WO2013143972A1 - Verfahren zur herstellung eines gerichtet erstarrten materialkörpers, sowie verwendungen hiervon - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines gerichtet erstarrten materialkörpers, sowie verwendungen hiervon Download PDF

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WO2013143972A1
WO2013143972A1 PCT/EP2013/055960 EP2013055960W WO2013143972A1 WO 2013143972 A1 WO2013143972 A1 WO 2013143972A1 EP 2013055960 W EP2013055960 W EP 2013055960W WO 2013143972 A1 WO2013143972 A1 WO 2013143972A1
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WO
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seed crystal
wafer
plates
crucible
crystal
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PCT/EP2013/055960
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Inventor
Bernhard Birkmann
Frieder Kropfgans
Original Assignee
Fraunhofer - Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung E.V.
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    • 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
    • C30B11/14—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method characterised by the seed, e.g. its crystallographic orientation
    • 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
    • C30B28/00—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B28/04—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure from liquids
    • C30B28/06—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure from liquids by normal freezing or freezing under temperature gradient
    • 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
    • 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

Definitions

  • the present invention generally relates to the production of comparatively large material blanks having a reduced dislocation density by directional solidification from a melt, in particular by the vertical gradient freeze method (also referred to below as VGF method), in particular monocrystalline or quasi-monocrystalline metal or semimetal bodies, preferably monocrystalline or quasi-monocrystalline
  • Silicon for applications in photovoltaics or germanium crystals.
  • Solar cells should have the highest possible efficiency in the conversion of solar radiation into electricity. This is dependent on several factors, among others, the purity of the starting material, the penetration of impurities during crystallization from the contact surfaces of the crystal with the crucible into the interior of the crystal, the penetration of oxygen and carbon from the surrounding atmosphere into the interior of the crystal and also from the crystallinity and defect freedom of the
  • Si solar cells are therefore currently largely using multicrystalline wafers. These are sawn from large ingots, which are crystallized by directional solidification in Bridgeman-like plants. For this purpose, solid silicon is melted in a crucible or liquid silicon is poured into a crucible. This is followed by a controlled directed solidification from the bottom of the crucible, starting in the direction of the enamel surface.
  • a preferred orientation of the wafer surface is desirable, which consists of a crystallographic (100) surface.
  • Such a uniform orientation can be achieved through the use of seed crystal plates that cover the bottom of the crucible as completely as possible to prepare the crucible for the above process of directional solidification of the melt.
  • Crucibles today have dimensions of 900mm x 900mm, for example.
  • the largest monocrystalline silicon crystals currently available are the
  • Germs may have, however, have a cylindrical shape with a diameter of about 300 mm. Shown, but not yet commercially available, are 450 mm diameter ingots.
  • J.D. Hylton et al., "Alkaline Etching for Reflectance Reduction in Multicrystalline Silicon Solar Cells", Journal of the Electrochemical Society, 151 (6) G408-G427 (2004) discloses a process for increasing the efficiency of solar cells that is based essentially on that through the (100) surface can apply a texture that leads to pyramidal structures on the wafer surface, which in turn cause a particularly effective Lichteinkopplung.
  • small angle grain boundaries are comparable to dislocation clusters in a multicrystalline material and have a negative impact on the properties of slabs of material separated from the ingot after directional solidification, particularly Si wafers for photovoltaic applications.
  • these small angle grain boundaries and dislocation clusters lead to losses in the efficiency, the open circuit voltage and the short circuit current of the solar cell.
  • WO 2009/014957 A2 and WO 2007/084934 A2 disclose a method for producing a monocrystalline Si ingot by directional solidification, wherein a crucible is prepared by completely covering its bottom with a plurality of thin monocrystalline seed crystal plates to form a seed crystal plate layer, and in the thus prepared crucible, an Si melt is directionally solidified by the action of a temperature gradient prevailing in a vertical direction to the monocrystalline Si ingot.
  • the seed crystal plates have a square cross-section and are at the edges immediately adjacent to each other on the bottom of the
  • Crucible arranged to form a substantially closed seed crystal plate layer.
  • the Seed crystal plates are arranged on the floor, that each mutually adjacent seed crystal plates are oriented differently, namely, each with a different orientation of their (1 10) -Kristallachsen in a plane that is parallel to the crucible bottom.
  • the formation of small-angle grain boundaries can not always be effectively suppressed.
  • the handling of the relatively many small seed crystal plates is difficult, which can affect the quality of the Si ingot.
  • the object of the present invention is to provide a method for producing a directionally solidified material body, in particular a mono- or quasi-monocrystalline metal or semimetal body, for example a Si ingot, by directional solidification from a melt, which results in large-volume ingot areas with a allow reduced dislocation density to form.
  • a directionally solidified material body in particular a mono- or quasi-monocrystalline metal or semimetal body, for example a Si ingot
  • Another aspect of the present invention further relates to the use of Si wafer produced by such a method for applications in photovoltaics and a correspondingly produced Si wafer.
  • the present invention is based on the fact that the inventors have established in elaborate test series that the transition of the formation of small angle grain boundaries for the formation of Quiwinkelkomalian not continuously with the tilt of the main orientation of two directly adjacent seed crystal plates, but rather an abrupt transition between a first A region in which small angle grain boundaries are predominantly formed at the bumps of seed crystal plates immediately adjacent to each other, and a second region where predominantly large-angle grain boundaries are formed at the bumps of seed crystal plates immediately adjacent to each other.
  • seed crystal plates directly adjoining one another are specifically arranged in different orientations on the crucible bottom, so that, instead of small angle grain boundaries, predominantly large angle grain boundaries at the joints of be formed directly adjacent to each other seed crystal plates.
  • the large angle grain boundaries do not multiply and do not propagate in the ingot.
  • large-area monocrystalline material disks with more homogeneous properties can be formed in a surprisingly simple manner, in particular Si wafers with a further reduced dislocation density, which according to the invention allows further increases in efficiency but also cost reductions for applications in photovoltaics.
  • a process for producing a directionally solidified material body, in particular a mono- or quasi-monocrystalline metal or semimetal body, by directional solidification from a melt wherein a crucible is prepared by forming its bottom with a plurality of thin monocrystalline seed crystal plates is preferably completely covered by the same material as the later material body and with a predetermined orientation of its crystal axes to form a seed crystal plate layer; and in the thus prepared crucible, a melt, in particular a semi-metal or molten metal such as a Si melt is directionally directed to the monocrystalline material body or ingot under the action of a temperature gradient prevailing in a vertical direction, wherein at least one of the crystal axes of the seed crystal plates relative is tilted to the vertical direction by a predetermined acute tilt angle and immediately adjacent to each other seed crystal plates are oriented differently.
  • relatively long seed crystal plates can be used in comparison to the prior art, which require a number of advantages. Due to the use of long seed crystal plates, the impact length becomes instantaneous Halved total of adjacent seed crystal plates, resulting in overall reduced opportunities for the formation of dislocation clusters. In addition, there is an improved heat flux in the y-direction, since the thermally insulating shocks are missing, resulting in a more homogeneous overall temperature distribution and an improved germination. Furthermore, the relatively long seed crystal plates provide a diffusion barrier against the ingress of contaminants from below, since gaps serve as a kind of diffusion channel for contaminants.
  • the bottom of the crucible is covered in the crucible with a thin monocrystalline seed crystal plate layer having a suitable crystal orientation, as described below, before introducing the starting material, in particular a semimetal or metal starting material or a semi-metal or molten metal.
  • the seed crystal plates are made of the same material as the material body or ingot to be produced.
  • the temperature of the bottom of the crucible during the entire process, including the phase of total directional solidification to the monocrystalline metal or metal body preferably maintained at a temperature below the melting temperature of the starting material to a melting of the seed crystal plate layer at least down to the bottom of the Prevent crucible.
  • the temperature of the bottom of the crucible may be monitored and appropriately controlled, for example by controlling the temperature of a heater provided in the region of the bottom, the temperature of a cooling device provided in the region of the bottom, the position of a crucible mounting plate in relation to a there provided Heating device or cooling device, the position of an adjustable radiation shield or the like.
  • a heater provided in the region of the bottom
  • a cooling device provided in the region of the bottom
  • the position of a crucible mounting plate in relation to a there provided Heating device or cooling device
  • the position of an adjustable radiation shield or the like By suitable control or regulation so that the temperature of the bottom is below the melting temperature of the semi-metal or metal, it can be ensured that the seed crystal plate layer reliably predetermines the crystal orientation.
  • the crystal orientation of the monocrystalline seed crystal plate layer is thus according to the invention not exactly parallel to the desired crystal orientation of the semi-metal or metal body to be produced, but tilted by a small angle relative to this targeted.
