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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Wafers
für Solarzellen, indem Silizium als Schicht auf einem Substrat
ausgebildet und unter Temperatureinwirkung zur Kristallisation gebracht
wird. Ausgangsprodukt ist ein Silizium-Pulver oder eine Silizium-Pulver
enthaltende Paste, im Folgenden als Silizium-Paste bezeichnet. Das
Silizium-Pulver oder die Silizium-Paste wird zu diesem Zweck schichtartig
auf einem Substrat aufgetragen.
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Es
gibt derzeit verschiedene Entwicklungen zur Herstellung von Silizium-Wafern
durch direktes Wachstum auf einem Substrat, die fertig sind für
die weitere Prozessierung zur Solarzelle ohne umfangreiche und Verluste
verursachende Nachbehandlung.
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Eine
im bisher Labormaßstab gut zu kontrollierende Methode ist
das so genannte Ribbon-Growth-on-Substrate-(RGS-)Verfahren. Hierbei wird
geschmolzenes Silizium mittels eines Rahmens als Schicht definierter
Dicke auf ein bandförmiges, wieder verwendbares Substrat
aufgezogen. Durch Ableitung von Wärme aus der Schmelze über
das Substrat wird das Silizium innerhalb des Rahmens zur Kristallisation
gebracht, wobei die herstellbare Wafer-Dicke von der Substrattemperatur,
die während des Prozesses aufrechterhalten wird und der Ziehgeschwindigkeit
abhängt. Problematisch erweist sich in diesem Verfahren
unter anderem die Wärmeableitung vom Substrat, um dessen
Temperatur über die Fläche und die Prozessdauer
konstant zu halten. Auch Temperatur- und damit einhergehende Fließprozesse
innerhalb der Schmelze führen zu unbestimmten Prozessbedingungen.
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Alternative
Verfahren nutzen die Sinterung zur Ausbildung der Silizium-Wafer.
So wird in der
WO 2004/0055909
A1 aus einem Silizium-Schlicker, der aus zu Puder verarbeitetem
Roh-Silizium und einem organischen Bindemittel besteht und zunächst
getrocknet wird, ein Grünkörper gepresst. Dieser
Grünkörper wird bei Temperaturen unter dem Schmelzpunkt
von Silizium und unter einer Wasserstoff- oder Inertgasatmosphäre
gesintert. Auch dieses Verfahren weist eine Reihe von Zeit, Energie
und somit Kosten erfordernden Verfahrensschritten auf. Zudem weist
es aufgrund der erforderlichen Handhabung von Grünkörper
einen erhöhten Verlust auf und ist nicht geeignet, das
ge genwärtige Problem der Versorgung mit qualitätsgerechtem
Rohmaterial zu vermindern.
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Es
ist somit Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von
Silizium-Wafer für die Solarzellen-Produktion anzugeben,
mit dem kosten-, energie- und materialeffizient solche Wafer in
der erforderlichen Reinheit herstellbar sind.
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Das
beschriebene Verfahren greift auf Materialien zurück, die
aus der Halbleiterfertigung bereit stehen und gegenwärtig
entsorgt werden. Insbesondere von der Schleifsuspension, die z.
B. in der Fertigung von Solar-Wafern oder durch Rückseitenschleifen
von Wafern in der Fertigung integrierter Schaltkreise entsteht und
in der Silizium-Pulver gelöst ist, wird die nach einer
Filterung verbleibende Suspension als Abwasser entsorgt. Auch in
vergleichbaren Bearbeitungs-Verfahren fällt von Größe und
Reinheit geeignetes Silizium-Pulver oder Silizium-Suspension ab.
Dieses Abwasser enthält neben dem Silizium-Pulver mit Korngrößen
im μm-Bereich Wasser und gegebenenfalls geringe Rückstände
des Diamantschleifwerkzeuges auf. Aufgrund der Verarbeitung von
hochreinem Silizium in der Halbleiterfertigung weist die vorliegende
Silizium-Suspension die für die Solarzellen-Herstellung
erforderliche Reinheit auf.
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Als
Ausgangsmaterial für das beschriebene Verfahren sind solche
Abprodukte aus der Halbleiterfertigung auch direkt und ohne Zwischenbearbeitung verwendbar,
die entweder bereits die erforderliche Reinheit aufweisen oder deren
Zusätze sich z. B. durch geeignete Temperaturführung
während der Verarbeitung einer auf einem geeigneten Substrat aufgebrachten
Silizium-Schicht entfernen lassen.
