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DE102011085078A1 - Method for manufacturing silicon layer on substrate in photovoltaic cell in laboratory, involves utilizing agent to form amorphous or part-crystalline silicon after heating layer at temperature below silicon melting temperature - Google Patents

Method for manufacturing silicon layer on substrate in photovoltaic cell in laboratory, involves utilizing agent to form amorphous or part-crystalline silicon after heating layer at temperature below silicon melting temperature Download PDF

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DE102011085078A1
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DE
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silicon
layer
microparticles
silane
nanoparticles
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Application number
DE102011085078A
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German (de)
Inventor
Helmut Eckert
Ralf Krause
Günter Schmid
Frank Steinbacher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens Corp
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Publication date
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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Siliziumschicht auf einem Substrat, insbesondere zur Verwendung in einer Photovoltaikzelle, wobei Siliziummikropartikel (3), die eine mittlere Partikelgröße zwischen 1–10 µm aufweisen, als Schichtbildner verwendet werden, wobei die zwischen den Siliziummikropartikeln (3) gegeben Zwischenräume zumindest teilweise mit einem Mittel gefüllt werden, das nach einer nachfolgenden Erwärmung der Schicht auf eine Temperatur unterhalb der Silizium-Schmelztemperatur amorphes oder teilkristallines Silizium (11) bildet. Method for producing a silicon layer on a substrate, in particular for use in a photovoltaic cell, wherein silicon microparticles (3) having an average particle size between 1-10 μm are used as layer formers, wherein the interstices between the silicon microparticles (3) are at least partially be filled with an agent that forms amorphous or semi-crystalline silicon (11) after a subsequent heating of the layer to a temperature below the silicon melting temperature.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Siliziumschicht auf einem Substrat, insbesondere zur Verwendung in einer Photovoltaikzelle. The invention relates to a method for producing a silicon layer on a substrate, in particular for use in a photovoltaic cell.

Substrate mit einer aufgebrachten Siliziumschicht kommen in unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz. Ein besonders bekannter Bereich ist der der Photovoltaik. Dort werden zur Gewinnung elektrischer Energie aus solarer Strahlung u. a. photovoltaische Anlagen auf Basis anorganischer Solarzellen eingesetzt. Diese bestehen zumeist aus (teil-)kristallinem oder amorphem Silizium (c-Si und a-Si) oder anderen, ebenfalls halbleitenden Elementverbindungen wie beispielsweise Cadmiumtellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) oder Kupfer-Indium-Disulfid (CIS). Substrates with an applied silicon layer are used in different areas. A well-known area is that of photovoltaics. There are for obtaining electrical energy from solar radiation u. a. photovoltaic systems based on inorganic solar cells used. These consist mostly of (partially) crystalline or amorphous silicon (c-Si and a-Si) or other semiconducting element compounds such as cadmium telluride (CdTe), copper indium gallium diselenide (CIGS) or copper indium disulfide (CIS).

Hierbei zeigen Zellen aus kristallinem Silizium bei einfachstem Aufbau einer sogenannten „single junction“, also nur einer lichtabsorbierenden Schichtfolge, mit ca. 25% Wirkungsgrad bisher die höchste Effizienz im Labormaßstab. Jedoch besitzen sie durch den energieintensiven Prozess des Czochralski-Verfahrens bei der Wafer-Herstellung eine lange Energierücklaufzeit. Solarzellen aus polykristallinem Silizium erreichen eine etwas geringere Effizienz (ca. 20%), können aber durch die Herstellung in gegossenen Siliziumblöcken mit geringerem Energiebedarf hergestellt werden, was ihre relative Energierücklaufzeit reduziert. Die absoluten Werte können hierbei je nach betrachtetem System variieren. Here, cells made of crystalline silicon with the simplest structure of a so-called "single junction", ie only a light-absorbing layer sequence, with about 25% efficiency so far show the highest efficiency on a laboratory scale. However, they have a long energy payback time through the energy intensive process of the Czochralski process in wafer fabrication. Polycrystalline silicon solar cells achieve somewhat lower efficiency (about 20%), but can be made by manufacturing in cast silicon blocks with lower energy requirements, which reduces their relative energy payback time. The absolute values may vary depending on the system considered.

Die dazu konkurrierenden Dünnschichttechnologien a-Si, CdTe, CIGS und CIS zeigen bislang nur vergleichsweise geringe Effizienz auf Modulebene (ca. 9–13%) oder sind umweltpolitisch bedenklich im Falle des CdTe. The competing thin-film technologies a-Si, CdTe, CIGS and CIS show so far only comparatively low efficiency at the module level (about 9-13%) or are of environmental concern in the case of the CdTe.

Darum ist es zweckmäßig, eine ökologisch unbedenkliche, schnelle und energieeffiziente Herstellung solcher Siliziumsolarzellen zur Verfügung zu stellen, wobei insbesondere die Realisierung dünner, reiner Siliziumschichten mit guter Leitfähigkeit von Bedeutung ist. Therefore, it is expedient to provide an ecologically safe, fast and energy-efficient production of such silicon solar cells, in particular the realization of thin, pure silicon layers with good conductivity is of importance.

Es ist bekannt, eine Siliziumschicht unter Verwendung nanopartikulären Siliziums zu erzeugen, beispielsweise aus US 2010/0047476 A1 . Bei diesem Verfahren werden verschieden große Nanopartikelfraktionen, die in verschiedenen Größenverhältnissen zueinander stehen, als Schichtbildner verwendet, wobei diese Nanopartikelmischung den Precursor bildet. Der Mischung kann ein flüssiges Silan zugesetzt werden, um die Poren zu füllen. Die aufgebrachte Schicht wird sodann gesintert, um eine Dünnschicht zu bilden. Die verwendeten Nanopartikel, die in den unterschiedlichen definierten Größenklassen vorliegen, weisen Größen von maximal wenigen 10 nm auf, beispielsweise bei Verwendung dreier unterschiedlicher Größenklassen von 39 nm, 16 nm und 8–9 nm. It is known to produce, for example, a silicon layer using nanoparticulate silicon US 2010/0047476 A1 , In this method, different sized nanoparticle fractions, which are in different proportions to one another, are used as layer formers, this nanoparticle mixture forming the precursor. The mixture may be added with a liquid silane to fill the pores. The deposited layer is then sintered to form a thin film. The nanoparticles used, which are present in the different defined size classes, have sizes of at most a few 10 nm, for example when using three different size classes of 39 nm, 16 nm and 8-9 nm.

Das bekannte Verfahren ist jedoch äußerst aufwändig. Zum einen sind bereits die Nanopartikel in aufwändiger Weise herzustellen, entweder in Lösung oder im Heißwandreaktor. Im Hinblick auf die Verwendung definierter unterschiedlicher Größenklassen ist die Partikelherstellung letztlich noch aufwändiger, insbesondere im Hinblick auf die nachfolgend erforderliche, genaue Klassifizierung, damit die einzelnen Größenklassen so homogen wie möglich vorliegen, um sie entsprechend prozessieren zu können. Schließlich sind die verwendeten Nanopartikel auch noch exakt hinsichtlich der geforderten Mengen zur Einstellung der entsprechenden Mengenverhältnisse einzuwiegen. However, the known method is extremely complicated. On the one hand, the nanoparticles are already complex to produce, either in solution or in the hot wall reactor. With regard to the use of defined different size classes, the particle production is ultimately even more complex, in particular with regard to the following required, precise classification, so that the individual size classes are as homogeneous as possible in order to process them accordingly. Finally, the nanoparticles used are also precisely weighed in terms of the required quantities for setting the appropriate proportions.

Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die Herstellung einer Siliziumschicht auf einem Substrat auf einfachere Weise ermöglicht. The invention is therefore based on the problem to provide a method that allows the production of a silicon layer on a substrate in a simpler manner.

Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung einer Siliziumschicht auf einem Substrat vorgesehen, wobei Siliziummikropartikel, die eine mittlere Partikelgröße zwischen 1–10 µm aufweisen, als Schichtbildner verwendet werden, wobei die zwischen den Siliziummikropartikeln gegebenen Zwischenräume zumindest teilweise mit einem Mittel gefüllt werden, das nach einer nachfolgenden Erwärmung der Schicht auf eine Temperatur unterhalb der Silizium-Schmelztemperatur amorphes oder teilkristallines Silizium bildet. To solve this problem, the invention provides a method for producing a silicon layer on a substrate, wherein silicon microparticles having an average particle size between 1-10 microns are used as a layer former, wherein the spaces between the silicon microparticles are at least partially filled with an agent which forms amorphous or semi-crystalline silicon after a subsequent heating of the layer to a temperature below the silicon melting temperature.

Anders als der bekannte Stand der Technik werden erfindungsgemäße Siliziummikropartikel verwendet, die eine mittlere Partikelgröße von ca. 1–10 µm, bevorzugt im Bereich zwischen 1–5 µm, insbesondere bevorzugt im Bereich zwischen 1–3 µm, aufweisen. Diese Mikropartikel können auf wesentlich einfachere Weise hergestellt werden. Es können gewöhnliche Siliziumbruchstücke oder Stäube, wie sie beispielsweise bei der Herstellung von Wafern oder beim Waferschneiden als Abfallprodukte anfallen, verwendet werden und durch einen einfachen, energiesparenden Mahlprozess, z. B. in einer Planetenkugelmühle, auf die gewünschte Größe zerkleinert werden. An diesen Mahlprozess schließt sich, sofern erforderlich, lediglich noch eine Siebung an, um die Mikropartikel mit der im Zielbereich liegenden Partikelgröße herauszusieben. Diese Siliziummikropartikel sind die eigentlichen Schichtbildner, das heißt, dass die erzeugte Siliziumschicht auf diesen Mikropartikeln basiert. Die Mikropartikel sind, worauf nachfolgend noch näher eingegangen wird, nach dem Mahlen und dem gegebenenfalls erfolgten Sieben zu reinigen, um z.B. Abriebspuren oder eine Oxidschicht zu entfernen. Anschließend sollten die Partikel möglichst schnell aufgebracht oder in Inertgasatmosphäre gehandhabt werden. Unlike the known prior art, silicon microparticles according to the invention are used which have an average particle size of about 1-10 μm, preferably in the range between 1-5 μm, particularly preferably in the range between 1-3 μm. These microparticles can be prepared in a much simpler manner. It can ordinary silicon fragments or dusts, such as those incurred in the production of wafers or wafer cutting as waste products, are used and by a simple, energy-saving grinding process, eg. B. in a planetary ball mill, are shredded to the desired size. This milling process is followed, if necessary, only by screening to screen out the microparticles with the particle size in the target range. These silicon microparticles are the actual layer formers, that is to say that the silicon layer produced is based on these microparticles. The microparticles are, as will be discussed in more detail below to clean after grinding and optionally done screening, for example, abrasion or a Remove oxide layer. Subsequently, the particles should be applied as quickly as possible or handled in an inert gas atmosphere.

Um eine möglichst hohe Leitfähigkeit innerhalb der aus den Mikropartikeln gebildeten Schicht zu erzielen, ist erfindungsgemäß des Weiteren vorgesehen, die zwischen den Mikropartikeln gegebenen Zwischenräume zumindest zum Teil mit einem Mittel zu füllen, das im Rahmen einer Temperaturbehandlung amorphes oder teilkristallines Silizium bildet. Das heißt, dass die Hohlräume zwischen den Siliziummikropartikeln, also die Poren der Mikropartikelschicht, mit zusätzlichem Material gefüllt werden, das mittels eines Niedertemperaturprozesses unterhalb der Schmelztemperatur, bei der die Mikropartikel, also quasi das Bulkmaterial, aufschmelzen würde, prozessiert bzw. in Silizium gewandelt werden kann. Das heißt, dass zur Abscheidung der Schicht die Siliziummikropartikel zur Bildung einer Dispersion in ein Fluid gegeben werden, welches entweder selbst geeignet ist, Silizium zu bilden, oder dem noch zusätzlich ein anderes Mittel hinzugegeben wird, um Silizium in den Poren zu bilden. Diese Dispersion kann beispielsweise durch ein Druck- oder Schleuderverfahren auf das Substrat aufgebracht und thermisch behandelt werden. In order to achieve the highest possible conductivity within the layer formed from the microparticles, it is further provided according to the invention to fill the intermediate spaces between the microparticles at least in part with an agent which forms amorphous or partially crystalline silicon as part of a temperature treatment. This means that the cavities between the silicon microparticles, that is to say the pores of the microparticle layer, are filled with additional material which is processed or converted into silicon by means of a low-temperature process below the melting temperature at which the microparticles, that is to say the bulk material, would be melted can. That is, to deposit the layer, the silicon microparticles are placed in a fluid to form a dispersion, which is either itself suitable to form silicon, or to which another agent is added in addition to form silicon in the pores. This dispersion can be applied to the substrate, for example, by a printing or spinning process and thermally treated.

Im Ergebnis wird eine Schicht erhalten, die einerseits sehr einfach und kostengünstig herzustellen ist, da lediglich einfach zu erzeugende Siliziummikropartikel verwendet werden, die aus Abfallmaterial durch einen einfachen Mahlprozess gewonnen werden können. Dies ist insbesondere deshalb möglich, als die relevanten Schichtdicken, beispielsweise bei Verwendung in Solarzellen, typischerweise größer als einige Mikrometer sind, folglich also ohne weiteres aus Siliziummikropartikeln als Schichtbildner erzeugt werden können. Darüber hinaus zeigt die erfindungsgemäß erhaltene Schicht aufgrund der zumindest teilweisen Füllung der zwischen den Mikropartikeln gegebenen Hohlräume mit Silizium auch eine sehr gute Schichtleitfähigkeit, trotz Verwendung der Mikropartikel. As a result, a layer is obtained which, on the one hand, is very simple and inexpensive to produce, since only easy-to-use silicon microparticles are used, which can be obtained from waste material by a simple grinding process. This is possible, in particular, because the relevant layer thicknesses, for example when used in solar cells, are typically greater than a few micrometers, and consequently can be readily produced from silicon microparticles as layer formers. In addition, due to the at least partial filling of the cavities with silicon given between the microparticles, the layer obtained according to the invention also exhibits a very good layer conductivity, despite the use of the microparticles.

