ITMI950819A1 - Procedimento per la lavorazione di wafer sottili e celle solari di silicio cristallino - Google Patents

Procedimento per la lavorazione di wafer sottili e celle solari di silicio cristallino Download PDF

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Abstract

Le piastrine sottili di semiconduttori (wafer) ed i componenti prodotti con esse, come ad esempio le celle solari di silicio cristallino, sono soggetti ad un maggior pericolo di rottura a causa della fragilità del materiale, e richiedono uno spessore minimo per il wafer onde garantire una manipolazione sicura. Per il miglioramento della manipolazione viene ora proposto di dotare la piastrina di semiconduttore di uno strato protettivo meccanico sull'intera superficie, e di sottoporla soltanto successivamente ad un trattamento formante. (Figura 3).

Description

Descrizione
Procedimento per la lavorazione di wafer sottili e celle solari di silicio cristallino
Le celle solari di silicio cristallino (c-Si) sono molto diffuse per l'impiego terrestre. Le esigenze di compatibilità ambientale, possibilità di essere prodotte di grande superficie, elevata efficienza, ed economicità richieste alle celle solari vengono ben soddisfatte da queste celle solari. Rispetto alle celle solari a strato sottile di silicio amorfo (a-Si:H), diseleniuro di rame-indio(gallio) {CIS, CGS) e telluriuro di cadmio (CdTe) hanno, oltre ai detti vantaggi, anche alcuni svantaggi.
Il silicio cristallino è straordinariamente fragile e di conseguenza si rompe facilmente. A causa dell'elevato rischio di rottura, i wafer manipolabili di c-Si o le celle solari prodotte con questo materiale devono possedere attualmente uno spessore di 300 μτη per poter garantire una lavorazione ed una manipolazione sicura. A causa della fragilità la formatura del wafer doveva finora essere eseguita mediante un'idonea rifilatura della bacchetta monocristallina di c-Si, cioè ancor prima di segare il wafer. La formatura individuale per un singolo wafer o per una singola cella solare non è quindi possibile, o è possibile soltanto molto onerosamente,
Finora non era nemmeno possibile applicare celle solari prodotte con silicio cristallino su superfici fortemente curvate senza che ciò conducesse alla rottura delle celle solari. Sebbene dalla EP 0 221 287 B sia noto un procedimento con il quale celle solari di silicio cristallino possono essere incassate fra un supporto leggermente curvato ed una lastra di vetro convessa in uguale misura mediante una specifica tecnica di laminatura, questo procedimento è tuttavia limitato a superfici leggermente convesse, come ad esempio il tetto di un autoveicolo.
È quindi compito della presente invenzione indicare un procedimento per la formatura di wafer di materiale semiconduttore cristallino, che eviti i suddetti svantaggi e renda possibile in maniera semplice applicare piastrine di semiconduttori, ed in particolare celle solari, su superfici curve, o dare loro una forma desiderata.
Questo compito viene risolto secondo invenzione mediante un procedimento con le caratteristiche della rivendicazione 1.
Ulteriori elaborazioni dell'invenzione sono ricavabili dalle sottorivendicazioni .
È stato constatato che mediante uno strato protettivo meccanico applicato sull'intera superficie una piastrina sottile di semiconduttore è protetta da danneggiamenti microscopici- In questo modo si previene la formazione di crepe e la rottura della piastrina di semiconduttore. Condizione per ciò è che lo strato protettivo appoggi ermeticamente, aderisca in maniera sufficientemente salda, e sia sufficientemente flessibile. Un tale strato protettivo permette di ridurre significativamente lo spessore della piastrina di semiconduttore, senza con ciò aumentare contemporaneamente il rischio di rottura della stessa.
Una piastrina di semiconduttore dotata secondo invenzione di uno strato protettivo mostra inoltre, con uno spessore ridotto, ad es. di 170 μπι e inferiore, nuove proprietà vantaggiose inattese. Una tale piastrina di semiconduttore può essere piegata senza pericolo, senza che si avvenga subito la rottura della stessa. Con ciò si ottengono, a seconda dello spessore della piastrina di semiconduttore, raggi di curvatura di 20 cm e inferiori. In tal modo è possibile per la prima volta applicare su superfici significativamente curve piastrine di semiconduttori, o componenti prodotti con esse come le celle solari. Le possibilità di impiego di tali componenti vengono con ciò notevolmente incrementate. Con ciò è possibile, ad esempio, applicare direttamente le celle solari su superfici fortemente curvate unidimensionalmente, ad esempio su oggetti di uso comune, veicoli, o superfici esterne di edifici, cosa che finora non era possibile. Un ulteriore vantaggio risulta mediante lo spessore ridotto della piastrina di semiconduttore, che da una parte conduce al risparmio di materiale semiconduttore nella produzione di componenti piani, e d'altra parte può fornire ulteriori vantaggi fisici per il componente. In una cella solare più sottile, ad esempio, è abbreviata anche la lunghezza del percorso che le coppie di portatori di carica generate per effetto fotovoltaico devono percorrere prima di raggiungere i contatti per la raccolta della corrente sul lato anteriore e posteriore. Mediante la minor lunghezza del percorso si riduce la probabilità di ricombinazione, cosicché possono essere raccolti più portatori di carica, e la cella solare raggiunge un rendimento superiore.