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Zur
Herstellung des Silizium-Wafers aus diesem Ausgangsmaterial ist
sowohl das Schmelzen als auch das Sintern einsetzbar, in Abhängigkeit
von Ausgangsmaterial oder von den anwendbaren Temperaturbereichen,
denen das Ausgangsmaterial und damit auch ein Substrat ausgesetzt
werden soll und kann, auf welchem das Ausgangsmaterial schichtartig
aufgetragen wird. Die mit den beiden Verfahren herstellbaren Silizium-Wafer
oder entsprechend einer Ausgestaltung Schichten davon unterscheiden sich
durch ihre Struktur. Während beim Schmelzen der Silizium-Schicht
durch geeignete Temperaturführung und durch die Abführung
der Wärme über das Substrat eine Kristallisation
des Siliziums zu einer multikristallinen Struktur stattfindet, werden
beim Sintern die Silizium-Kristallkörner des Ausgangsmaterials
durch Kontaktflächenbildung miteinander verbunden, ohne
deren Kristallstruktur signifikant zu ändern. Diese durch
das Sintern entstandene Struktur kann am ehesten als mikrokristallin
beschrieben werden.
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Entsprechend
den verschiedenen Zuständen des Ausgangsmaterials sind
auch dessen Verarbeitungsschritte sehr variabel zu wählen,
so dass das gesamte Verfahren in zahlreichen verschiedenen Ausgestaltungen
zur Anwendung kommen kann. Infolge dessen kann auch der so hergestellte
Silizium-Wafer verschieden aufgebaut sein. So sind neben den üblichen
einschichtigen auch mehrschichtig aufgebaute Silizium-Wafer herstellbar,
wobei eine Schicht im hier verwendeten Sinn von einer der Ladungstrennung
dienenden Dotierungszone innerhalb eines Solarwafers zu unterscheiden
ist. Eine Schicht des Silizium-Wafers wird durch die Herstellung
mit Auftrag eines Silizium-Pulvers oder einer Silizium-Paste und
deren nachfolgende Kristallisierung oder Sinterung, so dass in einer
Strukturanalyse des Wafers zwei abgeschlossene Schichten feststellbar sind.
Es ist unbenommen, dass jede Schicht verschiedene Dotierzonen aufweisen
oder vollständig aus einer Dotierung bestehen kann.
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Darüber
hinaus gestattet die Herstellung des Silizium-Wafer auf einem Substrat,
welches entsprechend verschiedener Ausführungsformen mit
dem Silizium-Wafer verbunden bleibt und eine fuktionelle Einheit
mit dem Wafer bildet, im Ergebnis der Herstellung eines Silizium-Wafers
ein Erzeugnis vorliegen zu haben, das bereits die nachfolgede Prozessierung der
Solarzelle vorbereitet. So sind mit dem Substrat die Rückseitenkontaktierung
der Solarzelle und bei Prozessführung unter entsprechender
Atmosphäre einschließlich Rückseitenpassivierung
hergestellt. Auch eine reflektierende Rückseite der Solarzelle kann
mit dem unten beschreibenen Verfahren hergestellt werden, ohne den
sonst üblichen Schritt zum Abscheiden entsprechender Schichten
auf der Rückseite des Silizium-Wafers.
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Infolge
der Fixierung der Silizium-Schicht auf einem Substrat und der weiteren
Verarbeitung des Siliziums in diesem Verbund gestattet die Herstellung von
Silizium-Wafern, die selbst eine besondere, uneben Form haben, unabhängig
davon ob der Silizium-Wafer nachfolgend vom Substrat gelöst
wird oder nicht. Für den jeweiligen Verwendungsfall der
daraus hergestellten Solarzelle kann der Silizium-Wafer z. B. der
Gestalt einer Dachdeckung angepasst sein.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles
und einiger möglicher Variationen näher erläutert
werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt in
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1 einen
einschichtigen, gewölbte Silizium-Wafer,
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2 einen
zweischichtigen, gewölbten Silizium-Wafer auf einem unebenen
Substrat,
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3 einen
einschichtigen, ebenen Silizium-Wafer auf einem Substrat mit zwei
auf dem Substrat ausgebildeten Leitbahnen zur Rückseitenkontaktierung,
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4 einen
zweischichtigen, ebenen Silizium-Wafer auf einem Substrat und
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5 einen einschichtigen, ebenen Silizium-Wafer
auf einem zweischichtigen Substrat.
