Auskristallisation unter Wirkung des Magnetfeldes. Das Magnetfeld führte dazu, daß die Auskristallisation homogen und in gleicher Weise erfolgt, so daß sich große Kristallkörper oder sogar ein Monokristall ausbildet. Die aus dem Siliciumpulver 8 entstehende, erstarrte Scheibe ist unmittelbar mit dem Metallplättchen 6 verbunden, so daß die Dicke des Silicium unter 100 μ betragen kann, ohne daß die Scheibe gefährdet ist. Das Metallplättchen 6 dient gleichzeitig zum Kontaktieren des Siliciummaterials. Die Dotierung und Kontaktierung und damit die Herstellung der fertigen Solarzelle geschieht dann in üblicher Weise, beispielsweise durch Eindiffundieren des Dotierungsmaterials und durch Aufdampfen der Kontaktbahnen.
Die beschriebene Vorrichtung kann in vielfältiger Weise abgewandelt werden:
Beispielsweise kann das Metallplättchen 6 fehlen. In das Unterteil 2 kann unmittelbar eine Siliciumschmelze eingebracht werden, wobei die elektrischen Leiter 10 dann vorteilhafter- weise im Unterteil 2 oder zusätzlich im Oberteil 4 verlaufen. In Sonderfällen kann gänzlich ohne Oberteil 4 gearbeitet werden.
Anstelle des Magnetfeldes oder zusätzlich zum Magnetfeld kann die erstarrende Schmelze gemäß Fig. 3 mit einem elektrischen Feld beaufschlagt werden, indem die Form zwischen den Platten 12 und 14 eines Kondensators angeordnet wird, der mit Gleichspannung beaufschlagt ist. Besonders wirksam ist, die Kondensatorplatten 12 und 14 im Sinne der Doppelpfeile um eine waagrechte Achse zu verschwenken, so daß die Schmelze bzw. die auskristallisierende Siliciumscheibe von einem elektrischen Feld durchdrungen wird, das um eine mittlere Richtung schwingt.
Das durch die elektrischen Leiter 10 hervorgerufene Magnetfeld kann neutralisiert werden, in dem benachbarte Leiter jeweils gegensinnig stromdurchflossen sind und entsprechend an eine nicht dargestellte Stromquelle angeschlossen sind. Es versteht sich, daß eine Umschal- tung von gleichsinnigem Stromfluß zu gegensinnigen Stromfluß möglich ist.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch die Unterseite 18 des Oberteils 4, die die Oberflächengestalt der entstehenden Siliciumscheibe bestimmt. Die Unterseite 18 ist geriffelt und besteht aus einzelnen, nebeneinander angeordneten Pyramiden, deren dem Betrachter zuge- ordneten Spitzen in Fig. 5 mit 20 bezeichnet sind. Die entstehende Siliciumscheibe weist auf diese Weise an ihrer Oberseite eine aus nebeneinander angeordneten Pyramiden bestehende Oberfläche auf, was den Wirkungsgrad der späteren Solarzelle verbessert.
Mit der Erfindung lassen sich auf einfache Weise großflächige Siliciumscheiben mit gutem Wirkungsgrad bei der Umsetzung einfallenden Sonnenlichts in elektrischen Strom herstellen. Die Dicke der fertigen Siliciumscheiben kann sehr dünn gewählt werden, so daß der Verbrauch an halbleitendem Material vermindert ist. Als halbleitendes Material kann jed- welches, zur Herstellung einer Solarzelle geeignetes Material verwendet werden, beispielsweise Germanium, Selen oder Galliumarsenid.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer Scheibe aus halbleitendem Material, insbesondere einer Si-Scheibe, für eine Solarzelle bei welchem Verfahren eine Schmelze des Halb- leitermaterials (8) zu der Scheibe erstarrt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze zumindest während des Beginns des Erstarrens einem elektrischen und/oder magnetischen Feld ausgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld ein Gleichfeld ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld um eine mittlere Richtung schwankt.
4. Vorrichtung zum Herstellen einer Scheibe aus halbleitendem Material, insbesondere einer Si-Scheibe für eine Solarzelle, mit einer Form (2, 4) zur Aufnahme des halbleitenden Materials (8) und einer Heizeinrichtung (10) zum Beheizen der Form derart, daß das in der Form aufgenommene halbleitende Material aus einer Schmelze zu der Scheibe erstarrt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (10; 12, 14) zum Erzeugen eines die in der Form (2, 4) aufgenommene Schmelze beaufschlagenden elektrischen und/oder magnetischen Feldes vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung durch längs des halbleitenden Materials (8) parallel zueinander verlaufende, elektrische Leiter (10) gebildet ist, die zumindest während der Anfangsphase des Erstarrens der in der Form (2, 4) aufgenommenen Schmelze gleichsinnig stromdurchflossen sind und dadurch ein die Schmelze beaufschlagendes, magnetisches Feld erzeugen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (12, 14) vorgesehen ist, zwischen dessen Platten die Schmelze angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der der Schmelze zugewandten Oberfläche (18) der Form (2, 4) geriffelt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Form ein Metallplättchen (6) eingelegt ist, das eine Kontaktierung und eine Tragstruktur für die erstarrte Halbleiterscheibe bildet.
EP98947547A 1997-09-26 1998-09-24 Verfahren und vorrichtung zum herstellen einer scheibe aus halbleitendem material Withdrawn EP1021838A1 (de)

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