ES2217359T3

ES2217359T3 - Difusion in situ de impurezas dopantes durante el crecimiento de reticula dendritica de una cinta cristalina de silice.

Info

Publication number: ES2217359T3
Application number: ES97117465T
Authority: ES
Inventors: Balakrishnan R. Bathey
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1997-10-01
Filing date: 1997-10-09
Publication date: 2004-11-01
Anticipated expiration: 2017-10-09
Also published as: DE69729091T2; CA2216998A1; AU3987497A; BR9704971A; DE69729091D1; AU740188B2; EP0908958B1; CA2216998C; EP0908958A1

Abstract

SE DESCRIBEN UN PROCESO Y APARATO DE FORMACION DE UNA RED DENDRITICA PARA DIFUNDIR IMPUREZAS DE DOPANTES EN EL INTERIOR DE UNA RED DE CRISTALES DENDRITICOS CRECIENTES A FIN DE PRODUCIR ELEMENTOS FOTOVOLTAICOS. UNA FUENTE (90) DE DIFUSION DE DOPANTE SOLIDO SE DISPONE EN UN SOPORTE MONTADO EN UN ELEMENTO TERMICO VERTICAL (31), BIEN SEA DENTRO DEL HORNO DE FUSION (10) O FUERA DEL HORNO, JUNTO AL ORIFICIO DE SALIDA (12) DEL MISMO. LA FUENTE SOLIDA DE DIFUSION SE CALIENTA POR CONDUCCION TERMICA DESDE EL ELEMENTO TERMICO VERTICAL Y EL SOPORTE DE LA FUENTE, UTILIZANDO EL CALOR DEL HORNO COMO FUENTE. SE PROPORCIONAN OPTATIVAMENTE BOBINAS CALENTADORES AUXILIARES ALREDEDOR DEL ELEMENTO TERMICO VERTICAL, PARA CONTROLAR LA TEMPERATURA DE LA FUENTE SOLIDA DE DIFUSION. LA FUENTE Y EL SOPORTE PUEDEN MONTARSE TAMBIEN FUERA DEL HORNO, JUNTO AL ORIFICIO DE SALIDA, Y CALENTARSE CON EL USO DE UN CALENTADOR RAPIDO SECUNDARIO DE TEMPERATURA. LA RED EN CRECIMIENTO DE CRISTAL DENDRITICO SE EXPONE A LAS IMPUREZAS DOPANTES COMO PARTE DEL PROCESO DE CRECIMIENTO DE LA RED, ELIMINANDO LA NECESIDAD DE UN PUESTO Y TRATAMIENTO SEPARADOS DE DIFUSION GASEOSA.

Description

Difusión in situ de impurezas dopantes durante el crecimiento de retícula dendrítica de una cinta cristalina de sílice.

La presente invención se refiere al campo de las células solares para la conversión de energía solar en energía eléctrica. Más particularmente, la invención se refiere a la tecnología de células fotovoltaicas de retícula dendrítica.

Referencias cruzadas a la solicitud provisional

Las células solares que comprenden dispositivos semiconductores que utilizan el efecto fotovoltaico para la conversión de energía solar en energía eléctrica se conocen desde hace tiempo. Un tipo particular conocido de célula solar se fabrica utilizando la técnica de crecimiento dendrítico de cristales, en la cual un material fuente, tal como silicio, se funde en un horno y se extrae lentamente utilizando un cristal semilla unido a un aparato mecánico de extracción a lo largo de un trayecto desde la fundición fuente a través de una puerta de salida del horno hasta una estación de recepción. En condiciones controlables adecuadas de temperatura y una tasa de extracción apropiada, el material fundido forma una retícula cristalina que presenta una sección transversal dendrítica que se enfría formando una retícula cristalina acabada. Este proceso se describe más completamente en "Dendritic Web Silicon For Solar Cell Application", R.G. Seidenstecker, Journal of Crystal Growth, 39 (1977) pág. 17-22.

