ITMI980545A1 - Procedimento per preparare pezzi stampati di silicio multicristallino essenzialmente privi di zone marginali e l'impiego di questi pezzi - Google Patents

Description

Descrizione del brevetto per invenzione industriale avente per titolo:

"Procedimento per preparare pezzi stampati di silicio multicristallino essenzialmente privi di zone marginali e l'impiego di questi pezzi stampati"

La presente invenzione ha per oggetto un procedimento per preparare pezzi stampati di silicio multicristallino privi di zone marginali e l'impiego di questi pezzi stampati.

Il silicio multicristallino è il materiale di partenza per celle solari. Sono quindi di enorme importanza procedimenti di preparazione economici. Nell'ambito della preparazione, la solidificazione del silicio multicristallino per celle solari dalla massa fusa avviene in una forma (conchiglia) che consiste prevalentemente di Si3N4, grafite o quarzo e che internamente presenta praticamente sempre un rivestimento addizionale di Si3N4. Si realizzano elevate qualità di materiali per impieghi nel fotovoltaico instaurando un fronte di solidificazione possibilmente planare (solidificazione colonnare).

La qualità materiale del silicio multicristallino viene determinata anche misurando la cosiddetta durata dei portatori di carica (durata effettiva). La durata effettiva di portatori di carica generati per via ottica nel silicio è direttamente collegata con il rendimento raggiungibile per via fotovoltaica. La durata dei portatori di carica può essere ad esempio determinata dallo smorzamento temporaneo del segnale riflesso di microonde dopo un impulso di illuminazione. Nel caso di tutti i materiali multicristallini che si trovano sul mercato la durata è ridotta nelle vicinanze della parete della conchiglia (< 1 μs; i valori nell'interno del blocco oscillano tra 4 e 5 μs), vedere ad esempio Proceedings of thè 13th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Nizza, 1336-1339, nonché 1415-1417 (1995), la qual cosa porta ad un insoddisfacente profilo delle proprietà del materiale vicino ai margini. La larghezza del margine della zona con peggiore durata effettiva è alla base di 4-5 cm (altezza totale del blocco tra 20 e 25 cm) e diminuisce lateralmente dal basso verso l'alto a circa 1 cm. Con riferimento all'altezza del blocco si sono cioè accertati nel circa 20% del blocco di silicio valori ridotti della durata inferiori al 25% rispetto ai valori raggiunti nell'interno del blocco. Per mantenere costanti le specifiche di durata si devono quindi per lo più tagliare diversi cm del blocco di materiale e questi non possono essere utilizzati per la produzione di wafer per la preparazione di celle solari.

La larghezza del margine dipende inoltre dall'andamento temperatura-tempo della cristallizzazione del blocco e del raffreddamento del blocco. La larghezza aumenta con l'aumentare della durata e con l'aumentare della temperatura. Attualmente essa si lascia influenzare nell'ambito del procedimento di preparazione solo in misura molto minima.

Tuttavia sinora non sono noti procedimenti adatti per minimizzare la larghezza del margine.

Era quindi scopo dell'invenzione fornire un procedimento che rendesse possibile preparare pezzi stampati di silicio multicristallino privi di zone marginali con elevata durata e senza perdite di silicio.

E' stato ora trovato che è possibile preparare pezzi stampati privi di zone marginali da pezzi stampati di silicio multicristallino che presentano zone marginali, se questi vengono sottoposti ad un procedimento di condizionamento termico {tempra) ad una temperatura superiore a 450°C, dove la velocità di raffreddamento a temperature inferiori a 300°C è di almeno 5 K/min.

Oggetto dell'invenzione è quindi un procedimento per preparare pezzi stampati essenzialmente privi di zone marginali, caratterizzato dal fatto che si sottopongono pezzi stampati di silicio che presentano zone marginali ad una tempra a temperature superiori a 450°C, di preferenza superiori a 500°C, e li si raffreddano poi sotto i 300°C nella misura di 5 K/min, preferibilmente di 10-20 K/min.

Preferibilmente la tempra viene eseguita a temperature oscillanti tra 500°C e 1000°C, di preferenza tra 600°C e 800°C.

Il riscaldamento del silicio multicristallino che presenta zone marginali può avvenire in qualsiasi modo, così ad esempio in forni tubolari con riscaldamento a resistenza. Per raggiungere nella zona marginale un aumento della durata dei portatori di carica, sono preferiti tempi più lunghi nel caso di temperature più basse (a 500°C circa 2 ore), mentre sono preferiti tempi più brevi nel caso di temperature più elevate. Gli stadi di tempra preferiti vengono eseguiti per 30 minuti a circa 700°C.

Il miglioramento desiderato della durata non dipende dall'atmosfera gassosa utilizzata durante il trattamento di tempra, preferibilmente si utilizzano però azoto o argo.