  • the individual seed crystal plates are preferably also tilted against each other, as explained below.
  • the seed crystal plates preferably have an identical thickness to suppress the formation of dislocations at the interface between seed crystal plate layer and melt in the directional solidification of the melt.
  • the thickness is preferably dimensioned such that fluctuations of the temperature in the region of the bottom of the crucible, as they occur in particular due to time constants of the temperature control or temperature control, can under no circumstances lead to a melting of the seed crystal plate layer down to the bottom of the crucible.
  • the thickness of the seed crystal plate layer is preferably to be minimized to minimize manufacturing costs.
  • Crucibles with dimensions of 720 x 720 mm (G4) or 880 x 880 mm (G5) or 1040 x 1040 mm (G6) are preferred.
  • two or four or more seed crystal plates or dislocation-free subsections of the individual seed crystal plates are uniformly distributed on this base surface.
  • the seed crystal plates and their edges are machined so that they can be placed together immediately and with minimal tilting and dislocations so that the bottom of the crucible can be completely covered.
  • slices can be cut out of an ingot produced according to the method according to the invention whose area is much larger than the area of the seed crystal plates originally arranged on the crucible bottom.
  • These discs can be made very homogeneous and dislocation, because in this existing dislocation cluster, such as grain boundaries, according to the invention does not correlate with the arrangement of the collisions of the originally designed on the crucible bottom seed plates.
  • the disks or wafers produced by the process according to the invention can even be completely free of dislocation clusters and small-angle grain boundaries.
  • the predetermined tilt angle (a) is 5 ° to 25 °.
  • the tilt angle of two seed crystal plates immediately adjacent to each other with respect to the vertical direction is the same, but has an opposite sign.
  • a comparatively large and always precisely adjustable tilt angle can be adjusted in a simple manner by means of a regular arrangement of seed crystal plates on the crucible bottom, which favors the formation of large angle grain boundaries in contrast to the small angle grain boundaries.
  • the tilt angle of two mutually adjacent seed crystal plates with respect to the vertical direction each differ by a minimum angle, which is suitable for the formation of large angle grain boundaries at the joints between immediately adjacent seed crystal plates in contrast to the unwanted small angle grain boundaries favor.
  • the minimum angle is greater than 5 °, more preferably greater than 7.5 ° and more preferably greater than 10 °. In this way, the formation of large angle grain boundaries as opposed to small angle grain boundaries can be easily favored.
  • the minimum angle is in the
  • the tilt angle rotates along the direction of the alignment of the adjacent seed crystal plates around the vertical direction in predetermined discrete angular steps with a minimum size which can easily be specified via the orientation of the seed crystal plates.
  • these angular steps correspond to an integer fraction of 90 °, so that a periodic juxtaposition of the seed crystal plates along one direction or of two mutually orthogonal spatial directions in the plane of the crucible bottom is formed.
  • the seed crystal plates are oriented plates having a square cross section, which are separated from a cylindrical single crystal material cylinder having the predetermined orientation of crystal axes.
  • this material cylinder is expediently a monocrystalline Si cylinder which can be produced by the Czochralski method or by brimdeman-like systems with very homogeneous properties and almost perfect properties.
  • the seed crystal plates are single crystal silicon seed plates whose [001] crystal axis is perpendicular to the top and bottom of the seed crystal plates by the predetermined tilt angle (a), which is of the order of magnitude executed, tilted.
  • Another aspect of the present invention relates to the use of a method as set forth above for producing a monocrystalline silicon ingot for photovoltaic applications. From such a monocrystalline Si ingot, thin Si wafers having dimensions that can be significantly larger than the diameter of the seed crystal plates used to make the ingot can be separated.
  • a further aspect of the present invention relates to a wafer, in particular a silicon wafer, produced by the method as described above, consisting of two or more parallel or nearly parallel to a wafer edge strips in which the orientation of the crystal surface around an acute Angle is tilted.
  • the acute angle (a) can be in the range between 5 ° and 25 °, as stated above.
  • more than 70% of the ⁇ 100 ⁇ crystal orientation wafer surface has a monocrystalline structure.
  • the wafer surface with the ⁇ 100 ⁇ crystal orientation is preferably texture-etched with an alkaline etching solution.
  • the etched wafer surface with the ⁇ 100 ⁇ crystal orientation has pyramidal elevations, wherein the edges of the base area of the pyramidal elevations are at an angle of 45 ° to the outer edges of the wafer surface (edge of the pyramid base extends ⁇ 110) ).
  • Another aspect of the present invention relates to a solar cell having a silicon wafer, wherein a p / n junction is formed between the wafer surface having the ⁇ 100 ⁇ crystal orientation and the wafer back surface, the wafer surface having the ⁇ 100 ⁇ crystal orientation being a coating and wherein at least the Wafer Wegfiamba are provided with contacts
  • Fig. 1 is a schematic plan view of the occupancy of the bottom of a crucible with a plurality of seed crystal plates with the same orientation at a
  • Fig. 2 is a schematic perspective view of the occupancy of the bottom of a
  • Fig. 3a is a Photoluminescence image of a wafer, which consists of a state of the
  • FIG. 3b is a photoluminescent image of a wafer made in accordance with the present invention.
  • 5a and 5b respectively in a sectional view and a plan view depict a solar cell formed of a wafer made by the method of the present invention.
  • FIG. 2 shows, in a schematic perspective view, the coverage of the bottom of a crucible 1 with a plurality of differently-oriented seed crystal plates 2a-2d according to a method according to the present invention.
  • one of the crystal axes of the seed crystal plates 2a-2d is tilted by a predetermined acute tilt angle ⁇ relative to the vertical direction (z) corresponding to the laboratory vertical or a perpendicular to the crucible bottom.
  • ⁇ relative to the vertical direction (z) corresponding to the laboratory vertical or a perpendicular to the crucible bottom.
  • z the vertical direction
  • the left seed crystal plate 2a is tilted in a different direction by the tilt angle ⁇ than the immediately adjacent seed crystal plate 2b, etc.
  • the tilt angle ⁇ of two mutually adjacent seed crystal plates 2a-2d with respect to the vertical direction z deviates from each other by a minimum angle.
  • This minimum angle may be greater than 5 °, more preferably greater than 7.5 °, and more preferably greater than 10 °. Or the minimum angle is preferably in the range between
  • the tilt angle ⁇ of two mutually adjacent seed crystal plates 2a-2d with respect to the vertical direction z is the same in each case, but has an opposite sign.
  • the tilt angle ⁇ of seed crystal plates, which along a direction x, y, which is perpendicular to the vertical direction z, for their orientation and arrangement on the crucible bottom in respective equal angular increments further rotated about the vertical direction.
  • [010] points in the direction of the y-axis, but may also be slightly tilted towards it.
  • a crystallographic ⁇ 21 1> direction is slightly tilted from the z axis as described.
  • a crystallographic ⁇ 11 1> direction then points in the direction of the y-axis.
  • a crystallographic ⁇ 1 10> direction is slightly tilted from the z-axis as described.
  • a crystallographic ⁇ 11 1> direction then points in the direction of the y-axis.
  • a crystallographic ⁇ 1 1 1> -direction as described is slightly tilted with respect to the z-axis.
  • a crystallographic ⁇ 21 1> direction then points in the direction of the y-axis.
  • a crystallographic ⁇ 1 10> direction is slightly tilted from the z-axis as described.
  • a crystallographic ⁇ 100> direction then points in the direction of the y-axis.
  • a crystallization unit (not shown) is used in a method according to the invention, which comprises a crucible with has a quadrangular cross-section, which can be received tightly supported for support in a correspondingly formed graphite container.
  • the crucible is placed upright so that the crucible walls and the z-direction are along the direction of gravity.
  • Such crucibles are commercially available as quartz crucibles with a footprint of, for example, 570 x 570 mm, 720 x 720 mm, 880 x 880 mm or 1040 x 1040 mm and usually have an inner coating as a separating layer between the Si0 2 of the crucible and silicon.
  • the seed crystal plates 2a-2d preferably have an identical thickness and immediately adjoin each other, so that the bottom of the crucible 1 is completely covered.
  • the seed crystal plates 2a-2d are preferably rectangular or square and their edges are suitably reworked, so that they abut directly against each other as far as possible and without gaps.
  • the crucible 1 is filled up to its upper edge with a Si melt. During the entire process, care is taken to ensure that the temperature of the bottom of the crucible 1 remains at a temperature below the melting temperature of the silicon, so that the seed crystal plates 2a-2d do not melt on the bottom of the crucible 1, at least not down to the bottom of the crucible 1 melt through.