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Die
in den 1 bis 5 dargestellten
Silizium-Wafer 1 sind mit verschiedenen Ausgestaltung der
nachfolgend beschriebenen Verfahren unter Verwendung unebener (1, 2)
oder ebener Substrate 3 (3, 4, 5) hergestellt. Die Größe der
Substrate 3 entspricht in den dargestellten Ausführungsformen
der Größe des Silizium-Wafers 1, wobei
hierfür gegebenenfalls eine Fertigung des Substrats 3 nach
der Wafer-Herstellung erforderlich sein kann.
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Der
gewölbte, einschichtige Silizium-Wafer 1 gemäß 1 ist
von einem Substrat (nicht dargestellt), welches als wieder verwendbarer
Träger während des Herstellungsprozesses diente,
gelöst und steht für die weitere Prozessierung,
wie Dotierung zur Herstellung eines p-n-Überganges, Oberflächenbehandlungen,
der Herstellung der beidseitigen elektrischen Kontakte usw. zur
Verfügung. Die dargestelle Wölbung stellt lediglich
ein Beispiel dar, um die Anpassbarkeit des Silizium-Wafer z. B.
an Dachdeckungen zu verdeutlichen. Aufgrund der unten beschriebenen
vielfältigen Möglichkeiten des Auftragens der Silizium-Schicht
als Ausgangsprodukt des Silizium-Wafers 1 können
die verschiedensten Wölbungen realisiert werden.
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Der
gewölbte, in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 zweischichtig
ausgeführte Silizium-Wafer 1 verbleibt auf dem
Substrat 3. Die Möglichkeit der Herstellung eines
ein- oder zweischichtigen Silizium-Wafers 1 ist unabhängig
von der Gestaltung des Sub strats, ebenso wie von der Verwendung des
Substrats 3 als temporärer Träger für
die Herstellung oder als dauerhaft mit dem Silizium-Wafer 1 verbundenes
Substrat 3. Die Wölbung des Silizium-Wafers 1 folgt
der einseitigen Wölbung des Substrats 3, welches
z. B. der Reflexion von durch den Silizium-Wafer 1 fallendem
Licht in den Silizium-Wafer 1 zurück dient. Alternativ
kann das Substrat 3 auch als Rückseitenkontakt
des Silizium-Wafers 1 dienen, wie unten ausführlich
dargelegt. Durch die Herstellung der dargestellten oder einer vergleichbaren
Wölbung können z. B. Bedeckungen von Gebäuden
oder Gebäudeteilen mit einem erforderlichen Gefälle
ausgeführt werden oder architektonische Gestaltungen umgesetzt
werden.
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3 stellt
einen ebenen, einschichtigen Silizium-Wafer 1 dar, der
ebenfalls auf dem Substrat 3, auf dem die Herstellung des
Silizium-Wafers 1 mit einem der nachfolgend beschriebenen
Verfahren erfolgt ist, verbleibt. Auf dem Substrat 3 sind
Leitbahnen 5 ausgeführt, z. B. durch abschnittsweise
Metallisierung des Substrats 3, die der Rückseitenkontaktierung
des Silizium-Wafers 1 dienen. Hierbei sind das verwendete
Material der Leitbahnen 5 und das Herstellungsverfahren
des Silizium-Wafers 1 aufeinander abgestimmt, so dass die
Leitbahnen 5 die Temperaturbehandlung der Silizium-Schicht,
die dem Silizium-Wafer 1 zugrunde liegt, unbeschadet und
ohne Beeinflussung der Eigenschaften des Siliziums übersteht.
Dafür ist es z. B. vorteilhaft, dass das Sinterverfahren
auch bereits bei Temperaturen von ca. 1000°C durchgeführt
werden kann.
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Der
Silizium-Wafer 1 gemäß 4 ist,
ebenso wie der gemäß 2, in zwei
nacheinander erfolgten Verfahrensabläufen zweischichtig
ausgeführt, wobei sich jede Schicht 2 des Silizium-Wafers 1 strukturell
als separate Schicht 2 feststellen lässt, die bei
voneinander abweichenden Herstellungsverfahren, wie unten beschrieben,
auch einenunterschiedlichen kristallinen Aufbau aufweisen können.
Jede der Schicht 2 kann in der nachfolgenden Prozessierung des
Silizium-Wafers 1 mit Standardprozessen bearbeitet werden.