Lo stadio di raffreddamento a temperature vicine alla temperatura ambientale avviene preferibilmente in modo molto rapido che può essere inferiore ad 1 secondo. Questo raffreddamento è quindi in particolare più veloce del raffreddamento precedente del blocco di silicio multicristallino una volta avvenuta la solidificazione negli impianti di cristallizzazione.

I pezzi stampati possono presentarsi già in forma tagliata.

La preparazione del silicio contenente zone marginali avviene preferibilmente con il procedimento simile a quello della ghisa in pani o Bridgman.

Mediante il procedimento dell'invenzione si migliorano i valori della durata nelle zone emarginali del blocco di silicio multicristallino. La durata effettiva raggiunta oscilla tra 1 e 5 μs.

I blocchi di silicio multicristallino ottenuti con il procedimento dell'invenzione sono soprattutto caratterizzati da una durata effettiva dei portatori di carica in una distanza dal margine del blocco laterale ed inferiore che corrisponde come massimo al 10% dell'altezza totale del blocco, che aumenta ad almeno il 50% dei valori raggiunti nella parte mediana del blocco.

Oggetto dell'invenzione è inoltre l'impiego dei pezzi stampati di silicio multicristallino privi di zone marginali, ottenuti con il procedimento dell'invenzione, come wafer per preparare preferibilmente celle solari.

Il procedimento dell'invenzione viene illustrato sulla base degli esempi seguenti.

L'invenzione non è tuttavia limitata a questi esempi.

Nel caso del silicio utilizzato si tratta in entrambi gli esempi che seguono di silicio multicristallino commerciale che è stato ottenuto con il procedimento Bridgman.

Esempio 1

Dischi tagliati orizzontalmente dalla base (zona marginale) di una colonna di silicio (altezza totale circa 200 mm) vengono temperati in un forno tubolare con riscaldamento a resistenza per 30 minuti a 620°C e poi raffreddati sotto i 300°C nella misura di circa 20 K/min. Il trattamento di tempra avviene in un tubo di vetro di quarzo sotto atmosfera di azoto.

In figura I sono illustrati i valori medi della durata dei dischi tagliati dalla zona marginale (determinati rispettivamente senza una passivazione della superficie dei dischi) prima e dopo il trattamento di tempra.

Prima del trattamento di tempra la durata si abbassa a valori inferiori a 1 μs nel caso di distanze dalla base della colonna inferiori a 40 mm (effetto marginale). Valori tipici della durata nella zona marginale (0,5 ps) sono circa 8 volte più bassi dei valori raggiunti nella parte mediana della colonna. Dopo il riscaldamento ed il veloce raffreddamento dei dischi si riscontra ancora solo in modo minimo una diminuzione della durata al margine della colonna. Praticamente in tutta la zona superiore della colonna si raggiungono le durate di 2-4 μs tipiche per la zona mediana della colonna.

In figura 2 sono rappresentate le misurazioni della durata su una colonna di silicio multicristallino (altezza totale circa 200 mm, ampiezza circa 100 iran). Le superfici della colonna vengono attaccate con alcali prima delle misurazioni (asportazione pochi μm) in modo da rimuovere strati superficiali eventualmente presenti che falsano la misurazione della durata.

La figura 2a indica il risultato della misurazione sulla colonna non trattata, che corrisponde allo stato dopo la cristallizzazione ed il lento raffred-damento del blocco di silicio multicristallino. Alla base della colonna è chiaramente visibile una zona marginale (ampiezza circa 40 mm) con valori della durata inferiori a 1 μs.

Dopo il procedimento dell'invenzione, la colonna esaminata viene poi sottoposta in un forno a muffola ad un trattamento di tempra della durata di 40 minuti ad una temperatura di 750°C sotto atmosfera di aria. La durata del raffreddamento a temperature inferiori a 300°C è di circa 40 minuti (corrispondente ad uno schema di raffreddamento di circa 10 K/min).

La colonna così successivamente temperata è praticamente priva di zone marginali. L'ampiezza del margine è di solo pochi mm (vedere la figura 2b). Su quasi tutta l'altezza della colonna si raggiungono valori della durata superiori a 1,5 μs.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per preparare pezzi stampati di silicio multicristallino essenzialmente privi di zone marginali, caratterizzato dal fatto che pezzi stampati di silicio che presentano zone marginali vengono sottoposti ad una tempra a temperatura superiori a 450°C e raffreddati sotto i 300°C con velocità superiore a 5 K/min.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la tempra viene eseguita ad una temperatura compresa tra 500°C e 1000°C.
3. 3. Procedimento secondo una delle rivendicazioni 1 o 2, caratterizzato dal fatto che si mantengono costanti velocità di raffreddamento di 10-20 K/min.
4. 4. Impiego come wafer dei pezzi stampati di silicio multicristallino preparati con il procedimento di una o più delle rivendicazioni da 1 a 3.
5. 5. Impiego del wafer della rivendicazione 4 per la preparazione di celle solari.