  • a slight melting at the top of the seed crystal plates 2a-2d is quite desirable and necessary, as long as it does not affect the orientation of the crystal growth predetermined by the crystal orientation of the seed crystal plates 2a-2d.
  • the directed cooling and solidification of the liquid silicon to a monocrystalline silicon ingot begins in a conventional manner.
  • the bottom heater is preferably maintained at a defined temperature below the melting temperature of the silicon, for example at a temperature of at least 10 K below the melting temperature.
  • the crystal growth is now initiated. The growth of a silicon
  • a quartz crucible with a square basic shape of dimensions 720 ⁇ 720 mm and a height of 450 mm was used.
  • the bottom of the crucible was covered with a seed crystal plate layer comprising four single seed crystal plates.
  • FIG. 3 a shows a photoluminescence image of a wafer which has been sawn from a (quasi) monocrystalline ingot crystallized in accordance with the prior art.
  • the wafer was removed a few centimeters above the melting point of the germs.
  • the arrow marks a germ impact, that is to say a region at which two directly adjacent seed crystal plates lie directly adjacent to one another at the beginning of the process.
  • Clearly recognizable are loop-shaped small-angle grain boundaries, which line up along the original nucleus impact and extend far into the adjacent material.
  • FIG. 3 b shows a photoluminescence image of a wafer which has been sawn from a (quasi) monocrystalline ingot crystallized in accordance with the present invention.
  • the wafer was removed from a height comparable to FIG. 3a above the melting point of the germs.
  • the arrow again marks a germ-kick. There are no longer any small-angle grain boundaries visible, only the large-angle grain boundary above the original germ impact.
  • FIGS. 4a to 4f each show a cross section through a Si brick, which was cut out of a Si ingot produced by the process according to the invention.
  • the cross sections were taken in each case at the same point above a germ impact between two adjacent seed crystal plates. Depicted is in each case the cross section between an edge region of the Si ingot (in the figures on the left), which adjoins the crucible, and a first germ impact, which is indicated in the figures in each case by the dashed line.
  • FIG. 4a shows the second wafer which has been cut out of the Si brick, ie at a level immediately above the height of the fused seed and the electric bad region of the Si brick (hereinafter referred to as ground, which in this embodiment is an estimated Height of about 70 mm to 80 mm), which were previously separated.
  • Figure 4b shows the 102 th wafer cut out at a height of about 46 mm above the bottom of the Si brick.
  • Figure 4c shows the 202 th wafer cut out at a height of about 91 mm above the bottom of the Si brick.
  • Fig. 4d shows the 242nd wafer cut out at a height of about 109 mm above the bottom of the Si brick.
  • Figure 4e shows the 292nd wafer cut out at a height of about 132 mm above the bottom of the Si brick.
  • Fig. 4f shows the 332nd wafer cut out at a height of about 150 mm above the bottom of the Si brick.
  • the sequence of FIGS. 4a to 4f shows the surprising effect that first of all perturbations and twins, in particular granular monocrystalline regions, grow into the Si ingot starting from the edge region (in the figures on the left), but are retained above the germ impact (recognizable in FIGS. 4c to 4f) and can not grow further into the Si ingot.
  • the area above a germ impact thus acts as a barrier that effectively prevents further propagation of perturbations, twins and dislocations into the material of the Si ingot.
  • FIGS. 5a and 5b respectively show, in a sectional view and a plan view, a solar cell which is formed from a Si wafer which is cut out of a Si ingot produced by the method according to the invention.
  • the Si wafer 10 of the solar cell consists of - in the illustrated example - a total of three strip-shaped areas 12 corresponding to areas in which were designed at the beginning of the production of the Si ingot according to the inventive method Si seed plates on the bottom of a crucible.
  • the lines 1 1 denote the nucleus impacts between Si microplates directly adjacent to one another at the beginning of the production process.
  • the strip-shaped regions 12 form the integrally formed Si wafer 10.
  • the Si ingot thus obtained can be made into a number of seed crystal plates corresponding to the number of seed crystal plates along saw lines running along the edges of the seed crystal plates used for directional solidification and perpendicular to the direction of crystallization Si blocks are decomposed, each characterized by a low average dislocation density.
  • Si wafers with a low average dislocation density can be produced, with which monocrystalline Si solar cells can be produced with a high degree of efficiency.
  • the seed crystal plate layer is formed of a plurality of rectangular or square seed crystal plates, it may basically be integrally formed.
  • the orientation of the seed surfaces of the silicon monocrystalline seed is - indicated in Miller indices - slightly tilted to ⁇ 100 ⁇ direction.
  • the silicon crystal is known to have a diamond structure with eight silicon atoms in each unit cube.
  • the surface of the silicon-crystal unit cube is face centered cubic.
  • the seed crystal plates may, of course, have another shape instead of a square or rectangular shape, for example a hexagonal shape, which likewise makes possible an almost full-surface and closed coverage of the bottom region of a crucible in the same crystal orientation direction.
  • the invention is also applicable to other materials than those specifically disclosed above, namely, in principle, to the production of directionally solidified bodies of any non-metals or insulators. This is because the dislocation dynamics do not depend on the specific type of chemical bond (metallic, covalent, ionic) in the material chosen.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Materialkörpers, insbesondere eines mono- oder quasimonokristallinen Metall- oder Halbmetallkörpers, wird ein Schmelztiegel vorbereitet, indem dessen Boden mit einer Mehrzahl von dünnen monokristallinen Keimkristallplatten mit einer vorbestimmten Orientierung ihrer Kristallachsen bedeckt wird, um eine Keimkristallplattenschicht auszubilden. In dem so vorbereiteten Schmelztiegel wird eine Schmelze unter Einwirkung eines in einer vertikalen Richtung vorherrschenden Temperaturgradienten zu dem Materialkörper (Ingot) gerichtet erstarrt. Erfindungsgemäß ist eine der Kristallachsen der Keimkristallplatten relativ zu der vertikalen Richtung (z) um einen vorbestimmten spitzen Verkippungswinkel (α) verkippt und sind unmittelbar zueinander benachbarte Keimkristallplatten unterschiedlich orientiert. Die Abweichung der Oberfläche des Kristalls von der idealen (001)-Richtung ist vernachlässigbar, sodass insbesondere mittels alkalischer Textur effiziente Solarzellen ausgebildet werden können. Es wurde insbesondere beobachtet, dass etwaige Versetzungscluster in dem Materialblock nicht mit der Anordnung der Stöße der ursprünglich auf dem Tiegelboden ausgelegten Keimkristallplatten korrelieren und sich nicht weiter in den Materialkörper hinein ausbreiten können.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES GERICHTET ERSTARRTEN MATERIALKÖRPERS, SOWIE VERWENDUNGEN HIERVON
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der Deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2012 102 597.5 „Verfahren zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Materialkörpers, insbesondere eines Metall- oder Halbmetallkörpers, sowie Verwendungen hiervon", angemeldet am 26. März 2012, deren gesamter Inhalt hiermit im Wege der Bezugnahme zu Offenbarungszwecken mit beinhaltet sei.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von vergleichsweise großen Materialrohlingen mit reduzierter Versetzungsdichte durch gerichtete Erstarrung aus einer Schmelze, insbesondere nach dem Vertical-Gradient-Freeze- Verfahren (nachfolgend auch VGF-Verfahren genannt), insbesondere von monokristallinen oder quasimonokristallinen Metall- oder Halbmetallkörpern, bevorzugt von monokristallinem oder quasimonokristallinem
Silizium, für Anwendungen in der Photovoltaik oder von Germaniumkristallen.
Hintergrund der Erfindung Solarzellen sollen einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Solarstrahlung in Strom aufweisen. Dieser ist von mehreren Faktoren abhängig, wie unter anderem von der Reinheit des Ausgangsmaterials, dem Eindringen von Verunreinigungen während der Kristallisation von den Berührungsflächen des Kristalls mit dem Tiegel in das Kristallinnere, dem Eindringen von Sauerstoff und Kohlenstoff aus der umgebenden Atmosphäre in das Kristallinnere und auch von der Kristallinität und Defektfreiheit des
Wafermaterials.
Aus dem Stand der Technik ist die Herstellung von monokristallinem Silizium nach dem Czochralski- Verfahren und dem Floating Zone -Verfahren bekannt. Damit lässt sich monokristallines Silizium mit niedriger Versetzungsdichte und einer definierten Orientierung herstellen. Damit hergestellte Ingots ermöglichen zwar einen hohen Wirkungsgrad daraus hergestellter Solarzellen, haben jedoch einen runden Querschnitt, was einen sehr hohen Schnittverlust bei der Herstellung der üblicherweise quasi-quadratischen oder quadratischen Wafer für Anwendungen in der Photovoltaik bedingt.