Gemäß einer ersten Erfindungsalternative können als Mittel zur Siliziumbildung im Bereich der Hohlräume Siliziumnanopartikel verwendet werden, die bei der Erwärmungstemperatur zumindest oberflächlich auf- oder anschmelzen und nach dem Abkühlen amorphes oder teilkristallines Silizium, das die Siliziummikropartikel verbindet, bilden. Das heißt, dass die Dispersion zur Ausbildung der Siliziumschicht neben den Siliziummikropartikeln auch sehr kleine Siliziumnanopartikel enthält, bevorzugt mit einer Größe zwischen 5–250 nm, vorzugsweise zwischen 5–100 nm. Der Vorteil der zusätzlichen Verwendung der Nanopartikel zu den Mikropartikeln ist, dass die Nanopartikel bereits bei deutlich niedrigerer Temperatur als der eigentlichen Silizium-Schmelztemperatur, die zum Aufschmelzen von Bulk-Silizium erforderlich ist, zumindest oberflächlich anschmelzen und so die entsprechenden Leitungsbrücken zwischen den Mikropartikeln bilden, indem sie über die Schmelzschicht an den Mikropartikeln anbinden. Die Nanopartikel weisen meist eine Hülle aus organischem Material auf, die bei erhöhter Temperatur jedoch „wegbrennt“. Das heißt, dass in den einstigen Hohlräumen durch die geschmolzenen oder zumindest angeschmolzenen Nanopartikeln Bereiche aus amorphen oder teilkristallinen Silizium entstehen, während die größeren, monokristallinen Mikropartikel ihren Aggregatszustand beibehalten, mithin also nicht an- oder aufschmelzen. Die Erwärmungstemperatur liegt unterhalb der Schmelztemperatur für Silizium von ca. 1410°C, sie liegt bevorzugt im Bereich zwischen 500–1350°C, und kann umso niedriger gewählt werden, je kleiner die Siliziumnanopartikel sind. Bevorzugt werden also möglichst kleine Nanopartikel verwendet, um den Schichtverbund bei möglichst geringer Erwärmungstemperatur herstellen zu können und folglich die Schichtausbildung möglichst energieeffizient vornehmen zu können. Da Nanopartikel schwieriger herzustellen als die gemahlenen Mikropartikel, sollte ihr Anteil an der gesamten Schicht möglichst gering gehalten werden. Der Großteil der Schicht wird aus „billig“ weil einfach aus Abfall herstellbaren Mikropartikeln gebildet. According to a first alternative of the invention, silicon nanoparticles may be used as means for silicon formation in the region of the cavities, which melt or melt at least superficially at the heating temperature and, after cooling, form amorphous or partially crystalline silicon which connects the silicon microparticles. This means that the dispersion for forming the silicon layer contains not only the silicon microparticles but also very small silicon nanoparticles, preferably with a size between 5-250 nm, preferably between 5-100 nm. The advantage of the additional use of the nanoparticles to the microparticles is that the Nanoparticles already at a significantly lower temperature than the actual silicon melting temperature, which is required for melting of bulk silicon, at least superficially melt and thus form the corresponding conduction bridges between the microparticles by attaching to the microparticles via the melt layer. The nanoparticles usually have a shell of organic material, which, however, "burns away" at elevated temperature. This means that areas of amorphous or partially crystalline silicon are formed in the former cavities by the molten or at least fused nanoparticles, while the larger, monocrystalline microparticles retain their state of aggregation, and therefore do not melt or melt. The heating temperature is below the melting temperature for silicon of about 1410 ° C, it is preferably in the range between 500-1350 ° C, and can be chosen the lower, the smaller the silicon nanoparticles are. Preferably, therefore, the smallest possible nanoparticles are used in order to be able to produce the layer composite at the lowest possible heating temperature and consequently to be able to make the layer formation as energy-efficient as possible. Since nanoparticles are more difficult to produce than the ground microparticles, their share of the total layer should be kept as low as possible. The majority of the layer is made from "cheap" because it simply consists of waste microparticles.

Die Siliziummikropartikel werden zweckmäßigerweise zusammen mit den Siliziumnanopartikeln in einem Lösungsmittel dispergiert, wobei aus der Dispersion die Schicht gebildet wird, die anschließend auf die Temperatur zum Auf- oder Anschmelzen der Siliziumnanopartikel erwärmt wird. Als Lösungsmittel kann beispielsweise, aber nicht einschränkend Ethanol oder Toluol bzw. jedes andere Lösungsmittel verwendet werden, so dass insgesamt eine in einem Druck- oder Schleuderverfahren verarbeitbare Dispersion hergestellt wird. Im Sinne der Erfindung sind auch Lösungsmittelgemische zum Einstellen der Trocknungseigenchaften. The silicon microparticles are expediently dispersed together with the silicon nanoparticles in a solvent, wherein the layer is formed from the dispersion, which is subsequently heated to the temperature for melting or fusing the silicon nanoparticles. For example, but not by way of limitation, ethanol or toluene or any other solvent may be used as the solvent, so that a total of a dispersion which can be processed by a printing or spin coating process is prepared. For the purposes of the invention are also solvent mixtures for adjusting the Trocknungseigenchaften.

Eine Alternative zur Verwendung nanokristalliner Siliziumpartikel zur Hohlraumfüllung sieht vor, dass als Mittel wenigstens ein flüssiges Silan oder ein Gemisch aus mehreren Silanen verwendet wird, die sich bei Erwärmen in amorphes Silizium, das die Siliziummikropartikel verbindet, umwandeln. Dieses Silan oder Silangemisch kann gleichzeitig die Trägerflüssigkeit zur Bildung der Mikropartikelsuspension bilden, das heißt, dass ihm zwei Funktionen zukommen, nämlich zum einen die der Trägerflüssigkeit, zum anderen die der Hohlraumfüllung respektive Siliziumbildung. Natürlich kann auch ein Lösungsmittel als Trägerflüssigkeit verwendet werden, in das das Silan nebst den Mikropartikeln gemischt wird. Die Erwärmungstemperatur liegt zwischen 150°C–400°C, sie ist abhängig vom verwendeten Silan respektive Silangemisch. Wiederum kann folglich in einem einfachen Niedertemperaturschritt ein amorphes Silizium zur Füllung der Hohlräume respektive Poren zwischen den Mikropartikeln bzw. zur Bildung der Siliziumbrücken zwischen den Mikropartikeln genutzt werden. An alternative to using void filling nanocrystalline silicon particles is to use as the means at least one liquid silane or a mixture of several silanes which, when heated, convert to amorphous silicon which joins the silicon microparticles. This silane or silane mixture can simultaneously form the carrier liquid for the formation of the microparticle suspension, that is, it has two functions, namely the one of the carrier liquid, on the other hand, the cavity filling and silicon formation. Of course, a solvent may be used as a carrier liquid in which the silane is mixed together with the microparticles. The heating temperature is between 150 ° C-400 ° C, it depends on the used silane or silane mixture. Again, consequently, in one simple low-temperature step an amorphous silicon for filling the cavities or pores between the microparticles or to form the silicon bridges between the microparticles can be used.