Lo strato protettivo meccanico impiegato nel procedimento secondo invenzione può essere prodotto in un materiale qualsiasi, che soddisfi i requisiti sopra citati. Tuttavia uno strato protettivo offre particolari vantaggi quando può rimanere quale strato funzionale sulla piastrina di semiconduttore o sul componente prodotto con essa, o se può essere nuovamente asportato in maniera.semplice.
Uno strato protettivo facile da applicare e facile da asportare è costituito ad esempio da un materiale artificiale, che può essere applicato in forma liquida e successivamente indurito. È possibile, ad esempio, sciogliere un polimero organico in un solvente idoneo, applicarlo sulla piastrina di semiconduttore, essiccarlo, ed eventualmente indurirlo.
A seconda del tipo di polimero l'indurimento può avvenire termicamente, mediante azione di radiazione elettromagnetica, o mediante combinazione dei due procedimenti. Un polimero corrispondentemente fluido, o il suo precursore o monomero a catena più corta, può essere applicato anche senza solvente, e diventare un solido soltanto mediante l'indurimento. Il polimero può essere ad esempio una massa di rivestimento indurente alle radiazioni, o anche una vernice fotopolimerizzante. È però anche possibile utilizzare resine reattive ad uno o a due componenti. Mediante l'impiego di idonei fotoiniziatori, ad esempio, le resine epossidiche possono essere realizzate quali sistemi indurenti esclusivamente mediante radiazione. Una miscela di resine reattive costituita da un componente di resina e da un componente di indurente viene preparata immediatamente prima dell'applicazione sulla piastrina di semiconduttore, e può essere indurita già a temperature miti.
Uno strato protettivo meccanico che rappresenta contemporaneamente uno strato funzionale del componente da produrre con la piastrina di semiconduttore, è ad esempio uno strato elettricamente conduttivo. Uno strato protettivo da applicare secondo invenzione può essere quindi anche uno strato metallico. A tale scopo è tuttavia necessario utilizzare un metallo sufficientemente flessibile.
Un ulteriore strato protettivo idoneo può essere costituito da una pasta conduttrice stampata e cotta. Questa comprende, oltre ad un elevato tenore di particelle metalliche, almeno ancora un componente ceramico sinterizzabile, ed eventualmente un legante organico per la messa a punto delle caratteristiche di impiego. Le paste conduttrici note contengono ad esempio argento, stagno o leghe tra di essi, oltre a particelle di vetro.
Le paste conduttive possono essere stampate in maniera semplice sull'intera superficie della piastrina di semiconduttore, e rappresentano dopo la cottura uno strato protettivo ben aderente, meccanicamente stabile, per la piastrina di semiconduttore. Per il componente da produrre con essa possono fungere da contatto asportatore di corrente.
Per il procedimento secondo invenzione è sufficiente che lo strato protettivo venga applicato con uno spessore compreso tra 10 e 20 μτη. Poiché lo spessore dello strato protettivo viene determinato in maniera del tutto sostanziale, oltre che dallo spessore della piastrina di semiconduttore, dalle caratteristiche del materiale dello strato protettivo, possono essere possibili o necessari anche spessori dello strato protettivo superiori. È risultato che il procedimento secondo invenzione, anche con l'impiego di uno strato protettivo prodotto con un polimero flessibile, conduce ad una lavorabilità migliorata e ad una maggiore flessibilità della piastrina di semiconduttore.