Para proporcionar el efecto fotovoltaico, deben formarse uniones de semiconductores entre la retícula cristalina utilizando una técnica de dopaje adecuada. Una técnica popularmente empleada es el proceso de difusión de dopante en el cual se difunde un material dopante en el interior de la retícula cristalina a través de dos superficies de retícula principales para proporcionar las capas primera y segunda de difusión del tipo de conductividad opuesta. En el pasado la difusión se ha producido utilizando un proceso de difusión gaseosa en el cual el material dopante se encuentra en forma de corriente de gas que puede fluir por las superficies de la retícula, de modo que los iones de los materiales dopantes pueden difundirse en el interior del material de la retícula cristalina. Este proceso debe realizarse necesariamente después del lugar de formación de la retícula cristalina, y normalmente requiere una estación de difusión separada, lo cual añade complejidad al proceso de producción de células solares dendríticas. Además, la difusión gaseosa requiere fuentes de gas separadas (para los materiales dopantes de tipo de conductividad opuesto) y diseñar y fabricar cuidadosamente trayectos de flujo del gas para evitar que las corrientes de gas dopante escapen al ambiente o contaminen a otros equipos.

La solicitud de patente europea nº 89307405, titulada "An Improved Method of Fabricating Solar Cells", publicada el 23 de mayo de 1990 con la referencia EP-A-0 369 574, da a conocer un procedimiento y un aparato para la producción de sustratos cristalinos para su utilización en la fabricación de dispositivos electrónicos de estado sólido. Se hace crecer un cuerpo cristalino hueco a partir de una fundición que contiene un dopante y cuando está creciendo se forma una unión P-N en dicho cuerpo cristalino. A continuación el cuerpo hueco se corta para proporcionar sustratos de células solares individuales. ''Resumen. Según esta referencia: "un objetivo fundamental adicional de la presente invención es proporcionar un procedimiento perfeccionado de bajo coste para la producción de cintas cristalinas para su utilización en la fabricación de dispositivos electrónicos de estado sólido en el cual la unión PN se forme durante el crecimiento del cuerpo cristalino". Objetivos de la invención, columna 3, líneas 19-23.

Sumario de la invención

La invención comprende un procedimiento y un aparato para la difusión in situ de impurezas dopantes en el interior de una o ambas superficies de retícula principales de una retícula cristalina creciente, que evite las desventajas relacionadas con el proceso de difusión gaseosa, que pueda implementarse relativamente sin complicación en hornos de fusión ya existentes y que utilice materiales fuente de difusión de dopantes sólidos para proporcionar las concentraciones de materiales dopantes requeridas.

Con referencia al proceso, la invención comprende un procedimiento según la reivindicación 1 para la fabricación de una cinta cristalina fotovoltaica de silicio de retícula dendrítica.

La retícula se expone situando un material dopante sólido en forma plana, preferiblemente en un soporte adyacente a una fuente térmica para calentar el material dopante sólido a la temperatura de difusión. La fuente térmica incluye preferiblemente un elemento térmico sólido que debe calentarse calentar contenido en el horno o el calentamiento del elemento térmico con una bobina térmica.

La etapa de exposición de la retícula al material dopante sólido puede llevarse a cabo fuera del horno, el material dopante sólido se sitúa a continuación en contacto térmico con la fuente térmica adyacente a la puerta de salida, y la fuente térmica incluye preferiblemente una instalación fija de un calentador térmico rápido, tal como un calentador de resistencia de diseño corriente.

Con referencia al aparato, la invención comprende un aparato según la reivindicación 9. El material dopante sólido se sostiene preferiblemente sobre un soporte montado a lo largo del trayecto y se ubica dentro del horno o fuera del horno en situación adyacente a la puerta de salida.

Los medios para calentar el material dopante sólido incluyen un elemento térmico situado a lo largo del trayecto rodeando, por lo menos parcialmente, el material dopante con el material dopante sólido dispuesto en contacto térmico con el elemento térmico. Opcionalmente, pueden disponerse una bobina calefactora alrededor del elemento térmico para controlar la temperatura. Cuando los medios de calentamiento están situados fuera del horno, preferiblemente en situación adyacente a la puerta, se proporciona un calentador de temperatura auxiliar rápido externo, preferiblemente un elemento calefactor de resistencia alimentado eléctricamente.

Para la comprensión completa de la naturaleza y las ventajas de la invención, se hace referencia a la siguiente descripción detallada conjuntamente con los dibujos que la acompaña.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una vista en sección de una primera forma de realización de la invención;

la figura 2 es una vista parcial en perspectiva en corte parcial que ilustra una parte de la forma de realización de la figura 1;

la figura 3 es una vista en sección de una segunda forma de realización de la invención;

la figura 4 es una vista parcial en perspectiva que ilustra una parte de la forma de realización de la figura 3;

la figura 5 es una vista en sección de otra forma de realización de la invención; y

la figura 6 es una vista en perspectiva parcialmente cortada que ilustra una parte de la forma de realización de la figura 5.