Zur Schichtausbildung werden die Siliziummikropartikel zusammen mit dem flüssigen Silan oder dem Silangemisch dispergiert, wobei als Trägerfluid entweder rein das Silan oder das Silangemisch genutzt werden kann, oder die Mikropartikel zusammen mit dem Silan bzw. dem Silangemisch in einem Lösungsmittel dispergiert werden. Unter Verwendung der erzeugten Dispersion wird die Schicht gebildet, die anschließend auf die Temperatur zur Umwandlung des oder der Silane erwärmt wird. Auch hierbei lassen sich folglich Siliziumbrücken zwischen den einzelnen Mikropartikeln bilden, das heißt, dass auch bei dieser Vorgangsweise die Siliziummikropartikel untereinander quasi verlötet werden. For layer formation, the silicon microparticles are dispersed together with the liquid silane or the silane mixture, it being possible either to use the silane or the silane mixture purely as the carrier fluid, or to disperse the microparticles together with the silane or the silane mixture in a solvent. Using the generated dispersion, the layer is formed, which is then heated to the temperature for conversion of the silane (s). In this case, too, silicon bridges can therefore be formed between the individual microparticles, that is, even in this procedure, the silicon microparticles are quasi soldered to one another.

Denkbar ist es natürlich auch, dass als Mittel zur Bildung des Hohlraum-Siliziums sowohl Siliziumnanopartikel als auch ein oder mehrere flüssige Silane verwendet werden, das heißt, dass die Bildung der Leitfähigkeitsbrücken sowohl über die auf- oder anschmelzenden Nanopartikel als auch über das durch die Silanumwandlung erzeugte Silizium erfolgt. Natürlich orientiert sich die Erwärmungstemperatur in diesem Fall an der Art bzw. Größe der verwendeten Nanopartikel. It is also conceivable, of course, that both silicon nanoparticles and one or more liquid silanes are used as the means for forming the voided silicon, that is, the formation of the conductivity bridges both via the melting or melting nanoparticles and via the silane conversion produced silicon occurs. Of course, the heating temperature in this case is based on the type or size of the nanoparticles used.

Auch hierbei wird eine Dispersion aus den Mikropartikeln zusammen mit den Nanopartikeln und dem flüssigen Silan oder dem Silangemisch gebildet, wobei das Silan bzw. Silangemisch selbst bereits das Trägerfluid bilden kann. Denkbar ist es aber natürlich auch, die Stoffe in einem Lösungsmittel zu dispergieren. Die erhaltene Dispersion bildet die Schicht, die auf dem Substrat abgeschieden wird, und die anschließend auf die entsprechende Temperatur zum Aufschmelzen der Siliziumnanopartikel und zur Umwandlung des oder der Silane erwärmt wird. Here too, a dispersion of the microparticles is formed together with the nanoparticles and the liquid silane or the silane mixture, wherein the silane or silane mixture itself can already form the carrier fluid. Of course, it is also conceivable to disperse the substances in a solvent. The resulting dispersion forms the layer which is deposited on the substrate and which is then heated to the appropriate temperature to melt the silicon nanoparticles and to convert the silane (s).

Wie beschrieben liegt die Größe der verwendeten Nanopartikel zwischen 5–250 nm, bevorzugt im Bereich zwischen 5–125 nm. Bevorzugt werden möglichst kleine Nanopartikel verwendet, um die Erwärmungstemperatur möglichst niedrig zu halten. As described, the size of the nanoparticles used is between 5-250 nm, preferably in the range between 5-125 nm. The smallest possible nanoparticles are preferably used in order to keep the heating temperature as low as possible.

Als Silan können unterschiedliche Silane vom Typ SinH2n+2 oder SinH2n verwendet werden. Verwendbar ist beispielsweise Cyclotrisilan, Cyclobutasilan, Cyclopentasilan, Cyclohexasilan und Cycloheptasilan, wobei die Aufzählung der verwendbaren, silanbasierten Monomere nicht abschließend ist. Auch Monosilan, Disilan oder Trisilan können verwendet werden. H (Wasserstoff) kann auch, ganz oder teilweise, durch gesättigte oder ungesättigte Alkylgruppen bzw. Arylgruppen substituiert sein. As silane, different silanes of the type Si n H 2n + 2 or Si n H 2n can be used. Useful is, for example, cyclotrisilane, cyclobutasilane, cyclopentasilane, cyclohexasilane and cycloheptasilane, but the enumeration of the useful silane-based monomers is not exhaustive. Monosilane, disilane or trisilane can also be used. H (hydrogen) may also, in whole or in part, be substituted by saturated or unsaturated alkyl groups or aryl groups.

Als Lösungsmittel, mit denen die Dispersion hergestellt werden kann, können unterschiedliche kohlenwasserstoffbasierte Lösungsmittel verwendet werden, beispielsweise n-Hexan, n-Heptan, n-Oktan, Benzol, Toluol, Xylol wie auch andere Lösungsmittel in Form verschiedener Ether und Ähnliches. As solvents with which the dispersion can be prepared, various hydrocarbon-based solvents can be used, for example, n-hexane, n-heptane, n-octane, benzene, toluene, xylene, as well as other solvents in the form of various ethers, and the like.

Die Erwärmungstemperatur bei Verwendung von Siliziumnanopartikeln als einzigem Hohlraum-Siliziumbildungsmittel oder als zusätzlichem, zu Silan verwendetem Mittel liegt zwischen 500–1350°C, wobei angestrebt ist, durch Verwendung möglichst kleiner Nanopartikel eine möglichst niedrige Erwärmungstemperatur nutzen zu können. Wird ein Silan oder ein Silangemisch als einziges Silizium-bildendes Mittel verwendet, so liegt die Erwärmungstemperatur zwischen 150–400°C, sie richtet sich nach dem verwendeten Silan. The heating temperature when using silicon nanoparticles as the only voiding silicon forming agent or as an additional means used for silane is between 500-1350 ° C, whereby the aim is to be able to use the lowest possible heating temperature by using the smallest possible nanoparticles. If a silane or a silane mixture is used as the sole silicon-forming agent, the heating temperature is between 150-400 ° C, it depends on the silane used.

Um eine unerwünschte, schlecht leitfähige SiO2-Passivierung auf die Oberfläche der Siliziummikropartikel zu vermeiden bzw. etwaige Oberflächenverunreinigungen zu entfernen, können diese vor dem Aufbringen auf das Substrat, insbesondere vor dem Einbringen in das Lösungsmittel zur Entfernung einer oberflächlichen Oxidschicht oder z.B. etwaigen Metallabriebs, der aus dem Mahlvorgang anhaften, gereinigt werden, insbesondere unter Verwendung von Flusssäure (HF), wonach sie unter Sauerstoffausschluss prozessiert werden, um eine erneute Oxidation zu vermeiden. Dies stellt sicher, dass die abgeschiedenen Siliziummikropartikel durch bessere elektrische Kontakte untereinander ein leitfähigeres Netzwerk bilden. Nach dem Mahlen werden die Partikel also gereinigt, um eine passivierungs- oder verunreinigungsfreie Oberfläche zu schaffen. Nach der Reinigung mit HF sind die Partikel Si-H terminiert, was ihre Kompatibilität zum Silan verbessert. Nach der Reinigung sollten die Partikel möglichst schnell aufgebracht werden oder in Inergasatmosphäre gehandhabt werden. In order to avoid unwanted, poorly conductive SiO 2 passivation on the surface of the silicon microparticles or to remove any surface contaminants, they may be applied to the substrate before application to the substrate, in particular before introduction into the solvent to remove a superficial oxide layer or, for example, any metal abrasion. which are adhered from the grinding process, in particular using hydrofluoric acid (HF), after which they are processed in the absence of oxygen to avoid reoxidation. This ensures that the deposited silicon microparticles form a more conductive network through better electrical contacts. After milling, the particles are thus cleaned to create a passivation or contamination-free surface. After cleaning with HF, the particles Si-H are terminated, which improves their compatibility with the silane. After cleaning, the particles should be applied as quickly as possible or handled in an inert gas atmosphere.

Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die gereinigten Siliziummikropartikel oberflächlich durch Aufbringen einer Beschichtung zu funktionalisieren. Hierbei können organische Gruppe auf der gereinigten Oberfläche additiv gebunden werden, worüber die Sauerstoff- und Wasserempfindlichkeit reduziert werden kann. Wie im Falle der Silane sind dies bevorzugt gesättigte oder ungesättigte Alkyl- oder Arylreste. In addition, it is possible to surface-functionalize the purified silicon microparticles by applying a coating. Here, organic groups on the cleaned surface can be additively bonded, whereby the oxygen and water sensitivity can be reduced. As in the case of the silanes, these are preferably saturated or unsaturated alkyl or aryl radicals.

Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dotierte Siliziummikropartikel zu verwenden, um dezidiert dotierte Schichten ausbilden zu können. Besonders bevorzugt wird dies, wenn zwei oder mehr separate Schichten übereinander aufgebracht werden, wobei die Schichten Siliziummikropartikel unterschiedlicher Dotierung enthalten. Das heißt, dass zunächst eine erste Schicht auf dem Substrat aufgebracht und ausgeheizt wird, mithin also fertiggestellt wird, wonach eine weitere Schicht aufgebracht und ausgeheizt wird. Dadurch lassen sich elektrische Bauteile wie z. B. Solarzellen mit p- und n-dotierten und intrinsischen Bereichen herstellen. Die Dotierung kann dabei bereits über von Haus aus dotiertem Mikropartikel eingebracht werden, denkbar ist aber auch eine Dotierung z.B. durch Diffusionsverfahren, nachdem die jeweilige Schicht abgeschieden ist. Grundsätzlich ermöglicht jedoch die Abscheidung zweier oder mehrerer Schichten die Bildung entsprechender pn- oder pin-Strukturen. A particularly expedient development of the method provides for using doped silicon microparticles in order to be able to form distinctly doped layers. This is particularly preferred when two or more separate layers are applied one above the other, the layers containing silicon microparticles of different doping. That means that first a first layer is applied to the substrate and baked, so therefore completed, after which a further layer is applied and baked. This allows electrical components such. B. produce solar cells with p- and n-doped and intrinsic regions. In this case, the doping can already be introduced via internally doped microparticles, but it is also conceivable to use doping, for example by diffusion methods, after the respective layer has been deposited. In principle, however, the deposition of two or more layers allows the formation of corresponding pn or pin structures.

Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung ferner ein Bauelement umfassend ein Substrat mit wenigstens einer Siliziumschicht, hergestellt gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren. In addition to the method, the invention further relates to a component comprising a substrate having at least one silicon layer, produced according to the method described above.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen: Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the embodiments described below and with reference to the drawings. Showing:

1 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Siliziumschicht nach einem ersten Ausführungsbeispiel, 1 a schematic diagram for explaining the method according to the invention for producing a silicon layer according to a first embodiment,

2 eine vergrößerte Prinzipdarstellung der gebildeten Siliziumschicht, 2 an enlarged schematic representation of the silicon layer formed,

3 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, 3 A second embodiment of the method according to the invention,

4 ein drittes Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, 4 a third example of the method according to the invention,

5 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Bauelements, mit zwei Schichten, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind, und 5 an example of a device according to the invention, with two layers, which are produced by the method according to the invention, and

6 ein Bauelement mit drei erfindungsgemäß hergestellten Schichten. 6 a device with three layers produced according to the invention.

1 zeigt in Form eines Ablaufdiagramms ein Verfahren zur Herstellung einer Siliziumschicht auf einem Substrat gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante. Ausgangsmaterial ist im gezeigten Beispiel ein Siliziumbruchstück 1, wie es beispielsweise bei der Siliziumherstellung oder der Waferherstellung anfällt. Zusätzlich oder alternativ kann auch Siliziumsäge- oder -schleifstaub verwendet werden. Dieses Siliziumbruchstück 1 wird im Schritt 2 derart gemahlen, dass Siliziummikropartikel 3 entstehen. Das Mahlen kann beispielsweise in einer Planetenkugelmühle erfolgen. Die Siliziummikropartikel 3 weisen eine mittlere Partikelgröße von 1–10 µm, bevorzugt im Bereich von 1–5 µm und insbesondere bevorzugt im Bereich zwischen 1–3 µm auf. Gegebenenfalls werden diese Mikropartikel durch Sieben aus dem Mahlgut herausgefiltert, wobei durch die Siebung eine sehr scharfe Verteilung des erhaltenen Siebguts erreicht werden kann. Das heißt, dass das Siebgut wenigstens 85 %, vorzugsweise wenigstens 90% an Siliziummikropartikeln im geforderten Größenbereich enthält. 1 shows in the form of a flow chart a method for producing a silicon layer on a substrate according to a first embodiment variant. Starting material is a silicon fragment in the example shown 1 , as is the case for example in silicon production or wafer production. Additionally or alternatively, silicon saw dust or abrasive dust may also be used. This silicon fragment 1 is in the step 2 ground so that silicon microparticles 3 arise. The milling can be done for example in a planetary ball mill. The silicon microparticles 3 have an average particle size of 1-10 microns, preferably in the range of 1-5 microns and more preferably in the range 1-3 microns. Optionally, these microparticles are filtered out of the ground material by sieving, whereby a very sharp distribution of the screenings obtained can be achieved by the sieving. This means that the screenings contain at least 85%, preferably at least 90% of silicon microparticles in the required size range.

Die Siliziummikropartikel werden sodann – gegebenenfalls nach vorheriger Reinigung in Flusssäure zur Entfernung einer SiO2-Schicht und eventueller metallischer Verunreinigungen – zur Bildung einer Dispersion in ein Lösungsmittel 4 gegeben, beispielsweise Ethanol oder Toluol oder ein anderes der einleitend (aber nicht einschränkend) genannten Lösungsmittel. Zusätzlich werden zu dem Lösungsmittel 4 Siliziumnanopartikel 5 gegeben, so dass insgesamt eine Dispersion 6 entsteht, enthaltend die Siliziummikropartikel 3, die Siliziumnanopartikel 5 sowie das Lösungsmittel 4. The silicon microparticles are then - optionally after prior purification in hydrofluoric acid to remove a SiO 2 layer and any metallic impurities - to form a dispersion in a solvent 4 given, for example, ethanol or toluene or another of the initially mentioned (but not limiting) solvents. In addition, become the solvent 4 silicon nanoparticles 5 given, giving a total dispersion 6 arises containing the silicon microparticles 3 , the silicon nanoparticles 5 as well as the solvent 4 ,