Die Massenfertigung von Si-Solarzellen erfolgt derzeit deshalb zum Großteil unter Verwendung von multikristallinen Wafern. Diese werden aus großen Ingots gesägt, welche mit Hilfe von gerichteter Erstarrung in Bridgeman-ähnlichen Anlagen kristallisiert werden. Dazu wird festes Silizium in einem Tiegel aufgeschmolzen oder flüssiges Silizium wird in einen Tiegel gegossen. Anschließend erfolgt eine kontrollierte gerichtete Erstarrung vom Tiegelboden beginnend in Richtung Schmelzoberfläche.
Aus Gründen der Wirkungsgradsteigerung bei Solarzellen ist eine Vorzugsorientierung der Waferoberfläche wünschenswert, die aus einer kristallographischen (100)-Fläche besteht. Eine solche einheitliche Orientierung lässt sich durch die Verwendung von Keimkristallplatten erzielen, die zur Vorbereitung des Schmelztiegels für den obigen Prozess einer gerichteten Erstarrung der Schmelze den Boden des Schmelztiegels möglichst vollständig bedecken. Schmelztiegel haben heutzutage Abmessungen von beispielsweise 900mm x 900mm. Die größten derzeit verfügbaren einkristallinen Silizium-Kristalle, die als
Keim dienen können, haben jedoch eine Zylinderform mit einem Durchmesser von etwa 300 mm. Gezeigt, aber noch nicht kommerziell erhältlich, sind auch Ingots mit 450 mm Durchmesser. J.D. Hylton et al.,„Alkaline Etching for Reflectance Reduction in Multicrystalline Silicon Solar Cells", Journal of the Electrochemical Society, 151 (6) G408-G427 (2004) offenbart ein Verfahren zur Wirkungsgradsteigerung bei Solarzellen, die im wesentlichen darauf beruht, dass sich durch die (100)-Oberfläche eine Textur anwenden lässt, die zu Pyramidenstrukturen auf der Waferoberfläche führt, die wiederum eine besonders effektive Lichteinkopplung bewirken.
Nach dem Stand der Technik verwendet man zum Bedecken des Bodens des Schmelztiegels eine Mehrzahl von orientierten Keimkristallplatten mit einem quadratischen Querschnitt (in Draufsicht). Die Stöße dieser Keime sind jedoch nicht atomar perfekt, sei es dass minimale Verkippungen und Verschiebungen, Belegungen mit Oxiden, Verschmutzungen oder entsprechende Effekte vorliegen. Dies führt nach dem Anschmelzen der Keime zu Beginn des Kristallwachstums zur Bildung von Defekten, um den sogenannten "Misfit" zwischen den Kristallgittern auf beiden Seiten auszugleichen, und schließlich zur Ausbildung von Kleinwinkelkorngrenzen über dem Keimstoss, die sich im Verlauf der weiteren Kristallisation in den Kristall hinein ausbreiten und schließlich den Wafer teilweise oder komplett belegen. Diese Kleinwinkelkorngrenzen sind vergleichbar zu Versetzungsclustern in einem multikristallinen Material und haben einen negativen Einfluss auf die Eigenschaften von aus dem Ingot nach der gerichteten Erstarrung abgetrennten Materialplatten, insbesondere Si- Wafern für Anwendungen in der Photovoltaik. Insbesondere führen diese Kleinwinkelkorngrenzen und Versetzungscluster zu Verlusten im Wirkungsgrad, der Leerlaufspannung und im Kurzschlußstrom der Solarzelle.
Die Bildung von Versetzungen und deren zugrunde liegende Prinzipien bei der Herstellung von multikristallinen Si-Ingots durch gerichtete Erstarrung werden u.a. beschrieben in Ryningen et. al. "Growth of dislocation Clusters in directionally solidified Silicon", Proc. 23rd Europ. Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, 2008, in Ervik et. al. "Dislocation formation at £=27a boundaries in multicrystalline Silicon for solar cells", Proc. 26th Europ. Photovoltaic Solar Energy Conference, Hamburg, 201 1 sowie in Julsrud et al.„Directionally solidified multicrystalline Silicon: Industrial perspectives, objectives and challenges", Proc.
3rd Internat. Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells, Trondheim, 2009.
WO 2009/014957 A2 und WO 2007/084934 A2 offenbaren ein Verfahren zur Herstellung eines monokristallinen Si-Ingots durch gerichtetes Erstarren, wobei ein Schmelztiegel vorbereitet wird, indem dessen Boden mit einer Mehrzahl von dünnen monokristallinen Keimkristallplatten vollständig bedeckt wird, um eine Keimkristallplattenschicht auszubilden, und in dem so vorbereiteten Schmelztiegel eine Si-Schmelze unter Einwirkung eines in einer vertikalen Richtung vorherrschenden Temperaturgradienten zu dem monokristallinen Si-Ingot gerichtet erstarrt wird. Die Keimkristallplatten haben einen quadratischen Querschnitt und werden an deren Rändern unmittelbar aneinander anliegend auf dem Boden des
Schmelztiegels angeordnet, um eine im Wesentlichen geschlossene Keimkristallplattenschicht auszubilden. Offenbart ist zunächst eine Anordnung der Keimkristallplatten auf dem Boden des Schmelztiegels, so wie in der Fig. 1 abgebildet, bei der sämtliche Keimkristallplatten die gleiche Orientierung haben. Offenbart wird auch eine Ausführungsform, bei der die Keimkristallplatten so auf dem Boden angeordnet werden, dass jeweils zueinander benachbarte Keimkristallplatten unterschiedlich orientiert sind, nämlich mit jeweils unterschiedlicher Orientierung ihrer (1 10)-Kristallachsen in einer Ebene, die zu dem Tiegelboden parallel ist. Damit kann jedoch die Ausbildung von Kleinwinkelkorngrenzen nicht immer wirkungsvoll unterdrückt werden. Die Handhabung der relativ vielen kleinen Keimkristallplatten ist schwierig, was die Qualität des Si-Ingots beeinträchtigen kann.
Zusammenfassung der Erfindung Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Materialkörpers, insbesondere eines mono- oder quasimonokristallinen Metall- oder Halbmetallkörpers, beispielsweise eines Si-Ingots, durch gerichtetes Erstarren aus einer Schmelze bereitzustellen, womit sich großvolumige Ingotbereiche mit einer reduzierten Versetzungsdichte ausbilden lassen. Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft ferner die Verwendung von mittels eines solchen Verfahrens hergestellten Si-Wafers für Anwendungen in der Photovoltaik sowie einen entsprechend hergestellten Si-Wafer.
Diese Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren nach Anspruch 1 , eine Verwendung nach Anspruch 10, einen Wafer nach Anspruch 1 1 sowie eine Si-Solarzelle nach Anspruch 17 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind
Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.
Der vorliegenden Erfindung liegt zugrunde, dass die Erfinder in aufwändigen Versuchsreihen festgestellt haben, dass der Übergang der Ausbildung von Kleinwinkelkorngrenzen zur Ausbildung von Großwinkelkomgrenzen nicht kontinuierlich mit der Verkippung der Hauptorientierung von zwei unmittelbar aneinander angrenzenden Keimkristallplatten erfolgt, sondern dass vielmehr ein abrupter Übergang zwischen einem ersten Bereich, in welchem überwiegend Kleinwinkelkorngrenzen an den Stößen von unmittelbar aneinander angrenzenden Keimkristallplatten ausgebildet werden, und einem zweiten Bereich besteht, in welchem überwiegend Großwinkelkomgrenzen an den Stößen von unmittelbar aneinander angrenzenden Keimkristallplatten ausgebildet werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden unmittelbar aneinander angrenzende Keimkristallplatten gezielt jeweils unterschiedlich orientiert auf dem Tiegelboden angeordnet, sodass anstelle von Kleinwinkelkorngrenzen überwiegend Großwinkelkomgrenzen an den Stößen von unmittelbar aneinander angrenzenden Keimkristallplatten ausgebildet werden. Im Gegensatz zu Kleinwinkelkorngrenzen multiplizieren sich die Großwinkelkorngrenzen nicht und breiten sich nicht im Ingot aus. Auf diese Weise lassen sich in überraschend einfacher Weise großflächige monokristalline Materialscheiben mit homogeneren Eigenschaften ausbilden, insbesondere Si-Wafer mit einer weiter reduzierten Versetzungsdichte, was erfindungsgemäß weitere Effizienzsteigerungen aber auch Kostenreduzierungen für Anwendungen in der Photovoltaik ermöglicht.
