WO1999017381A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen einer scheibe aus halbleitendem material - Google Patents
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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
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.
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