Diese Dispersion 6 wird nun in einem Schritt 7 beispielsweise durch Schleudern, Drucken, Rakeln oder Slotcoating auf ein Substrat 8 zur Bildung einer Schicht 9 aufgebracht. In einem nun folgenden Niedertemperaturschritt 10 wird das Substrat 8 nebst Schicht 9 ausgeheizt. Die Erwärmungstemperatur ist ≤ 1350°C, sie bewegt sich bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen 500°C–1350°C. Die konkrete Erwärmungstemperatur ist so gewählt, dass, in Verbindung mit der gewählten Haltezeit, ein zumindest oberflächliches Anschmelzen der Siliziumnanopartikel 5 innerhalb der Schicht 9 stattfindet. Beim Aufheizen verflüchtigt sich zum einen das Lösungsmittel 4, was dazu führt, dass sich die Siliziummikropartikel 3 aneinanderlagern. Die Siliziumnanopartikel 5 lagern sich größenbedingt im Bereich der Hohlräume respektive Poren zwischen den Siliziummikropartikeln 3 an. Durch Erwärmen auf die Erwärmungstemperatur, gegebenenfalls mit dazwischen liegenden Halteschritten, ist nun sichergestellt, dass die Siliziumnanopartikel 5 zumindest oberflächlich anschmelzen, gegebenenfalls auch aufgrund ihrer extrem geringen Größe komplett aufschmelzen, da größenbedingt die An- oder Aufschmelztemperatur der Nanopartikel deutlich niedriger ist als die von großem Bulksilizium, wie es beispielsweise die Siliziummikropartikel 3 darstellen. This dispersion 6 will now be in one step 7 for example, by spinning, printing, knife coating or slot coating on a substrate 8th to form a layer 9 applied. In a following low-temperature step 10 becomes the substrate 8th together with shift 9 baked. The heating temperature is ≤ 1350 ° C, it preferably moves in a temperature range between 500 ° C-1350 ° C. The concrete heating temperature is selected so that, in conjunction with the selected holding time, at least superficial melting of the silicon nanoparticles 5 within the shift 9 takes place. During heating, the solvent volatilizes on the one hand 4 , which causes the silicon microparticles 3 anneal. The silicon nanoparticles 5 store due to size in the area of the cavities or pores between the silicon microparticles 3 at. By heating to the heating temperature, optionally with intermediate holding steps, it is now ensured that the silicon nanoparticles 5 at least superficially melt, possibly even completely melt because of their extremely small size, since the size of the on or melting temperature of the nanoparticles is significantly lower than that of large bulk silicon, such as the silicon microparticles 3 represent.

Aufgrund dieser zumindest teilweisen Verflüssigung der Siliziumnanopartikel bildet sich folglich im Bereich zwischen den Siliziummikropartikeln 3 eine aufgeschmolzene Siliziumstruktur 11 aus, die folglich die Hohlräume zumindest teilweise füllt respektive die Siliziummikropartikel 3 untereinander verbindet, mithin also quasi verlötet. Dies verbessert die Leitfähigkeit bzw. die Ladungsträgermobilität der gebildeten Siliziumschicht 12. Due to this at least partial liquefaction of the silicon nanoparticles consequently forms in the region between the silicon microparticles 3 a molten silicon structure 11 which consequently at least partially fills the cavities, respectively the silicon microparticles 3 connects with each other, so quasi soldered. This improves the conductivity or the charge carrier mobility of the silicon layer formed 12 ,

Eine Prinzipdarstellung der gebildeten Siliziumschicht 12 zeigt 2. Gezeigt sind die monokristallinen Siliziummikropartikel 3, sowie die amorphen oder teilkristallinen Siliziumbrücken 13, die letztlich die Siliziumstruktur 11 bilden. A schematic diagram of the silicon layer formed 12 shows 2 , Shown are the monocrystalline silicon microparticles 3 , as well as the amorphous or partially crystalline silicon bridges 13 that ultimately the silicon structure 11 form.

3 zeigt in Form einer Prinzipdarstellung eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei wiederum, ähnlich wie in 1 gezeigt, aus einem geeigneten Siliziumbruchstück 1 und/oder Siliziumstaub unter Durchführung eines Mahlschritts 2 die Siliziummikropartikel 3 erzeugt werden, die sodann in ein Lösungsmittel 4 gegeben werden. Diesem Lösungsmittel 4 werden zur Bildung der Dispersion 6 als Silizium bildendes Mittel flüssiges Silan 14 oder ein Gemisch aus verschiedenen flüssigen Silanen beigefügt, wie in 3 durch die gestrichelte Darstellung angedeutet ist. Silane enthalten bekanntlich Silizium, das bei Erwärmung in Form kompakter Siliziumschichten abgeschieden werden kann. 3 shows in the form of a schematic representation of another embodiment of the method according to the invention, again, similar to 1 shown from a suitable silicon fragment 1 and / or silicon dust while performing a grinding step 2 the silicon microparticles 3 which are then made into a solvent 4 are given. This solvent 4 are used to form the dispersion 6 as a silicon-forming agent, liquid silane 14 or a mixture of different liquid silanes attached, as in 3 is indicated by the dashed line. Silanes are known to contain silicon, which can be deposited when heated in the form of compact silicon layers.

Die erhaltene Dispersion 6 wird sodann in einem Verarbeitungsschritt 7 durch Drucken oder Schleudern wiederum auf das Substrat 8 zur Bildung der Schicht 9 aufgebracht, die hier aus den Siliziummikropartikeln 3, dem Lösungsmittel 4 sowie dem Silan 14 oder dem Silangemisch besteht. The resulting dispersion 6 is then in a processing step 7 by printing or spinning again on the substrate 8th to form the layer 9 Applied to the silicon microparticles here 3 , the solvent 4 as well as the silane 14 or the silane mixture.

In einem nachfolgenden Niedertemperaturschritt 10 wird auch diese Struktur ausgeheizt. Die Erwärmungstemperatur liegt deutlich niedriger als beim Ausführungsbeispiel nach 1, denn es ist lediglich erforderlich, die Silane umzuwandeln, ein Aufschmelzen ist hier nicht vonnöten. Die Erwärmungstemperatur liegt im Bereich von 150–400°C, sie richtet sich natürlich nach dem oder den verwendeten Silanen 14. In a subsequent low-temperature step 10 This structure is also baked out. The heating temperature is significantly lower than in the exemplary embodiment 1 , because it is only necessary to convert the silanes, a melting is not necessary here. The heating temperature is in the range of 150-400 ° C, it depends of course on the silane or silanes used 14 ,

Im Ergebnis bildet sich auch hier eine Siliziumschicht 12 aus, einerseits bestehend aus den aneinandergelagerten Siliziummikropartikeln 3, die sich nach Verflüchten oder Verdampfen des Lösungsmittels 4 aneinanderlagern. Diese Mikropartikel 3 sind über die ausgebildete Siliziumstruktur 11 (bzw. die gebildeten Siliziumbrücken), das die Hohlräume füllt, miteinander verbunden, wobei dieses gebildete Silizium entweder kristallin oder amorph sein kann. Das heißt, dass auch hier durch Erzeugung von brückenbildendem Silizium in den Hohlräumen eine gut leitfähige Schicht 12 gebildet werden kann, die nur eine geringe Porosität aufweist. As a result, a silicon layer is also formed here 12 on the one hand consisting of the juxtaposed silicon microparticles 3 , which after evaporation or evaporation of the solvent 4 anneal. These microparticles 3 are about the formed silicon structure 11 (or the silicon bridges formed), which fills the cavities, connected to each other, wherein this silicon formed may be either crystalline or amorphous. That is, here too, by creating bridging silicon in the cavities, a well-conductive layer 12 can be formed, which has only a low porosity.