Somit wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Materialkörpers, insbesondere eines mono- oder quasimonokristallinen Metall- oder Halbmetallkörpers, durch gerichtetes Erstarren aus einer Schmelze bereitgestellt, wobei ein Schmelztiegel vorbereitet wird, indem dessen Boden mit einer Mehrzahl von dünnen monokristallinen Keimkristallplatten aus dem gleichen Material wie der spätere Materialkörper und mit einer vorbestimmten Orientierung ihrer Kristallachsen bevorzugt vollständig bedeckt wird, um eine Keimkristallplattenschicht auszubilden; und in dem so vorbereiteten Schmelztiegel eine Schmelze, insbesondere eine Halbmetall- oder Metallschmelze wie beispielsweise eine Si-Schmelze, unter Einwirkung eines in einer vertikalen Richtung vorherrschenden Temperaturgradienten zu dem monokristallinen Materialkörper bzw. Ingot gerichtet erstarrt wird, wobei mindestens eine der Kristallachsen der Keimkristallplatten relativ zu der vertikalen Richtung um einen vorbestimmten spitzen Verkippungswinkel verkippt ist und unmittelbar zueinander benachbarte Keimkristallplatten unterschiedlich orientiert sind.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass auf diese Weise aus dem so hergestellten Ingot insbesondere Si-Wafer ausgebildet werden können, wobei die Abweichung deren Oberfläche von der idealen (OOl)-Richtung vernachlässigbar, jedenfalls nicht zu groß, ist, sodass effiziente Solarzellen ausgebildet werden können. Entsprechende Vorteile zeigen sich auch bei anderen Materialien als Silizium. Es wurde insbesondere von den Erfindern beobachtet, dass etwaige Versetzungscluster in dem Materialblock nicht mit der Anordnung der Stöße der ursprünglich auf dem Tiegelboden ausgelegten Keimkristallplatten korrelieren.
Bei dem Verfahren können im Vergleich zum Stand der Technik insgesamt relativ lange Keimkristallplatten eingesetzt werden, die eine Reihe von Vorteilen bedingen. Aufgrund der Verwendung langer Keimkristallplatten wird die Stoßlänge zwischen unmittelbar benachbarten Keimkristallplatten insgesamt halbiert, wodurch insgesamt verringerte Möglichkeiten für die Bildung von Versetzungsclustern bestehen. Zusätzlich ergibt sich ein verbesserter Wärmefluss in y-Richtung, da die thermisch isolierenden Stöße fehlen, was in einer insgesamt homogeneren Temperatur- Verteilung und einem verbesserten Ankeimen resultiert. Ferner bewirken die relativ langen Keimkristallplatten eine Diffusionssperre gegen das Eindringen von Verunreinigungen von unten, da Spalte als eine Art Diffusionskanal für Verunreinigungen dienen.
Bei dem Verfahren wird der Boden des Schmelztiegels vor dem Einbringen des Ausgangsmaterials, insbesondere eines Halbmetall- oder Metall- Ausgangsmaterials oder einer Halbmetall- oder Metallschmelze, in den Schmelztiegel mit einer dünnen monokristallinen Keimkristallplattenschicht mit einer geeigneten Kristallorientierung, wie nachfolgend beschrieben, bedeckt. Die Keimkristallplatten bestehen aus dem gleichen Material wie der herzustellende Materialkörper bzw. Ingot. Dabei wird die Temperatur des Bodens des Schmelztiegels während des gesamten Prozesses, einschließlich der Phase des gesamten gerichteten Erstarrens zu dem monokristallinen Halbmetall- oder Metallkörper, bevorzugt auf einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Ausgangsmaterials gehalten, um ein Schmelzen der Keimkristallplattenschicht jedenfalls bis hinab zum Boden des Schmelztiegels zu verhindern. Die Temperatur des Bodens des Schmelztiegels kann überwacht und geeignet gesteuert oder geregelt werden, beispielsweise durch Steuern oder Regeln der Temperatur einer im Bereich des Bodens vorgesehen Heizeinrichtung, der Temperatur einer im Bereich des Bodens vorgesehenen Kühleinrichtung, der Stellung einer Tiegelaufstellplatte in Bezug zu einer dort vorgesehenen Heizeinrichtung oder Kühleinrichtung, der Stellung eines verstellbaren Strahlungsschilds oder dergleichen. Durch geeignete Steuerung oder Regelung, sodass die Temperatur des Bodens unterhalb der Schmelztemperatur des Halbmetalls oder Metalls ist, kann gewährleistet werden, dass die Keimkristallplattenschicht die Kristallorientierung zuverlässig vorgibt.
Die Kristallorientierung der monokristallinen Keimkristallplattenschicht ist somit erfindungsgemäß nicht exakt parallel zur gewünschten Kristallorientierung des herzustellenden Halbmetall- oder Metallkörpers, sondern um einen geringen Winkel relativ zu diesem gezielt verkippt. Zudem sind die einzelnen Keimkristallplatten bevorzugt auch gegeneinander verkippt, wie nachfolgend ausgeführt. Die Keimkristallplatten weisen bevorzugt eine identische Dicke auf, um die Ausbildung von Versetzungen bzw. eines Versatzes an der Grenzfläche zwischen Keimkristallplattenschicht und Schmelze beim gerichteten Erstarren der Schmelze zu unterdrücken. Die Dicke ist dabei bevorzugt so bemessen, dass Schwankungen der Temperatur im Bereich des Bodens des Schmelztiegels, wie diese insbesondere aufgrund von Zeitkonstanten der Temperatursteuerung oder Temperaturregelung auftreten, unter keinen Umständen zu einem Durchschmelzen der Keimkristallplattenschicht bis hinab zu dem Boden des Schmelztiegels führen können. Grundsätzlich ist die Dicke der Keimkristallplattenschicht jedoch bevorzugt zu minimieren, um die Herstellungskosten zu minimieren.
Bevorzugt wird die Grundfläche des Schmelztiegels möglichst groß gewählt und sollte das Herausschneiden von z.B. sechzehn (= 4x4) 6-Zoll-Bricks (G4), fünfundzwanzig (= 5x5) 6- Zoll-Bricks (G5) oder 36 (=6x6) 6- Zoll-Bricks (G6) aus einem Ingot ermöglichen. Bevorzugt werden dabei Schmelztiegel mit Abmessungen von 720 x 720 mm (G4) oder 880 x 880 mm (G5) oder 1040 x 1040 mm (G6). Auf diese Grundfläche werden erfindungsgemäß bevorzugt zwei oder vier oder auch mehr Keimkristallplatten oder versetzungslinienfreie Unterabschnitte der einzelnen Keimkristallplatten gleichmäßig verteilt.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung werden die Keimkristallplatten und deren Ränder dergestalt bearbeitet, dass diese unmittelbar und mit minimalen Verkippungen und Versetzungen aneinander gesetzt werden können, sodass der Boden des Schmelztiegels vollständig bedeckt werden kann. Auf diese Weise können erfindungsgemäß aus einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Ingot Scheiben herausgeschnitten werden, deren Fläche sehr viel größer ist als die Fläche der ursprünglich auf dem Tiegelboden angeordneten Keimkristallplatten. Diese Scheiben können sehr homogen und versetzungsarm hergestellt werden, weil in diesen vorhandene Versetzungscluster, wie etwa Korngrenzen, erfindungsgemäß nicht mit der Anordnung der Stöße der ursprünglich auf dem Tiegelboden ausgelegten Keimkristallplatten korrelieren. Grundsätzlich können die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Scheiben bzw. Wafer sogar vollkommen frei von Versetzungsclustem und Kleinwinkelkorngrenzen sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt der vorbestimmte Verkippungswinkel (a) 5° bis 25°. Auf diese Weise kann eine Ausbildung von Versetzungen noch wirkungsvoller unterbunden werden. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist der Verkippungswinkel von zwei unmittelbar zueinander benachbarten Keimkristallplatten bezüglich der vertikalen Richtung jeweils gleich, hat jedoch ein entgegengesetztes Vorzeichen. Dadurch kann in einfacher Weise mittels einer regelmäßigen Anordnung von Keimkristallplatten auf dem Tiegelboden ein vergleichsweise großer und stets präzise einstellbarer Verkippungswinkel eingestellt werden, was die Ausbildung von Großwinkelkorngrenzen im Gegensatz zu den Kleinwinkelkorngrenzen favorisiert.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weicht der Verkippungswinkel von zwei unmittelbar zueinander benachbarten Keimkristallplatten bezüglich der vertikalen Richtung jeweils um einen Mindestwinkel voneinander ab, der geeignet ist, um an den Stoßstellen zwischen unmittelbar benachbarten Keimkristallplatten die Ausbildung von Großwinkelkorngrenzen im Gegensatz zu den unerwünschten Kleinwinkelkorngrenzen zu favorisieren. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist der Mindestwinkel größer als 5°, bevorzugter größer als 7,5° und noch bevorzugter größer als 10°. Auf diese Weise kann die Ausbildung von Großwinkelkorngrenzen im Gegensatz zu Kleinwinkelkorngrenzen in einfacher Weise favorisiert werden. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung liegt der Mindestwinkel im
Bereich zwischen 7,5° und 25°. Auf diese Weise kann die Ausbildung von Großwinkelkorngrenzen im Gegensatz zu Kleinwinkelkorngrenzen in einfacher Weise favorisiert werden. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird der
Verkippungswinkel von Keimkristallplatten, die entlang einer Richtung, die senkrecht zu der vertikalen Richtung (z) ist, zu deren Orientierung in jeweils gleichen Winkelschritten um die vertikale Richtung weitergedreht. Mit anderen Worten, der Verkippungswinkel rotiert entlang der Richtung der Aufreihung der benachbarten Keimkristallplatten um die vertikale Richtung in vorbestimmten diskreten Winkelschritten mit einer über die Orientierung der Keimkristallplatten einfach vorgebbaren Mindestgröße. Bevorzugt entsprechen diese Winkelschritte einem ganzzahligen Bruchteil von 90°, sodass eine periodische Aneinanderreihung der Keimkristallplatten entlang einer Richtung oder von zwei zueinander orthogonalen Raumrichtungen in der Ebene des Tiegelbodens ausgebildet wird.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei den Keimkristallplatten um orientierte Platten mit einem quadratischen Querschnitt, die von einem zylindrischen einkristallinen Materialzylinder mit der vorbestimmten Orientierung der Kristallachsen abgetrennt werden. Für Anwendungen in der Photovoltaik handelt es sich bei diesem Materialzylinder zweckmäßig um einen einkristallinen Si-Zylinder, der nach dem Czochralski- Verfahren oder mittels Brigdeman-ähnlicher Anlagen mit sehr homogenen Eigenschaften und nahezu perfekten Eigenschaften hergestellt werden kann.