Die Darstellung des Silizium-Wafers 1 gemeinsam mit einem
Substrat 3 veranschaulicht den Verbund beider Komponenten
nach der Fertigstellung des Silizium-Wafers 1. Alternativ
ist aber auch diese Ausgestaltung mit einem temporären Substrat 3 möglich.
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In 5 ist die Möglichkeit der Verwendung eines
Substrats 3 dargestellt, welches der Rückseitenkontaktierung
des Silizium-Wafers 1 dient. Zu diesem Zweck weist das
Sub strat 3 auf der Oberfläche, auf der der Silizium-Wafer 1 ausgebildet
ist eine elektrisch leitfähige Substratschicht 4 auf.
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Das
Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Wafers 1 für
Solarzellen weist folgende grundlegende Verfahrensschritte auf,
wobei weitere mögliche und zielführende Kombinationen
der nachfolgend beschriebenen einzelnen Verfahrensschritte, Prozessparameter
und verwendeten Materialien selbstverständlich möglich
sind.
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Zunächst
wird ein Silizium-Pulver oder eine Suspension Silizium-Paste mit
einem vorbestimmten Feststoffgehalt aus gefiltertem Abwasser gewonnen, welches
beim Rückseitenschleifen von Wafern in der Halbleiter-Fertigung
entsteht. Dieses Ausgangsprodukt umfasst Silizium-Partikel mit der
Größe von einigen Mikrometern, in Abhängigkeit
von dem Schleifverfahren, und zumindest geringen Mengen Wasser sowie
möglicherweise geringe Verunreinigungen. Als Silizium-Pulver
soll hier auch solch eine Zusammensetzung verstanden sein, die noch
geringe Mengen von Flüssigkeit enthält, soweit
das Silizium-Pulver noch eine körnige Konsistenz aufweist.
Denn auch das Silizium-Pulver wird aus z. B. dem Abwasser der Halbleiter-Fertigung
gewonnen, jedoch mit einem deutlich höheren Trocknungsgrad.
Es muss lediglich eine solche Konsistenz aufweisen, dass es als
Silizium-Schicht auf dem verwendeten Substrat 3 und während
der nachfolgenden Prozesse fixierbar ist.
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Die
Verwendung von Silizium-Pulver oder der Feststoffgehalt der Silizium-Paste
sind mit dem zum Einsatz kommenden Verfahren zum nachfolgenden Auftragen
auf einem Substrat 3 abzustimmen. Liegt aus der Halbleiterfertigung
bereits Silizium-Pulver vor, kann dieses gegebenenfalls auch mit
einer Flüssigkeit zu einer Paste vermischt werden, wenn die
dafür geeigneten Verfahren zur Anwendung kommen sollen.
Gleichermaßen kann entsprechend der weiteren Verarbeitung
auch der Feststoffgehalt einer Paste oder eines Pulvers durch Trocknung
oder Pressung zu höheren und ebenso durch Flüssigkeitszugabe
zu niedrigeren Feststoffgehalten angepasst werden. Neben dem unbedenklichen
Wasser als Bestandteil der Suspensionen sind auch organische Flüssigkeiten
verwendbar, da diese gleichermaßen während der
späteren Temperatureinwirkung ausgetrieben werden können.
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Das
Silizium-Pulver oder die Silizium-Paste wird mit einem geeigneten
Verfahren auf einem Substrat 3 schichtartig aufgetragen.
Die auf dem Substrat 3 hergestellte Schicht soll im Folgenden
als Silizium-Schicht bezeichnet werden, wobei dieser Begriff keine
Aussage über die Dicke der Schicht enthalten soll. Mit
dem beschriebenen Verfahren sind verschiedene Dicken des Silizium-Wafers 1 herstellbar. Üblicherweise
werden diese im Bereich von ca. 10 μm, der derzeitigen
Dicke von Dünnschichtsolarzellen bis ca. 300 μm,
der derzeitigen Dicke von Dickschichtsolarzellen liegen, wobei auch Änderungen
dieser Bereiche mit der Entwicklung der verschiedenen Technologien
möglich und mit dem beschriebenen Verfahren realisierbar
sind. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel soll ein Silizium-Wafer 1 von
90 μm Dicke einer Schicht des Silizium-Wafers 1 hergestellt
werden, wobei zur Ermittlung der herzustellenden Dicke der Silizium-Schicht
auf dem Substrat 3 die Schwindung während der
Temperaturbehandlung zu berücksichtigen ist.