Descripción detallada de las formas de realización preferidas

Con referencia ahora a los dibujos, las figura 1 y 2 ilustran una primera forma de realización de la invención en la cual un elemento térmico vertical y una fuente de difusión sólida y el soporte están situados dentro de un horno de crecimiento de retícula. Con referencia a la figura 1, un horno convencional generalmente designado con la referencia numérica 10 presenta una estructura de pared exterior 11 con una puerta de salida 12. Fijada en la estructura de pared 11 adyacente a la puerta de salida 12 se encuentra una instalación fija de soporte de extracción de retícula 14 para permitir que una retícula creciente formada inicialmente dentro del horno 10 sea extraída por medio de un mecanismo de extracción de retícula convencional (no mostrado) y transferida a una estación receptora. Puesto que el mecanismo de extracción de retícula y la estación de recepción son dispositivos normales ya conocidos, se considera innecesario efectuar una descripción más detallada, con el fin de evitar mayor prolijidad.

En el interior del horno 10 se encuentra dispuesto un susceptor 21 para retener un crisol de fusión (elemento 24 mostrado en la figura 2) en el cual el material fundido (normalmente silicio) se mantiene en estado líquido. Una bobina calefactora RF 23 está dispuesta alrededor del susceptor 21 para calentar el silicio en el crisol de forma normal. Una pluralidad de blindajes 25 se encuentran dispuestos sobre una parte de tapa 22 del susceptor 21. En posición central respecto a los blindajes 25 se encuentra una instalación fija de difusión in situ y fuente de difusión sólida denominada generalmente con la referencia numérica 30.

Con referencia a la figura 2, la cual es una vista en perspectiva cortada parcialmente del susceptor 21, la tapa 22, los blindajes 25 la instalación fija de difusión in situ y fuente de difusión sólida 30, puede apreciarse que el elemento 30 incluye un elemento térmico vertical 31 fijado de cualquier modo adecuado a la superficie superior de los blindajes 25. El elemento térmico vertical 31 está fabricado preferiblemente de grafito y sirve de fuente térmica de calor para una fuente de difusión sólida 33 situada en un soporte 34 de fuente de difusión. La fuente de difusión sólida 33 es preferiblemente una banda rectangular de material fuente de difusión, tal como fósforo o boro, y puede montarse en el soporte de fuente de difusión 34 de cualquier modo adecuado, tal como formando ranuras 35 a lo largo de las superficies de la cara interior de las partes extrema del soporte 34. El soporte 34 está formado preferiblemente de grafito para proporcionar un descenso de calor adicional a temperatura estable para la fuente de difusión 33. El soporte 34 lleva fijadas un par de barras 36 de cualquier modo normal, como por ejemplo formando agujeros roscados que se extienden desde la superficie superior hacia el interior del cuerpo del soporte 34. Las barras 36 se extiende hacia la parte superior del horno 10 (véase figura 1) y salen a través de la puerta de salida 12 hasta un dispositivo de manipulación de las barras (no mostrada) para permitir introducir y extraer el soporte 34 y la fuente 33 del elemento térmico vertical 31.

Con referencia nuevamente a la figura 2, la fuente de difusión 33 está dispuesta en relación frontal con una superficie principal 41 de retícula dendrítica creciente 40 que es llevada hacia arriba por el mecanismo de extracción de la retícula descrito anteriormente. Cuando la retícula creciente pasa a través de la zona de la fuente de difusión sólida 33, los iones dopantes accionados térmicamente a partir de la fuente de difusión 33 se difunden en el interior de la superficie y en el interior de la retícula 40. Controlando la temperatura de la fuente 33, la tasa de extracción de la retícula 40, la posición vertical de la fuente 33 y la distancia de separación entre la fuente 33 y la retícula 40, puede suministrarse al interior de la retícula 40 las concentraciones de impurezas difundidas en las cantidades y a la profundidad deseadas. La tasa de extracción, la distancia de separación entre la fuente 33 y la superficie de la retícula 41 y la temperatura de la fuente 33 se determinan normalmente de forma empírica. Los rangos normales de temperatura están comprendidos entre 900ºC y aproximadamente 1.000ºC. Las tasas normales de extracción de retícula están situadas en un rango de aproximadamente 1,5 cm/min. Las distancias normales de separación entre la fuente 33 y la superficie de la retícula 41 se sitúan en un rango de aproximadamente 100 milipulgadas.