Gemäß einem bevorzugten weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind die Keimkristallplatten einkristalline Silizium- Keimkristallplatten sind, deren [001] -Kristallachse bezüglich einer Senkrechten auf die Ober- und Unterseite der Keimkristallplatten um den vorbestimmten Verkippungswinkel (a), der von einer Größenordnung ist, wie vorstehend ausgeführt, verkippt ist.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines Verfahrens, wie vorstehend ausgeführt, zur Herstellung eines monokristallinen Silizium- Ingots für Anwendungen in der Photovoltaik. Von einem solchen monokristallinen Si-Ingot können dünne Si-Wafer mit Abmessungen, die deutlich größer sein können als der Durchmesser der zur Herstellung des Ingots verwendeten Keimkristallplatten, abgetrennt werden.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Wafer, insbesondere einen Silizium- Wafer, hergestellt nach dem Verfahren wie vorstehend ausgeführt, wobei dieser aus zwei oder mehreren zu einer Waferkante parallel oder nahezu parallel verlaufenden Streifen besteht, in denen die Orientierung der Kristalloberfläche um einen spitzen Winkel verkippt ist. Dabei kann der spitze Winkel (a) im Bereich zwischen 5° und 25° liegen, wie vorstehend ausgeführt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen mehr als 70% der Waferfläche mit der { 100} -Kristallorientierung eine monokristalline Struktur auf.
Dabei wird die Waferfläche mit der { 100} -Kristallorientierung mit einer alkalischen Ätzlösung bevorzugt texturgeätzt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die geätzte Waferfläche mit der { 100}- Kristallorientierung pyramidenförmige Erhebungen auf, wobei die Kanten der Grundfläche der pyramidenförmigen Erhebungen einen Winkel von 45° mit den Außenkanten der Waferfläche verlaufen (Kante der Pyramidengrundfläche erstreckt sich <1 10>-Richtung).
Ein weitere Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Solarzelle mit einem Silizium- Wafer, wobei zwischen der Waferfläche mit der { 100} -Kristallorientierung und der Waferrückfläche ein p/n-Übergang ausgeführt ist, wobei die Waferfläche mit der { 100}- Kristallorientierung eine Beschichtung aufweist und wobei zumindest die Waferrückfiäche mit Kontakten versehen sind
Figurenübersicht
Nachfolgend wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, woraus sich weitere Merkmale, Vorteile und zu lösende Aufgaben ergeben werden. Es zeigen:
Fig. 1 in einer schematischen Draufsicht die Belegung des Bodens eine Schmelztiegels mit einer Mehrzahl von Keimkristallplatten mit gleicher Orientierung bei einem
Verfahren gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 in einer schematischen Perspektivansicht die Belegung des Bodens eines
Schmelztiegels mit einer Mehrzahl von Keimkristallplatten mit unterschiedlicher
Orientierung bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3a eine Photoluminineszenz-Aufnahme eines Wafers, der aus einem nach dem Stand der
Technik kristallisierten (quasi)-monokristallinen Ingots gesägt wurde, worin noch die
Stückelung der Keime erkennbar ist;
Fig. 3b eine Photoluminineszenz-Aufnahme eines Wafers, der gemäß der vorliegenden
Erfindung kristallisiert wurde; Fig. 4a bis 4f jeweils in einer Schnittansicht einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Si-Wafer im Bereich von Keim-Stossstellen, wobei die Wafer auf verschiedenen Höhen aus einem Si-Ingot herausgeschnitten wurden;
Fig. 5a und 5b jeweils in einer Schnittansicht und einer Draufsicht eine Solarzelle darstellt, die aus einem Wafer ausgebildet ist, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen Die Fig. 2 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht die Belegung des Bodens eines Schmelztiegels 1 mit einer Mehrzahl von Keimkristallplatten 2a-2d mit unterschiedlicher Orientierung nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung. Gemäß der Fig. 2 ist eine der Kristallachsen der Keimkristallplatten 2a-2d relativ zu der vertikalen Richtung (z), welche der Labor- Vertikalen bzw. einer Senkrechten auf den Tiegelboden entspricht, um einen vorbestimmten spitzen Verkippungswinkel α verkippt. Dabei sind unmittelbar zueinander benachbarte Keimkristallplatten, also beispielsweise die Keimkristallplatten 2a und 2b, 2b und 2c usw., unterschiedlich orientiert. So ist in der Fig. 2 die linke Keimkristallplatte 2a in eine andere Richtung um den Verkippungswinkel α verkippt als die unmittelbar benachbarte Keimkristallplatte 2b usw. Auf diese Weise werden erfindungsgemäß abrupte Übergänge an den Stoßstellen zwischen unmittelbar benachbarten Keimkristallplatten bereitgestellt, die bewirken, dass an diesen Stoßstellen und oberhalb davon die Ausbildung von Großwinkelkorngrenzen gegenüber der Ausbildung von Kleinwinkelkorngrenzen favorisiert ist. Dabei weicht der Verkippungswinkel α von zwei unmittelbar zueinander benachbarten Keimkristallplatten 2a-2d bezüglich der vertikalen Richtung z jeweils um einen Mindestwinkel voneinander ab.
Dieser Mindestwinkel kann größer als 5° sein, bevorzugter größer als 7,5° sein und noch bevorzugter größer als 10° sein. Oder der Mindestwinkel liegt bevorzugt im Bereich zwischen
7,5° und 25°. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist der Verkippungswinkel α von zwei unmittelbar zueinander benachbarten Keimkristallplatten 2a-2d bezüglich der vertikalen Richtung z jeweils gleich, hat aber ein entgegengesetztes Vorzeichen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Verkippungswinkel α von Keimkristallplatten, die entlang einer Richtung x, y, die senkrecht zu der vertikalen Richtung z ist, zu deren Orientierung und Anordnung auf dem Tiegelboden in jeweils gleichen Winkelschritten um die vertikale Richtung weitergedreht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zeigt die [010] in Richtung der y- Achse, kann aber auch zu dieser leicht verkippt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine kristallographische <21 1>-Richtung wie beschrieben leicht gegenüber der z- Achse verkippt. Eine kristallographische <11 1>-Richtung zeigt dann in Richtung der y- Achse.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine kristallographische <1 10>-Richtung wie beschrieben leicht gegenüber der z- Achse verkippt. Eine kristallographische <11 1>-Richtung zeigt dann in Richtung der y- Achse.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine kristallographische <1 1 1>-Richtung wie beschrieben leicht gegenüber der z- Achse verkippt. Eine kristallographische <21 1>-Richtung zeigt dann in Richtung der y- Achse. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine kristallographische <1 10>-Richtung wie beschrieben leicht gegenüber der z- Achse verkippt. Eine kristallographische <100>-Richtung zeigt dann in Richtung der y- Achse.