11 procedimento secondo invenzione viene impiegato in maniera particolarmente vantaggiosa per la lavorazione di piastrine di semiconduttori che sono wafer sottili di silicio tricristallini. Un tale tricristallo è noto da un articolo di G. Martinelli in Solid State Phenomena, voi. da 32 a 33 (1993), pagg. da 21 a 26. Tale tricristallo è costituito da tre regioni monocristalline ribaltate una in senso opposto all'altra. I confini delle fasi rispettivamente fra due regioni monocristalline vengono formati da piani. Esistono tre di questi piani, che si intersecano lungo una retta. Nessun di questi piani interseca tuttavia l'intero tricristallo. Preferibilmente le superfici di confine rispettivamente fra due delle regioni monocristalline vengono formate da piani definiti cristallograficamente del cristallo di silicio, e rappresentano piani [111]. In seguito a ciò anche i piani definiti mediante queste superfici di confine si intersecano con angoli prestabiliti cristallograficamente, che nel caso ideale assumono i valori di 109,47° e 125,26°.
Un tale tricristallo ha il vantaggio di non contenere alcun piano [111] attraversante obliquamente il cristallo. Un comune monocristallo di silicio presenta invece più di tali piani. Parallelamente a questi piani possono prodursi dislocazioni durante il tiraggio del cristallo, che nel wafer segato successivamente dal cristallo rappresentano punti di rottura preferenziali. Nel tricristallo, invece, non esiste nessuno di questi piani di dislocazione che intersechi l'intero cristallo.
Da un tale tricristallo possono essere segati wafer sottili, che per il loro spessore esiguo sono straordinariamente resistenti alla rottura. Così, ad esempio, possono essere segati dal tricristallo wafer con uno spessore di soli 60 μτη con una resa elevata, ad esempio del 95%.
Un wafer sottile segato da un tricristallo di silicio viene stabilizzato con l'aiuto del procedimento secondo invenzione in modo da ottenere proprietà inconsuete e finora sconosciute. Se un wafer tricristallino di silicio compreso fra 30 e 150 μτη di spessore viene dotato di uno strato protettivo organico spesso da 10 a 20 μιτι, può essere manipolato quasi come un foglio di carta, senza rompersi. Un tricristallo di silicio rivestito secondo invenzione è straordinariamente flessibile, e raggiunge - senza rompersi - raggi di curvatura fino a 2 cm e inferiori.
Ad un tale wafer tricristallino di silicio rivestito può essere conferita nel procedimento secondo invenzione una forma esteriore qualsiasi. Mediante semplice tranciatura o taglio con una lama al wafer, o al componente prodotto da esso, può essere conferita una forma esteriore qualsiasi senza che il componente venga danneggiato. Dopodiché lo strato polimerico può essere nuovamente asportato per mezzo di un solvente. Il wafer tricristallino di silicio rivestito è con ciò tanto stabile che è possibile anche la tranciatura di un "buco" con un contorno qualsiasi dal centro del wafer. Con il procedimento secondo invenzione ad un tale wafer può essere conferita praticamente qualsiasi forma esteriore ipotizzabile, ed esso può essere applicato, ad esempio realizzato quale cella solare, su basi o superfici di qualsiasi forma. Tali superiici possono allora presentare esse stesse elevazioni, per le quali è allora prevista o viene prodotta una rientranza di forma corrispondente.
Di seguito 11invenzione viene illustrata più dettagliatamente sulla scorta di due esempi di esecuzione e delle relative sei figure. Con ciò
le figure da 1 a 4 mostrano una piastrina di semiconduttore provvista di uno strato protettivo durante diverse fasi di lavorazione.
La figura 5 mostra un wafer di cristallo di silicio visto in pianta.
La figura 6 mostra una piastrina di semiconduttore con un incavo in pianta.
Applicazione di uno strato protettivo su una piastrina di semiconduttore (figura 1):
a) Applicazione di uno strato di un polimero organico.
Su una piastrina 1 di semiconduttore di silicio cristallino con uno spessore inferiore a 170 μτη viene dapprima applicato uno strato protettivo 2 costituito da un polimero organico. Viene impiegata una riserva fotopolimerizzante indurente ai raggi UV, funzionante negativamente. La riserva fotopolimerizzante viene applicata a spruzzo quale soluzione, a pennello, oppure a centrifugazione, come consueto nella produzione di semiconduttori. Dopo l'applicazione sull'intera superficie dello strato protettivo 2 questo viene essiccato. Per accelerare il processo, lo strato protettivo 2 può essere riscaldato completamente e/o pre-indurito. A tale scopo è sufficiente un riscaldamento a 150° per dieci secondi.