4 zeigt eine weitere Verfahrensvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Verfahrensvariante stellt eine Kombination der in den 1 und 3 gezeigten Verfahren dar. Die wiederum durch geeignete Mahlbearbeitung erhaltenen Siliziummikropartikel 3 werden wiederum in ein Lösungsmittel 4 gegeben, zusammen mit Siliziumnanopartikeln 5 und einem Silan 14 oder einem Silangemisch. Das heißt, dass hier zur Bildung des Hohlraumsiliziums sowohl Siliziumnanopartikel 5 als auch ein oder mehrere Silane 14 verwendet werden. 4 shows a further process variant of the method according to the invention. This variant of the method represents a combination of in the 1 and 3 The method shown in turn obtained by suitable milling silicon microparticles 3 turn into a solvent 4 given together with silicon nanoparticles 5 and a silane 14 or a silane mixture. That is, here for the formation of the cavity silicon both silicon nanoparticles 5 as well as one or more silanes 14 be used.

Die erhaltene Dispersion 6 wird wiederum in einem Beschichtungsverfahrensschritt 7 als Schicht 9 auf das Substrat aufgebracht und anschließend im Schritt 10 erwärmt. Die Erwärmungstemperatur orientiert sich an der Temperatur, die zum An- oder Aufschmelzen des Siliziumnanopartikels 5 erforderlich ist. The resulting dispersion 6 is again in a coating process step 7 as a layer 9 applied to the substrate and then in the step 10 heated. The heating temperature is based on the temperature used to melt or melt the silicon nanoparticle 5 is required.

Es bildet sich wiederum eine Siliziumschicht 12 aus, bestehend aus den nicht aufgeschmolzenen und folglich nach wie vor als Bulkmaterial vorliegenden Siliziummikropartikeln 3 sowie dem die Hohlräume füllenden Silizium bzw. der Siliziumstruktur 11, das bzw. die amorph oder teilkristallin sein kann, je nachdem, woraus es erzeugt wird, seien es die Siliziumnanopartikel 5, sei es das Silan. In turn, a silicon layer is formed 12 consisting of the silicon microparticles not melted and thus still present as bulk material 3 and the silicon filling the cavities or the silicon structure 11 , which may be amorphous or partially crystalline, depending on what it is made from, be it the silicon nanoparticles 5 be it silane

5 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Bauelements 15, beispielsweise in Form einer pn-Diode. Das Substrat 8 weist einen elektrischen Kontakt 16 auf, auf dem oder mit dem kontaktiert eine erste Schicht 12 durch ein erstmaliges Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Verfahrensvariante gemäß den 1, 3 oder 4 aufgebracht wurde. Durch nochmaliges Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer der Verfahrensvarianten nach den 1, 3 oder 4 wird eine zweite Schicht 12‘ auf der ersten Schicht 12 erzeugt. Dabei wird die erste Schicht durch den zweiten Temperaturschritt nicht mehr angegriffen, da sie bereits die Schmelztemperatur von Bulk-Silizium besitzt. Der Unterschied zwischen den beiden Schichten ist, dass bei der Schicht 12 als Siliziummikropartikel 3 solche verwendet werden, die von Haus aus p-dotiert sind, während als Siliziummikropartikel 3‘ zur Bildung der Schicht 12‘ Siliziummikropartikel verwendet werden, die von Haus aus n-dotiert sind. Alternativ zur Verwendung von bereits dotierten Siliziummikropartikel 3, 3‘ ist es natürlich auch denkbar, die einzelnen Schichten nach Erzeugung jeweils separat zu dotieren. Ferner ist ein zweiter Kontakt 17 vorgesehen. 5 shows an inventive embodiment of a device 15 , for example in the form of a pn diode. The substrate 8th has an electrical contact 16 on, on or with which contacted a first layer 12 by carrying out the method according to the invention for the first time in a variant of the method according to FIGS 1 . 3 or 4 was applied. By performing again the method according to the invention in one of the process variants according to the 1 . 3 or 4 becomes a second layer 12 ' on the first layer 12 generated. In this case, the first layer is not attacked by the second temperature step, since it already has the melting temperature of bulk silicon. The difference between the two layers is that at the layer 12 as silicon microparticles 3 those that are inherently p-doped while as silicon microparticles 3 ' to form the layer 12 ' Silicon microparticles are used, which are n-doped by nature. Alternatively to the use of already doped silicon microparticles 3 . 3 ' Of course, it is also conceivable to separately dope the individual layers after generation. There is also a second contact 17 intended.

Unabhängig davon ist jede der Schichten 12, 12‘ sehr einfach herstellbar wie auch sehr gut leitfähig, nachdem an jeder Schicht die Mikropartikel 3, 3‘ über entsprechende Siliziumstrukturen 11, 11‘ leitend verbunden sind. Regardless, each of the layers 12 . 12 ' very easy to prepare as well as very conductive, after every microparticle layer 3 . 3 ' via corresponding silicon structures 11 . 11 ' are conductively connected.

6 zeigt schließlich ein weiteres Bauteil 15, wobei für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Vorgesehen ist wiederum ein Substrat 8 mit einem elektrischen Kontakt 16, auf dem eine erste Schicht 12, auch hier wiederum eine p-dotierte Schicht, aufgebracht ist. Ihr folgt eine Schicht 12‘‘, in diesem Ausführungsbeispiel eine intrinsische, undotierte Schicht aus Silizium, auf die eine n-dotierte Schicht 12‘ aufgebracht ist. Jede der Schichten 12, 12‘‘, 12‘ ist separat gemäß einer der Verfahrensvarianten wie zuvor beschrieben prozessiert. Die Dotierung der Schichten 12 und 12‘ kann entweder durch Verwendung von bereits dotierten Siliziummikropartikeln 3, 3‘ erfolgen, es kann aber auch nach Aufbringen der Schicht 12 zunächst diese Schicht p-dotiert werden, wonach die Schicht 12‘ mit den Mikropartikeln 3‘ als undotierte, reine Siliziumschicht aufgebracht wird, auf die sodann die Schicht 12‘ aufgebracht wird, die anschließend n-dotiert wird. Jede der Schichten 12, 12‘, 12‘‘ weist eine Siliziumstruktur 11, 11‘, 11‘‘ auf. Hier bildet sich also eine pin-Diode aus, die auf der anderen Seite ebenfalls über einen zweiten elektrischen Kontakt 17 verfügt. 6 finally shows another component 15 , wherein like reference numerals are used for the same components. Again, a substrate is provided 8th with an electrical contact 16 on which a first layer 12 , Again, a p-doped layer is applied. She is followed by a shift 12 '' , in this embodiment, an intrinsic, undoped layer of silicon on which an n-doped layer 12 ' is applied. Each of the layers 12 . 12 '' . 12 ' is separately processed according to one of the process variants as described above. The doping of the layers 12 and 12 ' can be achieved either by using already doped silicon microparticles 3 . 3 ' but it can also after application of the layer 12 first, this layer is p-doped, after which the layer 12 ' with the microparticles 3 ' is applied as undoped, pure silicon layer, then on the layer 12 ' is applied, which is then n-doped. Each of the layers 12 . 12 ' . 12 '' has a silicon structure 11 . 11 ' . 11 '' on. Here, therefore, forms a pin diode, on the other side also via a second electrical contact 17 features.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich primär dadurch aus, dass Siliziummikropartikel verwendet werden, zu deren Herstellung auf bereits anfallende Abfälle bei der Herstellung von Silizium (Sägestaub, Bruchstücke von Bulkmaterial wie beispielsweise Waferbruchstücke oder Wafer mit schlechter Kristallinität) zurückgegriffen werden kann. Dieses Abfallmaterial kann energiesparend gemahlen werden. Der daraus bei der Schichtbildung entstehende Nachteil der höheren Porosität und damit geringeren Leitfähigkeit wird durch die Zugabe einer geringen Menge an Siliziumnanopartikeln und/oder flüssigem Silan ausgeglichen. Der Hauptbestandteil des abgeschiedenen Siliziums und damit auch der fertig erzeugten Schicht bleibt jedoch weiterhin der aus den energiesparend hergestellten Siliziummikropartikeln, lediglich die Zwischenräume werden durch die beigemischten Siliziumnanopartikel und/oder das flüssige Silan ausgefüllt. Der zur Erzeugung der hieraus gebildeten amorphen Siliziumbereiche zwischen den Mikropartikeln nötige Temperschritt benötigt ebenfalls nur eine geringe Erwärmungstemperatur, so dass der gesamte Energieaufwand für die Abscheidung einer sehr gut leitfähigen Siliziumschicht gering gehalten werden kann. Die resultierende Schicht enthält keine weiteren Füllstoffe aus anderen Materialien, die optische oder elektrische Prozesse im Material behindern können. The method according to the invention is characterized primarily by the fact that silicon microparticles are used whose production can be based on waste already produced in the production of silicon (sawdust, fragments of bulk material such as for example wafer fragments or wafers with poor crystallinity). This waste material can be ground energy-saving. The resulting from the layer formation disadvantage of higher porosity and thus lower conductivity is compensated by the addition of a small amount of silicon nanoparticles and / or liquid silane. However, the main component of the deposited silicon and thus also of the finished layer still remains that produced from the energy-saving silicon microparticles, only the interstices are filled by the admixed silicon nanoparticles and / or the liquid silane. The annealing step required to produce the amorphous silicon regions formed therefrom between the microparticles also requires only a low heating temperature, so that the entire energy expenditure for the deposition of a very good conductive silicon layer can be kept low. The resulting layer contains no other fillers of other materials that may hinder optical or electrical processes in the material.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2010/0047476 A1 [0006] US 2010/0047476 A1 [0006]