Denkbar ist in allen Fällen auch eine leichte Verkippung der vorliegenden kristallographischen Achse gegenüber der y- Achse.
Zum Ausführen des Verfahrens zum gerichteten Erstarren einer Schmelze nach einem Vertical-Gradient-Freeze-Verfahren (VGF) wird eine Kristallisationsanlage (nicht dargestellt) bei einem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird, die einen Schmelztiegel mit viereckigem Querschnitt aufweist, der zur Abstützung in einem korrespondierend ausgebildeten Graphitbehälter eng anliegend aufgenommen sein kann. Der Schmelztiegel ist aufrecht stehend angeordnet, so dass die Tiegelwände und die z-Richtung entlang der Richtung der Schwerkraft verlaufen. Derartige Schmelztiegel sind als Quarztiegel mit einer Grundfläche von beispielsweise 570 x 570 mm, 720 x 720 mm, 880x880 mm oder 1040 x 1040 mm kommerziell erhältlich und weisen üblicherweise eine Innenbeschichtung als Trennschicht zwischen dem Si02 des Schmelztiegels und Silizium auf.
Die Keimkristallplatten 2a-2d haben bevorzugt eine identische Dicke und grenzen unmittelbar aneinander an, sodass der Boden des Schmelztiegels 1 vollständig bedeckt ist. Die Keimkristallplatten 2a-2d sind bevorzugt rechteckförmig oder quadratisch und ihre Ränder sind geeignet nachbearbeitet, sodass sie möglichst lücken- und versatzfrei unmittelbar aneinander anstoßen. Der Schmelztiegel 1 wird bis zu dessen oberen Rand hin mit einer Si-Schmelze aufgefüllt. Während der gesamten Prozessführung wird bevorzugt darauf geachtet, dass die Temperatur des Bodens des Schmelztiegels 1 auf einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Siliziums verbleibt, sodass die Keimkristallplatten 2a-2d auf dem Boden des Tiegels 1 nicht schmelzen, jedenfalls nicht bis hinab zum Boden des Tiegels 1 durchschmelzen. Ein geringfügiges Anschmelzen an der Oberseite der Keimkristallplatten 2a-2d ist dabei durchaus erwünscht und auch notwendig, solange dadurch die von der Kristallorientierung der Keimkristallplatten 2a-2d vorgegebene Ausrichtung des Kristallwachstums nicht beeinträchtigt wird. Anschließend beginnt die gerichtete Abkühlung und Erstarrung des flüssigen Siliziums zu einem monokristallinen Silizium-Ingot in an sich bekannter Weise. Dabei wird der Bodenheizer bevorzugt auf einer definierten Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Siliziums gehalten, beispielsweise auf einer Temperatur von mindestens 10 K unterhalb der Schmelztemperatur. An der Phasengrenze zu den angeschmolzenen Keimkristallplatten kommt es nun zur Initiierung des Kristallwachstums.. Es kommt zum Wachstum eines Si-
Blocks mit grossen parallelen monokristallinen Streifen, wobei die Wachstumsrichtung des entstehenden Si-Kristalls durch den Temperaturgradienten sowie die Kristallorientierung der Keimkristallplatten 2a-2d vorgegeben ist. Entsprechend der horizontalen Phasengrenze erfolgt das Wachstum nahezu parallel zum Tiegelboden und senkrecht von unten nach oben. Der so erhaltene (quasi-)monokristalline Si-Ingot wird dann auf Raumtemperatur abgekühlt und entnommen.
Ausführungsbeispiel
Zur Herstellung eines monokristallinen Silizium-Ingots wurde ein Quarztiegel mit einer quadratischen Grundform der Abmessungen 720 x 720 mm und einer Höhe von 450 mm verwendet. Der Boden des Schmelztiegels wurde mit einer vier einzelne Keimkristallplatten umfassenden Keimkristallplattenschicht bedeckt. Die Keimkristallplatten wurden von einem nach dem Czochralski- Verfahren hergestellten Si-Einkristall abgetrennt, wobei ein Verkippungswinkel α = 7,5° zwischen der kristallographischen 001 -Richtung und der Oberbzw. Unterseite der Keimkristallplatten eingestellt war. Anschließend wurden diese Keimkristallplatten auf dem Boden eines Quarztiegels unmittelbar aneinander angrenzend so angeordnet, dass die Keimkristallplatten verschieden zueinander orientiert waren und ein Mindest- Verkippungswinkel von 7,5 0 zwischen den jeweils benachbarten Keimkristallplatten eingehalten war.
In dem so vorbereiten Schmelztiegel wurde eine Si-Schmelze gerichtet erstarrt, wobei über das Verhältnis zwischen Wärmeeintrag von oben her und Wärmeabfuhr am Boden des Schmelztiegels die Erstarrungsgeschwindigkeit geeignet eingestellt wurde.
Die Fig. 3a zeigt eine Photolumineszenz-Aufnahme eines Wafers, der aus einem nach dem Stand der Technik kristallisierten (quasi)-monokristallinen Ingot gesägt wurde. Der Wafer wurde einige Zentimeter über der Anschmelzstelle der Keime entnommen. Dabei markiert der Pfeil einen Keimstoss, also einen Bereich, an dem zu Beginn des Prozesses zwei unmittelbar benachbarte Keimkristallplatten unmittelbar aneinander liegen. Deutlich sind schleifenförmige Kleinwinkelkorngrenzen zu erkennen, die sich entlang des ursprünglichen Keimstoßes aufreihen und sich bis weit in das angrenzende Material hinein erstrecken.
Die Fig. 3b zeigt im Vergleich dazu eine Photolumineszenz -Aufnahme eines Wafers, der aus einem gemäß der vorliegenden Erfindung kristallisierten (quasi)-monokristallinen Ingot gesägt wurde. Der Wafer wurde aus einer zu Fig. 3a vergleichbaren Höhe über der Anschmelzstelle der Keime entnommen. Mit dem Pfeil ist wiederum ein Keimstoss markiert. Es sind keine Kleinwinkelkorngrenzen mehr erkennbar, sondern nur noch die Großwinkelkorngrenze, die sich über dem ursprünglichen Keimstoß befindet.
Die Figuren 4a bis 4f zeigen jeweils einen Querschnitt durch einen Si-Brick, der jeweils aus einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Si-Ingot herausgeschnitten wurde. Die Querschnitte wurden jeweils an der gleichen Stelle oberhalb eines Keimstosses zwischen zwei benachbarten Keimkristallplatten aufgenommen. Abgebildet ist jeweils der Querschnitt zwischen einem Randbereich des Si-Ingots (in den Figuren links), der an den Schmelztiegel angrenzt, und einem ersten Keimstoss, der in den Figuren jeweils durch die gestrichelte Linie angedeutet ist.
Die Fig. 4a zeigt den 2. Wafer, der aus dem Si-Brick herausgeschnitten wurde, also auf einer Höhe unmittelbar oberhalb der Höhe des angeschmolzenen Keims und des elektrische Schlechtbereichs des Si-Bricks (nachfolgend als Boden bezeichnet, der bei diesem Ausführungsbeispiel eine geschätzte Höhe von etwa 70 mm bis 80 mm aufwies), die vorher bereits abgetrennt wurden. Die Fig. 4b zeigt den 102. Wafer, der auf einer Höhe von etwa 46 mm oberhalb des Bodens des Si-Bricks herausgeschnitten wurde. Die Fig. 4c zeigt den 202. Wafer, der auf einer Höhe von etwa 91 mm oberhalb des Bodens des Si-Bricks herausgeschnitten wurde. Die Fig. 4d zeigt den 242. Wafer, der auf einer Höhe von etwa 109 mm oberhalb des Bodens des Si-Bricks herausgeschnitten wurde. Die Fig. 4e zeigt den 292. Wafer, der auf einer Höhe von etwa 132 mm oberhalb des Bodens des Si-Bricks herausgeschnitten wurde. Die Fig. 4f zeigt den 332. Wafer, der auf einer Höhe von etwa 150 mm oberhalb des Bodens des Si-Bricks herausgeschnitten wurde. Der Sequenz der Figuren 4a bis 4f kann man den überraschenden Effekt entnehmen, dass zunächst Störungen und Zwillinge, insbesondere granuläre monokristalline Bereiche, ausgehend von dem Randbereich (in den Figuren links) in den Si-Ingot hineinwachsen, diese jedoch oberhalb des Keimstosses zurückgehalten werden (erkennbar in den Figuren 4c bis 4f) und nicht weiter in den Si-Ingot hineinwachsen können. Der Bereich oberhalb eines Keimstosses wirkt somit als Barriere, die eine weitere Ausbreitung von Störungen, Zwillingen und Versetzungen in das Material des Si-Ingots wirkungsvoll unterbindet.