Per l'indurimento lo strato protettivo 2 viene irradiato con una fonte di raggi UV, ed esposto, ad esempio, per un secondo ad una radiazione di 380 nm. Lo strato protettivo 2 indurito mostra una buona aderenza sulla piastrina i di semiconduttore e possiede uno spessore da 10 a 20 μιη.
b) Generazione dello strato protettivo 2 costituito da pasta conduttiva
Con l'aiuto di un procedimento di serigrafia una pasta contenente particelle di argento e ossido di silicio viene applicata sull'intera superficie della piastrina 1 di semiconduttore. A tale scopo può essere impiegata una comune pasta per serigrafia, che trova normalmente impiego nella tecnologia dei sistemi fotovoltaici per la produzione di contatti di ritorno. Dopo l'applicazione della pasta sull'intera superficie il legante organico in essa contenuto viene bruciato completamente, ove lo strato di pasta si fissa sul corpo del semiconduttore mediante sinterizzazione con l'aiuto delle particelle di Si02 in essa contenute. Si ottiene uno stato protettivo 2 metallico conduttivo uniforme, di spessore compreso approssimativamente fra 10 e 20 μτη.
La figura 2 mostra in un'ulteriore forma di esecuzione dell'invenzione una piastrina 1 di semiconduttore, dotata su entrambe le superfici di uno strato protettivo 2. Con ciò è possibile utilizzare per entrambi gli strati protettivi 2 o 2' lo stesso materiale o materiale differente. È possibile, ad esempio, produrre dapprima uno degli strati protettivi 2 costituito,da uno strato metallico conduttivo, e poi il secondo strato protettivo 21 costituito da un polimero organico da applicare in un secondo tempo .
Esecuzione di una lavorazione formante.
Una piastrina 1 di semiconduttore dotata di almeno uno strato protettivo 2 è ora manipolabile quasi come un foglio di carta, e può ora essere sottoposta ad un processo di formatura. Un tale processo di formatura può comprendere una piegatura unidimensionale della piastrina di semiconduttore, ad esempio per incollarla, laminarla, o fissarla altrimenti su una superficie curva. È anche possibile conferire alla piastrina 1 di semiconduttore dotata di uno strato protettivo 2 una forma esteriore desiderata mediante tranciatura, segatura, o taglio, ovvero dotarla di un formato desiderato.
La figura 3 mostra una piastrina 1 di semiconduttore dotata dello strato protettivo 2 applicata su un supporto 4 convesso. La piastrina 1 di semiconduttore è ad esempio una cella solare, il cui strato protettivo 2 è ad esempio il contatto di ritorno metallico conduttivo applicato mediante serigrafia e successiva cottura. Da supporto 4 può fungere, ad esempio, una lastra di vetro curva. L'incollatura può avvenire con l'aiuto di uno strato 3 di adesivo. Nel caso più semplice lo strato 3 di adesivo è una pellicola termoplastica termoadesiva, che viene disposta fra la cella solare 1 e il supporto 4 costituito da vetro. Esercitando una leggera pressione esterna l'intera disposizione viene ora termoplastica portata oltre il punto di rammollimento della pellicola / termoadesiva, e successivamente nuovamente raffreddata. Con ciò viene generato il composito solido (laminato) raffigurato nella figura 3.
È anche possibile applicare ed indurire quale strato protettivo uno strato polimerico organico, costituito ad esempio da vernice fotopolimerizzante . Dopo la lavorazione formante, ad esempio l'incollatura su un supporto convesso, lo strato protettivo può essere nuovamente asportato con un solvente, ad esempio con acetone .
La figura 4 mostra un'ulteriore possibilità di lavorazione formante. Su un supporto 4 convesso verso l'esterno e costituito, ad es., da vetro viene incollata con l'aiuto di uno strato 3 di adesivo una cella solare 1 dotata di un strato protettivo 2. Lo strato protettivo 2 (non raffigurato nella figura 4) viene nuovamente asportato dopo l'incollatura della cella solare 1. Per la copertura della cella solare viene ora applicato mediante laminatura un ulteriore strato 5, che può essere un'ulteriore pellicola termoplastica termoadesiva, o una pellicola protettiva i termoplastierà
applicata con l'aiuto di una tale pellicola/termoadesiva. Con l'aiuto della copertura 5 il laminato viene completato e la cella solare ricoperta completamente. La copertura 5 ha su tutti i lati della cella solare una sovrapposizione, che durante il .processo di laminatura stabilisce un collegamento fisso con la base o con il supporto 4.