Aunque la disposición mostrada para las formas de realización de las figuras 1 y 2 utiliza una única fuente 33 de difusión plana adyacente sólo a una superficie principal 41 de la retícula 40, puede situarse una segunda fuente de difusión en el interior del soporte 34 en relación frontal con la otra superficie principal 42 de la retícula creciente 40 para proporcionar la difusión simultánea de impurezas contaminantes en el interior de ambas superficies de la retícula creciente 40.

En la forma de realización de las figuras 1 y 2, la temperatura del elemento térmico vertical 31, el soporte 34 y la fuente de difusión 33 se controla mediante el control de la temperatura del horno, y los elementos 31, 34 y 33 se calientan por conducción térmica a través de los blindajes 35 y también por la temperatura ambiente en el interior del horno. Las formas de realización de las figuras 3 y 4 ilustran una primera forma de realización alterna en la cual la temperatura de los elementos 31, 33 y 34 también es controlada por las bobinas calefactoras auxiliares. Con referencia a las figuras 3 y 4 en las cuales los elementos comunes con las formas de realización 1 y 2 se designan con las mismas referencias numéricas, una pluralidad de bobinas calefactoras auxiliares RF 50 están dispuestas alrededor de un elemento térmico vertical 31, y se utilizan para proporcionar calefacción auxiliar al elemento térmico 31, al soporte 34 y a la fuente de difusión sólida 33. Tal como en las formas de realización de las figuras 1 y 2, las formas de realización de las figuras 3 y 4 también pueden incluir una segunda fuente de difusión situada frente a la superficie principal 42 de la retícula creciente 40.

Las figuras 5 y 6 siguen ilustrando otra forma de realización alternativa de la invención. En esta forma de realización, una instalación fija 60 de calentador rápido de temperatura externo está montada sobre una columna de soporte de calentador 62 fuera del horno 10 en posición adyacente a la puerta de salida 12 para suministrar calefacción auxiliar para la retícula creciente. El soporte 34 y la fuente de difusión sólida 33 se encuentran ambos situados dentro de la instalación fija 60 del calentador externo, lo cual proporciona un fácil acceso a estos elementos para facilitar la instalación y la retirada de las fuentes de difusión 33. Además, la forma de realización de las figuras 5 y 6 elimina el elemento térmico vertical 31.

Se adjuntan como Apéndice A, 14 hojas de dibujos que ilustran los detalles de la instalación fija real para el elemento térmico vertical 31, el soporte de fuente 34, las barras 36 y los componentes auxiliares.

Como puede apreciarse, la invención permite la difusión in situ de materiales dopantes en el interior de ambas superficies principales de la retícula dendrítica creciente que emerge del crisol de fusión. Esta disposición elimina la necesidad de proporcionar fuentes de difusión de dopantes gaseosas y las desventajas correspondientes de dichas disposiciones de fuente de difusión. Además, la fuente de difusión plana sólida puede instalarse y retirarse fácilmente del soporte de la fuente, y la posición vertical relativa de la fuente de difusión sólida 33 o puede ajustarse rápidamente por medio de las barras 36 para proporcionar el ajuste de la temperatura de la fuente. Y quizás lo más importante, la invención elimina la necesidad de una estación de difusión separada para el proceso de formación de retícula dendrítica, lo cual hace más compacta la instalación de producción y simplifica el funcionamiento de la misma, de los ajustes iniciales y del proceso cuando se producen células fotovoltaicas de retícula dendrítica.

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(Apéndice pasa a página siguiente)

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Apéndice A

1

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6

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9

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12

13

14

Claims

1. Procedimiento de fabricación de una cinta cristalina fotovoltaica de silicio de retícula dendrítica, que comprende las etapas siguientes:

(1): crecimiento de una cinta cristalina de silicio de retícula dendrítica que incluye dos superficies principales y una dendrita a partir de una fuente de fusión en un horno extrayendo el material fundido a lo largo de un trayecto desde la fuente de fusión y permitiendo que el material fundido se enfríe; y