Der innere Bereich des Si-Ingots kann somit monokristallin oder quasimonokristallin sein und ist versetzungsarm bis versetzungsfrei sowie zwillingsarm bis zwillingsfrei. Die Figuren 5a und 5b zeigen jeweils in einer Schnittansicht und einer Draufsicht eine Solarzelle, die aus einem Si-Wafer ausgebildet ist, der aus einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Si-Ingot herausgeschnitten ist. Der Si-Wafer 10 der Solarzelle besteht aus - bei dem dargestellten Beispiel - insgesamt drei streifenförmigen Bereichen 12, die Bereichen entsprechen, in denen zu Beginn der Herstellung des Si-Ingots nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Si-Keimkristallplatten auf den Boden eines Schmelztiegels ausgelegt waren. Die Linien 1 1 bezeichnen die Keimstöße zwischen unmittelbar zueinander benachbarten Si-Keimkristallplatten zu Beginn des Herstellungsprozesses. Die streifenförmigen Bereiche 12 bilden den einstückig ausgebildeten Si-Wafer 10.
Wie dem Fachmann beim Studium der vorstehenden Beschreibung ohne weiteres ersichtlich sein wird, kann der so erhaltene Si-Ingot entlang von Sägelinien, die entlang den Rändern der zum gerichteten Erstarren verwendeten Keimkristallplatten und senkrecht zur Kristallisationsrichtung verlaufen, in eine der Anzahl von Keimkristallplatten entsprechende Anzahl von Si-Blöcken zerlegt werden, die sich jeweils durch eine geringe mittlere Versetzungsdichte auszeichnen. Auf diese Weise lassen sich erfindungsgemäß insbesondere Si-Wafer mit einer geringen mittleren Versetzungsdichte herstellen, womit monokristalline Si-Solarzellen mit einem hohen Wirkungsgrad hergestellt werden können.
Wenngleich vorstehend ausgeführt wurde, dass die Keimkristallplattenschicht aus mehreren rechteckigen oder quadratischen Keimkristallplatten ausgebildet ist, kann diese grundsätzlich auch einstückig ausgebildet sein. Die Orientierung der Keimflächen des Silizium-Einkristall- Keims ist - angegeben in Millerschen Indizes - etwas verkippt zur { 100} -Richtung. Der Silizium-Kristall besitzt bekanntermaßen eine Diamantstruktur, bei der sich in jedem Einheitswürfel acht Siliziumatome befinden. Die Fläche des Siliziumkristall-Einheitswürfels ist dabei kubisch flächenzentriert. Die Keimkristallplatten können anstatt einer quadratischen oder rechteckigen Form selbstverständlich auch eine andere Form haben, beispielsweise eine sechseckige Form, womit ebenfalls eine nahezu vollflächige und geschlossene Belegung des Bodenbereichs eines Schmelztiegels in gleicher Kristallorientierungsrichtung möglich ist. Wie dem Fachmann beim Studium der vorstehenden Beschreibung ohne Weiteres ersichtlich sein wird, kann die Erfindung grundsätzlich auch auf andere Materialien, als speziell vorstehend offenbart, angewendet werden, nämlich grundsätzlich auf die Herstellung von gerichtet erstarrten Materialkörpern aus beliebigen Nichtmetallen oder Isolatoren. Denn die Versetzungsdynamik ist nicht vom konkreten chemischen Bindungstyp (metallisch, kovalent, ionisch) im konkret gewählten Material abhängig.
Bezugszeichenliste
1 Schmelztiegel
2a-2d Keimkristallplatten
10 Wafer
11 Stoßlinien
12 Waferstreifen
x, y Raumrichtungen parallel zum Boden des Schmelztiegels z vertikale Raumrichtung
α Verkippungswinkel

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Materialblocks durch gerichtetes Erstarren aus einer Schmelze, mit den Schritten:
Vorbereiten eines Schmelztiegels (1), indem dessen Boden mit einer Mehrzahl von dünnen monokristallinen Keimkristallplatten (2a-2d) aus dem Material mit einer vorbestimmten Orientierung ihrer Kristallachsen bedeckt wird, um eine Keimkristallplattenschicht auszubilden; und
Gerichtetes Erstarren einer Schmelze in dem so vorbereiteten Schmelztiegel (1) unter Einwirkung eines in einer vertikalen Richtung vorherrschenden Temperaturgradienten zu dem Materialblock; bei welchem Verfahren
eine der Kristallachsen der Keirnkristallplatten (2a-2d) relativ zu der vertikalen Richtung (z) um einen vorbestimmten spitzen Verkippungswinkel (α) verkippt ist, und
unmittelbar zueinander benachbarte Keirnkristallplatten unterschiedlich orientiert sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Verkippungswinkel (α) 5° bis 25° beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Keirnkristallplatten (2a-2d) und deren Ränder dergestalt bearbeitet sind, dass diese unmittelbar und mit minimalen Verkippungen und Versetzungen aneinander gesetzt sind und den Boden des Schmelztiegels vollständig bedecken.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verkippungswinkel (α) von zwei unmittelbar zueinander benachbarten Keirnkristallplatten (2a-2d) bezüglich der vertikalen Richtung (z) jeweils gleich ist, aber ein entgegengesetztes Vorzeichen hat.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verkippungswinkel (α) von zwei unmittelbar zueinander benachbarten Keirnkristallplatten (2a-2d) bezüglich der vertikalen Richtung (z) jeweils um einen Mindestwinkel voneinander abweicht.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Mindestwinkel größer als 5°, bevorzugter größer als 7,5° und noch bevorzugter größer als 10° ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Mindestwinkel im Bereich zwischen 7,5° und 25° Hegt,
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verkippungswinkel (α) von Keimkristallplatten, die entlang einer Richtung (x), die senkrecht zu der vertikalen Richtung (z) ist, zu deren Orientierung in jeweils gleichen Winkelschritten um die vertikale Richtung weitergedreht wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Keimkristallplatten (2a-2d) orientierte Platten mit einem quadratischen Querschnitt sind, die von einem zylindrischen einkristallinen Materialzylinder mit der vorbestimmten Orientierung der Kristallachsen abgetrennt werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Keimkristallplatten (2a-2d) einkristalline Silizium- Keimkristallplatten sind, deren [001]-Kristallachse bezüglich einer Senkrechten auf deren Ober- und Unterseite um den vorbestimmten Verkippungswinkel (et) verkippt ist.
11. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung eines monokristallinen Silizium-Ingots für Anwendungen in der Photovoltaik.
12. Wafer (10), hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dieser aus zwei oder mehreren zu einer Waierkante parallel oder nahezu parallel verlaufenden Streifen (12) besteht, in denen die Orientierung der Kristalloberfläche um einen spitzen Winkel (et) verkippt ist.
13. Wafer nach Anspruch 1 1, wobei der spitze Winkel (α) im Bereich zwischen 5° und 25" liegt.
14, Wafer nach Anspruch 11 oder 12, wobei mehr als 70% der Waferfläche mit der { 100} -Kristallorientierung eine monokristalline Struktur aufweisen.
15. Wafer nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Waferfläche mit der {100}- Kristallorientierung mit einer alkalischen Ätzlösung texturgeätzt wird.
16. Wafer nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14, wobei die geätzte Waferfläche mit der {100} -Kristallorientierung pyramidenförmige Erhebungen aufweist, wobei die Kanten der Grundfläche der pyramidenförmigen Erhebungen einen Winkel von 45° mit den Außenkanten der Waferfläche einschließen.
17. Wafer nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei der Wafer ein Silizium-Wafer ist.
18. Silizium-Solarzelle mit einem Silizium-Wafer nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei zwischen der Waferfläche mit der {100} -Kristallorientierung und der Waferrückfläche ein p/n-Übergang ausgeführt ist, wobei die Waferfläche mit der { 100} -Kristallorientierung eine Beschichtung aufweist und wobei zumindest die Waferrückfläche mit Kontakten versehen sind.
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