La figura 5 mostra in pianta un wafer 6 tricristallino segato dal detto tricristallo. Le tre regioni monocristalline ribaltate una rispetto all'altra MI, M2, ed M3 si incontrano al centro, cosicché nessuna delle superfici di confine può realizzare un piano intersecante il tricristallo. Due delle superfici di confine fra le regioni monocristalline sono preferibilmente piani [ili] del silicio o piani che si discostano da questo piano definito cristallograficamente al massimo di ± 2 per cento. Sulla terza superficie di delimitazione, a causa dell'angolo maggiore disponibile, non si formano piani cristallografici. Si parla qui di una superficie di confine di secondo ordine.
Una piastrina 1 di semiconduttore costituita da un tale wafer 6 tricristallino di silicio può essere segata da un blocco tricristallino più grande con uno spessore a partire da circa 30 μτη e dotata, come descritto in relazione alle figure 1 e 2, di uno strato protettivo su uno o su entrambi i lati. Anche in questo caso lo spessore dello strato protettivo è compreso ,tra 10 e 20 μτη. La piastrina 1 di semiconduttore dotata dello strato protettivo 2 (wafer tricristallino) mostra una flessibilità inconsueta, ed è resistente alla rottura per quanto riguarda le lavorazioni formanti. Con ciò questo composito può essere curvato in maniera estremamente accentuata senza rompersi, ove possono essere raggiunti raggi di curvatura di 2 cm o inferiori. In seguito a ciò il composito può essere fissato anche su una base curvata in maniera corrispondentemente accentuata mediante incollatura o applicazione a laminatura (vedi figure 3 e 4).
Figura 6 : è però anche possibile dotare la piastrina 1 di semiconduttore dotata dello strato protettivo 2 di un formato desiderato mediante tranciatura o taglio. Con ciò, come raffigurato nella figura 6, può essere praticata nella piastrina I di semiconduttore anche una rientranza 7 qualsiasi, senza che questa perda di stabilità meccanica. Anche la piastrina 1 di semiconduttore dotata della rientranza 7 (e dello strato protettivo 2) può essere sottoposta ad un'ulteriore lavorazione formante, e ad esempio essere nuovamente incollata o applicata a laminatura su superfici curvate unidimensionalmente.
Il procedimento secondo invenzione trova un impiego particolarmente vantaggioso nella produzione di celle solari, ove tali celle prodotte da un wafer tricristallino possono ricevere un formato desiderato, che può essere adattato alla superficie sulla quale dovrà essere fissata la cella solare. Inoltre il procedimento secondo invenzione può essere utilizzato per applicare le celle solari su superfici curvate, ed in particolare su superfici fortemente curvate, cosa che finora non era possibile con le celle solari di silicio cristallino.
Ma anche in generale il procedimento secondo invenzione serve, nella produzione di celle solari, a ridurre il rischio di rottura delle piastrine di semiconduttori in diversi processi di lavorazione. Oltre all'incremento della sicurezza del procedimento nella manipolazione delle piastrine di semiconduttore e nella produzione di celle solari da esse, diviene con ciò possibile eseguire le celle solari più sottili che in passato, cosa che è connessa ad ulteriori vantaggi citati inizialmente per le proprietà delle celle solari.

Claims (10)

  1. Rivendicazioni 1. Procedimento per la lavorazione formante di una piastrina (1) di semiconduttore sottile, nel quale la piastrina di semiconduttore viene dotata prima della lavorazione di uno strato protettivo (2) meccanico sull'intera superficie.
  2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, nel quale lo strato protettivo (2) viene nuovamente asportato dopo la lavorazione formante.
  3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, nel quale lo strato protettivo (2) viene applicato su entrambi i lati delle superfici principali della piastrina (1) di semiconduttore .
  4. 4. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, nel quale una piastrina di semiconduttore costituita da un wafer (6) tricristallino di silicio o un componente prodotto con essa viene sottoposto alla lavorazione formante.
  5. 5. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, nel quale viene applicato quale strato protettivo (2) uno strato di un polimero organico con uno spessore di circa 10-50 μτη.
  6. 6. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, nel quale viene applicata quale strato protettivo (2) una pasta metallica conduttiva stampabile .
  7. 7. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, nel quale viene eseguita una lavorazione formante scelta fra taglio, segatura e tranciatura.
  8. 8. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, nel quale viene eseguita una lavorazione formante scelta fra la laminatura ed una lavorazione che comprende una piegatura unidimensionale della piastrina {1) di semiconduttore.
  9. 9. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 8, nel quale una piastrina (1) di semiconduttore viene lavorata con uno spessore da 30 a 170 μπτdi spessore.
  10. 10. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 9, nel quale una piastrina (l) di semiconduttore da lavorare è una cella solare.
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