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Der
Begriff der Schicht soll ebenfalls keine Aussage über die
Konsistenz der Silizium-Schicht enthalten. Da die Silizium-Schicht
auf einem Substrat 3 gefertigt wird und auf diesem bis
zur Fertigstellung des Silizium-Wafers 1 verbleiben kann,
ist die mechanische Festigkeit der Silizium-Schicht nur von untergeordneter
Bedeutung. Die Herstellung und Verarbeitung der Silizium-Schicht
auf einem Substrat 3 gestattet auch den Auftrag auf einem
unebenen, z. B. gewölbten Substrat 3 (1, 2),
welches entsprechend der späteren Verwendung der Solarzelle entsprechend
bereits geformt ist. Der Auftrag des Silizium-Pulvers oder der Silizium-Paste
erfolgt auch in diesem Fall schichtartig mit einer in den üblichen
Toleranzgrenzen gleichmäßigen Dicke.
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In
einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Silizium-Schicht
in der Gestalt des herzustellenden Silizium-Wafers 1, auch
hier unter Berücksichtigung der Schwindung während
des nachfolgenden Herstellungsprozesses, aufgebracht. Damit kann ein
weiterer Bearbeitungsverlust verhindert oder zumindest deutlich
verringert werden, da kein oder nur geringfügiges Sägen
oder Schleifen oder ähnliches erforderlich ist.
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Da
gemeinsam mit der Silizium-Schicht auch das Substrat 3,
auf welchem die Silizium-Schicht aufgebracht ist, den zur Anwendung
kommenden Temperaturen im Bereich von ca. 1000°C bis zur Schmelztemperatur
des Siliziums von ca. 1.410°C und gegebenenfalls auch atmosphärischen
Drücken zur Unterstützung des Temperaturbehandlung
aus gesetzt ist, kommen solche Substrate 3 zur Anwendung,
die den jeweiligen Temperatur- und Druckbereichen widerstehen und
unter diesen Bedingungen sich gegenüber dem hoch erhitzten
oder auch geschmolzenen Silizium inert verhalten, wie z. B. eine Aluminium-Oxid-Keramik.
Neben der Temperatur an sich ist auch das zum Einsatz kommende Kristallisationsverfahren
zu berücksichtigen, da wie oben beschrieben bei der Kristallisation
aus der Schmelze der Silizium-Schicht die Kristallisationswärme über das
Substrat 3 abzuführen ist. Infrage kommen z. B. verschiedene
keramische Substrate 3, deren thermische und mechanische
Eigenschaften sehr gut einstellbar sind.
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Einfluss
auf die Wahl des verwendeten Substrats 3 hat auch, ob der
Silizium-Wafer 1 nach Beendigung des Prozesses vom Substrat 3 gelöst
wird (1), ob das Substrat 3 entsprechend einer
Ausführungsform wieder verwendbar sein soll oder ob alternativ
das Substrat 3 Teil der Solarzelle werden soll und somit
mit dem Silizium-Wafer 1 verbunden bleibt (1 bis 5). Zur Lösbarkeit des Substrats 3 vom
Silizium- 1 können z. B. solche Substrate 3 verwendet werden,
deren thermisches Ausdehnungsverhalten sich von dem des Siliziums
unterscheidet, so dass das Ablösen des Silizium-Wafers 1 während
des Abkühlens auf sehr einfache Weise möglich
ist. Alternativ können die thermischen Eigenschaften des
Substrats 3 an die des Siliziums angepasst sein und andere
Verfahren zum Ablösen zur Anwendung kommen.
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In
der Ausgestaltung des Verfahrens, in welcher der Silizium-Wafer 1 auf
dem Substrat 3 verbleibt, können zur Verwendung
des Substrats 3 als Rückseitenkontakt auch solche
Substrate 3 verwendet werden, die entweder selbst elektrisch
leitfähig sind oder Leitbahnen 5 (3)
zur Kontaktierung aufweisen. Auch in diesem Verfahren wird die Silizium-Schicht
direkt auf dem Substrat 3 und damit direkt auf dessen Kontaktflächen
aufgetragen und wie oben beschrieben der Temperaturbehandlung unterzogen.