(2): exposición directa de ambas superficies principales de la retícula creciente a un material sólido dopante que presenta una forma plana, calentado a una temperatura de difusión mientras la retícula creciente se extrae a lo largo del trayecto, en el que el material dopante sólido sustancialmente plano se extiende parcialmente a lo largo de la longitud de la cinta, en el que el material dopante sólido comprende un primer elemento de material dopante dispuesto en relación frontal con una de dichas primera y segunda superficies principales de dicha retícula cristalina dendrítica, y un segundo elemento de material dopante dispuesto en relación frontal con la otra de dichas primera y segunda superficies principales de dicha retícula cristalina dendrítica, de modo que cada uno de dichos primer y segundo elementos de material dopante funciona como una fuente de difusión para la superficie principal frontal correspondiente de dicha retícula cristalina dendrítica, en el que dichos primer y segundo elementos de material dopante proporcionan dopantes de tipos de conductividad opuesta.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicha etapa (2) de exposición incluye la etapa de colocación de un material dopante sólido en un soporte adyacente a una fuente térmica, para calentar el material dopante sólido a la temperatura de difusión.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que dicha etapa de colocación incluye las etapas de suministro de un elemento térmico sólido y calentamiento del elemento térmico.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que dicha etapa de calentamiento se realiza sujetando el elemento térmico a calentar en el interior del horno.

5. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que dicha etapa de calentamiento se realiza calentando el elemento térmico con una bobina calefactora.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicha etapa (2) de exposición se realiza en el interior del horno.

7. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el horno presenta una puerta de salida de la retícula; y en el que dicha etapa (2) de exposición se realiza fuera del horno.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, en el que dicha etapa (2) de exposición incluye las etapas de suministro de una fuente térmica adyacente a la puerta de salida y colocación del material sólido dopante en contacto térmico con la fuente térmica adyacente a la puerta de salida.

9. Aparato para la fabricación de una cinta cristalina fotovoltaica de silicio de retícula dendrítica, comprendiendo dicho aparato:

un horno que presenta medios para la producción de una fuente de fusión de material de crecimiento de cristal de silicio, y una puerta de salida;

medios para extraer material fundido a lo largo de un trayecto desde la fuente de fusión a través de la puerta de salida, de modo que una cinta cristalina de silicio de retícula dendrítica que incluye dos superficies principales y una dendrita crece cuando el material fundido se extrae a lo largo del trayecto;

un material dopante sólido dispuesto a lo largo de dicho trayecto, presentando dicho material dopante sólido una forma plana y manteniéndose en relación frontal con ambas superficies principales de dicha retícula cristalina de silicio dendrítica, en el que el material dopante sólido sustancialmente plano se extiende parcialmente a lo largo de la longitud de la cinta, en el que el material dopante sólido comprende un primer elemento de material dopante dispuesto en relación frontal con una de dichas primera y segunda superficies principales de dicha retícula cristalina dendrítica, y un segundo elemento de material dopante dispuesto en relación frontal con la otra de dichas primera y segunda superficies principales de dicha retícula cristalina dendrítica, de modo que cada uno de dichos primer y segundo elementos de material dopante funciona como una fuente de difusión para la superficie principal frontal correspondiente de dicha retícula cristalina dendrítica, en el que dichos primer y segundo elementos de material dopante proporcionan dopantes de tipos de conductividad opuesta, y

medios para calentar dicho material dopante sólido a una temperatura de difusión, de modo que la retícula cristalina dendrítica creciente quede expuesta a dicho material dopante sólido para crear una capa de difusión en dicha por lo menos una de dichas dos superficies principales.

10. Aparato según la reivindicación 9, que además incluye un soporte montado a lo largo del trayecto para alojar dicho material dopante sólido.

11. Aparato según la reivindicación 10, en el que dicho soporte está situado dentro de dicho horno.

12. Aparato según la reivindicación 10, en el que dicho soporte está situado fuera de dicho horno adyacente a dicha puerta de salida.

13. Aparato según la reivindicación 9, en el que dichos medios de calentamiento de dicho material dopante sólido incluyen un elemento térmico situado a lo largo de dicho trayecto y que rodea por lo menos parcialmente dicho material dopante, estando dispuesto dicho material dopante sólido en contacto térmico con dicho elemento térmico.

14. Aparato según la reivindicación 13, en el que dichos medios de calentamiento de dicho elemento térmico incluyen además una bobina calefactora para calentar dicho elemento térmico.

15. Aparato según la reivindicación 13, en el que dichos medios de calentamiento están situados en el interior de dicho horno.

16. Aparato según la reivindicación 13, en el que dichos medios de calentamiento están situados fuera de dicho horno en situación adyacente a dicha puerta de salida.

17. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicho material dopante sólido es una banda rectangular.

18. Aparato según la reivindicación 9, en el que dicho material dopante sólido es una banda rectangular.