Es ist selbstverständlich, dass bei der Verwendung von
Leitbahnen 5 ebenfalls solche Materialien zur Anwendung
kommen, die sich bei den jeweiligen Prozessbedingungen wie das Substrat 3 zum Silizium
verhalten. Die elektrische Leitfähigkeit es Substrats 3 kann
entweder durch ein vollständig leitfähiges Substrat 3 oder
durch eine elektrisch leitfähige Substratschicht 4 (5) hergestellt sein. So können
z. B. die elektrischen Eigenschaften von Keramiken entsprechend
dieser Verwendung des Substrats 3 gegebenenfalls auch abschnittsweise
eingestellt werden. Die Verwendung einer elektrisch leitfähi gen Substratschicht 4 zur
Rückseitenkontaktierung ist mit einer solchen Schicht auf
der Oberfläche möglich, an die das Silizium angrenzt
oder alternativ mit einer dazu beabstandeten, z. B. im Substrat 3 vergrabenen,
Schicht, die über geeignete Kontakte mit dem Silizium-Wafer 1 elektrisch
verbunden ist.
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Die
dauerhafte Verbindung von Substrat 3 und Silizium-Wafer 1 kann
alternativ auch zur Optimierung der optischen Eigenschaften des
Wafers 1 eingesetzt werden, indem z. B. ein reflektierendes Substrat 3 zur
Rückseitenreflexion von Sonnenlicht in den Silizium-Wafer 1 verwendet
wird.
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Zum
Auftrag des Silizium-Pulvers oder der Silizium-Paste zur Herstellung
einer Silizium-Schicht können in Abhängigkeit
von dem Feststoffgehalt des Ausgangsmaterials sehr verschiedene
Verfahren zum Einsatz kommen. Der Auftrag von Silizium-Pasten unterschiedlicher
Konsistenz kann z. B. durch Siebdruck oder Tintendruck erfolgen,
wobei bei Letzterem ein höherer Flüssigkeitsanteil
vorliegt und der Auftrag mittels einer Düse erfolgt, durch
die mittels verschiedener Techniken ein Suspensionstropfen gepresst
und platziert wird. Das aus der Halbleiterfertigung bekannte und
erprobte so genannte Spin-Coating ist ebenfalls verwendbar. Bei
diesem Verfahren wird im Zentrum des Substrats 3 eine dosierte
Menge fließfähiger Silizium-Paste aufgebracht
und mittels Rotation auf dem Substrat 3 verteilt.
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Mögliche
Applikationsverfahren für Silizium-Pulver sind der Aerosoldruck,
bei welchem Silizium-Pulver in einem Gas gelöst ist und
mit einer Düse oder Düsenanordnung aufgebracht
wird, oder der Auftrag mittels elektrostatischer Aufladung. In letzterem
Verfahren wird das Silizium-Pulver oder das Substrat 3 oder
beides elektrostatisch aufgeladen, so dass infolge dessen das Silizium-Pulver
ausreichend auf dem Substrat 3 fixiert ist. Z. B. für
gewölbte Substrate 3 ist dieses Verfahren geeignet.
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Sofern
in einer Ausgestaltung des Verfahrens das Aufbringen der Silizium-Schicht
unter Anwesenheit von Wasserstoff erfolgt, ist in diesem Verfahrensschritt
eine Rückseitenpassivierung möglich, die für
eine nachfolgende Prozessierung des Silizium-Wafers 1 zur
Solarzelle nutzbar ist. Gegebenenfalls kann zur Unterstützung
der Fixierung in diesem oder auch in einem der zuvor beschriebenen
Verfahren eine Pressung oder Trocknung der Silizium-Schicht erfolgen.
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Nach
der Herstellung einer Silizium-Schicht erfolgt die Herstellung des
Silizium-Wafers 1 direkt auf dem Substrat 3 durch
eine der oben beschriebenen Temperaturbehandlungen. Als Temperaturbehandlung
kommen sowohl das Schmelzen der Silizium-Schicht und deren Kristallisation
aus der Schmelze als auch die Sinterung der Silizium-Schicht in
Betracht. Beide Verfahren sind dabei so zu führen, dass im
Verlauf der Behandlung die gewünschte Struktur des Siliziums
mit der erforderlichen Kristallgröße und bis zur
gewünschten Dicke entsteht. Für den Schmelzprozess
sind dazu insbesondere die Einstellung und Aufrechterhaltung einer
zeitlich und flächig gleichmäßigen Temperatur
des Substrats 3 von Bedeutung. Auch für den Sinterprozess
ist das Temperaturregime sowohl für das Gefüge
als auch für die Reinheit des Silizium-Wafers 1 von
Bedeutung.
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Dem
Fachmann sind beide Verfahren hinreichend bekannt, so dass in Abhängigkeit
von dem verwendeten Substrat 3, der Gestalt und Dicke des
Silizium-Wafers 1, den Korngrenzen des Silizium-Pulvers
oder der Silizium-Paste und dem herzustellenden Kristallgefüge
die spezifischen Prozessparameter, wie z. B. Verlauf der Erwärmung
der Silizium-Schicht und gegebenenfalls auch des Substrats 3,
Dauer der Temperatureinwirkung, Temperierung des Substrats 3 während
der Kristallisation, Abkühlung des Silizium-Wafers 1 und
weiteren, durch Versuche zu ermitteln sind. In einer Ausgestaltung
des Verfahrens kann die Sinterung mit Druckunterstützung
erfolgen.
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Für
die Erwärmung einer Silizium-Schicht gemeinsam mit dem
Substrat 3 sowohl zum Schmelzen als auch zum Sintern stehen
verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Verfügung,
die z. B. aus der Silizium-Kristall-Züchtung oder der Halbleiter-Fertigung
bekannt sind. Als anwendbar für den hier erforderlichen
Temperaturbereich von bis zu ca. 1400°C sind z. B. die
Widerstands und die Induktionsheizung, bei denen die Wärme
durch elektrische Ströme in der Probe erzeugt wird und
die beide dem Fachmann hinreichend bekannt sind. In Frage kommen
ebenso, Spiegel- oder Lampenöfen, bei denen der Energieeintrag
in die Probe durch gebündelte und sehr energiereiche Strahlung
erfolgt. In diesem Fall kann die Energieaufnahme durch die Silizium-Schicht
z. B. durch eine reflektierende Gestaltung des Substrats 3 verbessert
werden.
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Die
Kristallisation aus der Schmelze und ebenso aus der Sinterung kann
zur Gewährleistung der Reinheit des Silizium-Wafers 1 entweder
unter Vakuum erfolgen oder unter Inertgas-Atmosphäre, z. B.
unter Argon. In letzterem Fall kann durch Hinzufügen oder
durch alleinige Verwendung von Wasserstoff eine reduzierende Atmosphäre
erzeugt werden, welche sowohl die Bildung von Oxidoberflächen
der Siliziumkristalle als auch bereits existierende Oxidoberflächen
reduziert. Aus diesem Grund ist die Anwesenheit von Wasser oder
organischem Lösungsmittel im Silizium-Pulver oder in der
Silizium-Paste unproblematisch. Auch eine gezielte Passivierung
des Silizium-Wafers 1 ist unter wasserstoffhaltiger Atmosphäre
möglich.
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Durch
geeignete Temperaturführung sowohl beim Schmelzen als auch
bei der Sinterung einer Silizium-Schicht kann auch eine aktive Reinigung
der Silizium-Schicht insbesondere von Kohlenstoffanteilen erzielt
werden, welche aufgrund der Verwendung von Schleif- und Sägesuspensionen
aus Ausgangsmaterial enthalten sein können. Mit dieser
Maßnahme kann die Bildung von Silizium-Carbid infolge der Reaktion
von elementarem Kohlenstoff mit dem Silizium in der Hochtemperaturphase
der Wafer-Herstellung verhindert werden.
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So
bewirkt, entsprechend verschiedener Ausgestaltungen des Verfahrens,
eine solche Temperaturbearbeitung der Silizium-Schicht, mit der
ein langsam geführtes und kontrolliertes Wachstum makroskopischer
Kristalle erzielt wird, einen Transport von Verunreinigungen in
der Silizium-Schicht an dessen Oberfläche. Erzielbar sind
derartige Reinigungsprozesse z. B. durch eine gezielte, langsame
Temperaturführung während des Schmelzens der Silizium-Schicht
oder dessen Sinterung unterhalb der Schmelztemperatur von Silizium
bei 1410°C, das so genannte Festphasensintern. Durch eine
abschließende Oberflächenbehandlung, z. B. ein Ätzprozess kann
die Beseitigung der nunmehr oberflächlichen Verunreinigungen
vom fertigen Silizium-Wafer 1 erfolgen.
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Einen
weiteren Einfluss auf die Reinheit des Silizium-Wafers 1 hat
auch das Schmelzen der Silizium-Schicht oder dessen Sinterung direkt
auf einem Substrat 3. Auf diese Weise ist kein Tiegel erforderlich,
womit eine mögliche Quelle von Verunreinigungen vermieden
werden kann.
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Nach
seiner Herstellung kann der Silizium-Wafer 1 entweder mit
dem Substrat 3 als Rückseitenkontakt in der gewohnten
Art wie jeder Standard-Wafer 1 weiter prozessiert werden
oder es wird zuvor der Silizium-Wafer 1 vom Substrat 3 z.
B. durch plötzliche Abkühlung des Substrats 3 gelöst
und das Substrat 3 einer Wiederverwendung zur Herstellung weiterer
Silizium-Wafer 1 zugeführt. Gegebenenfalls können
noch Kanten- oder Oberflächenbearbeitungen des Wafers 1 erforderlich
sein.
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Die
weitere Prozessierung des Silizium-Wafers mit oder ohne Rückseitensubstrat
betrifft unter anderem die Dotierung des Siliziums zur Herstellung der
Dioden. In verschiedenen Ausführungsformen des Verfahrens
kann die Dotierung zumindest mit einem Ladungsträgertyp
bereits während der Herstellung des Wafers 1 erfolgen.
Zu diesem Zweck können entweder die beschriebenen Abprodukte
von der Bearbeitung bereits dotierten Siliziums verwendet werden
oder dem Silizium-Pulver bzw. der Silizium-Paste werden Dotierstoffe
homogen untergemischt. Um den gewünschten spezifischen
Widerstand des Siliziums einzustellen, der üblicherweise im
Bereich von 0,5 bis 3 Ω cm liegt, davon aber auch abweichen
kann, können auch beide Verfahrensweisen miteinander kombiniert
werden. Als Dotierstoffe kommen z. B. Bor für die p-Dotierung
oder Phosphorsäure oder Phosphin für die n-Dotierung
in Betracht. Alternativ sind auch andere Zusätze geeignet
soweit sie die Verarbeitung mit dem Silizium-Pulver oder der Silizium-Paste
gestatten ohne den weiteren Verfahrensablauf zu beeinflussen.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Silizium-Wafer 1 in
mehreren Teilschritten hergestellt, wobei jeder Teilschritt die
Ausbildung einer Silizium-Schicht nach einer der oben beschriebenen Methoden
und deren Temperaturbehandlung umfasst, so dass der Silizium-Wafer 1 aus
zwei oder mehr übereinanderliegenden Schichten 2 (3)
besteht. Ebenso wie für die Ausbildung trifft auch für
die Behandlung jeder der Silizium-Schichten das oben Gesagte zu,
unter Berücksichtigung, dass für jede darüber
liegende Silizium-Schicht eine solche Temperaturbehandlung gewählt
wird, welche das Gefüge und die elektrischen Eigenschaften
der bereits fertiggestellten unteren Schicht 2 des Silizium-Wafers 1 nicht
oder in zu vernachlässigendem Maße verändert.
So kann auf einen Schmelzprozess zur Herstellung der untersten,
an das Substrat 3 angrenzenden Schicht 2 des Silizium-Wafers 1 eine
Festphasensinterung, d. h. ein Sintern unterhalb der Schmelztemperatur
von Silizium folgen. Alternativ können auch zwei oder mehr
Sinterprozesse zur Anwendung kommen oder Schmelzprozesse, sofern
obige Voraussetzung für die untere Schicht oder die unteren
Schichten erfüllt sind.
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Die
einzelnen Schichten 2 des Silizium-Wafers 1 können
auch mit voneinander abweichenden physikalischen, z. B. halbleitenden
Eigenschaften hergestellt sein. So sind die unterschiedlich dotierten Schichten
einer Solarzelle oder die Schichten einer so genannten Tandem-Solarzellen
auf diese Weise herstellbar, bei denen zwei wellenlängenoptimierte Solarzellen übereinander
gestapelt sind. Auch hier sind, auch für jede der Teil-Schichten
der Silizium-Schicht unterschiedlich, mittels Beimengung von Zusatzstoffen
gezielt elektrische Eigenschaften einstellbar.
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- 1
- Silizium-Wafer
- 2
- Schicht
des Silizium-Wafers
- 3
- Substrat
- 4
- Substratschicht
- 5
- Leitbahn
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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