Claims (15)

Verfahren zur Herstellung einer Siliziumschicht auf einem Substrat, insbesondere zur Verwendung in einer Photovoltaikzelle, wobei Siliziummikropartikel (3), die eine mittlere Partikelgröße zwischen 1–10 µm aufweisen, als Schichtbildner verwendet werden, wobei die zwischen den Siliziummikropartikeln (3) gegeben Zwischenräume zumindest teilweise mit einem Mittel gefüllt werden, das nach einer nachfolgenden Erwärmung der Schicht auf eine Temperatur unterhalb der Silizium-Schmelztemperatur amorphes oder teilkristallines Silizium (11) bildet. Method for producing a silicon layer on a substrate, in particular for use in a photovoltaic cell, silicon microparticles ( 3 ), which have an average particle size of between 1 and 10 μm, can be used as a layer former, whereby the between the silicon microparticles ( 3 ) spaces are at least partially filled with an agent which after a subsequent heating of the layer to a temperature below the silicon melting temperature amorphous or partially crystalline silicon ( 11 ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel Siliziumnanopartikel (5) verwendet werden, die bei der Erwärmungstemperatur aufschmelzen und nach dem Abkühlen amorphes oder teilkristallines Silizium (11), das die Siliziummikropartikel (3) verbindet, bilden. Process according to claim 1, characterized in that silicon nanoparticles ( 5 ) which melt at the heating temperature and, after cooling, amorphous or semi-crystalline silicon ( 11 ) containing the silicon microparticles ( 3 ). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziummikropartikel (3) zusammen mit den Siliziumnanopartikeln (5) in einem Lösungsmittel (4) dispergiert werden, wobei aus der Dispersion (6) die Schicht (9) gebildet wird, die anschließend auf die Temperatur zum Aufschmelzen der Siliziumnanopartikel (5) erwärmt wird. Method according to claim 2, characterized in that the silicon microparticles ( 3 ) together with the silicon nanoparticles ( 5 ) in a solvent ( 4 ) are dispersed, whereby from the dispersion ( 6 ) the layer ( 9 ), which is then heated to the temperature for melting the silicon nanoparticles ( 5 ) is heated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel wenigstens ein flüssiges Silan (14) oder ein Gemisch aus mehreren flüssigen Silanen verwendet wird, die sich beim Erwärmen in amorphes Silizium (11), das die Siliziummikropartikel (3) verbindet, umwandeln. Process according to claim 1, characterized in that as agent at least one liquid silane ( 14 ) or a mixture of a plurality of liquid silanes, which on heating in amorphous silicon ( 11 ) containing the silicon microparticles ( 3 ) converts. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziummikropartikel (3) zusammen mit dem flüssigen Silan (14) oder dem Silangemisch, gegebenenfalls in einem Lösungsmittel (4) dispergiert werden, wobei aus der Dispersion (6) die Schicht (9) gebildet wird, die anschließend auf die Temperatur zur Umwandlung des oder der Silane (14) erwärmt wird. Method according to claim 4, characterized in that the silicon microparticles ( 3 ) together with the liquid silane ( 14 ) or the silane mixture, optionally in a solvent ( 4 ) are dispersed, whereby from the dispersion ( 6 ) the layer ( 9 ), which is then heated to the temperature for conversion of the silane (s) ( 14 ) is heated. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3 und einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel sowohl Siliziumnanopartikel (5) als auch ein oder mehrere flüssige Silane (14) verwendet werden. Method according to one of claims 2 or 3 and one of claims 4 or 5, characterized in that as means both silicon nanoparticles ( 5 ) as well as one or more liquid silanes ( 14 ) be used. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziummikropartikel (3) zusammen mit den Siliziumnanopartikeln (5) und dem flüssigen Silan (14) oder dem Silangemisch, gegebenenfalls in einem Lösungsmittel (4) dispergiert werden, wobei aus der Dispersion (6) die Schicht (9) gebildet wird, die anschließend auf die Temperatur zum Aufschmelzen der Siliziumnanopartikel (5) und zur Umwandlung des oder der Silane (14) erwärmt wird. Method according to claim 6, characterized in that the silicon microparticles ( 3 ) together with the silicon nanoparticles ( 5 ) and the liquid silane ( 14 ) or the silane mixture, optionally in a solvent ( 4 ) are dispersed, whereby from the dispersion ( 6 ) the layer ( 9 ), which is then heated to the temperature for melting the silicon nanoparticles ( 5 ) and the conversion of the silane (s) ( 14 ) is heated. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 3, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Siliziumnanopartikel (5) mit einer Größe zwischen 5–250 nm verwendet werden. Method according to one of claims 2, 3, 6 or 7, characterized in that silicon nanoparticles ( 5 ) with a size between 5-250 nm. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Silan (14) vom Typ SinH2n+2 oder SinH2n verwendet wird. Method according to one of claims 4 to 8, characterized in that silane ( 14 ) of the type Si n H 2n + 2 or Si n H 2n is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungstemperatur bei Verwendung von Siliziumnanopartikeln (5) zwischen 500°–1350°C und bei Verwendung eines Silans (14) zwischen 150°–400°C beträgt. Method according to one of claims 2 to 9, characterized in that the heating temperature when using silicon nanoparticles ( 5 ) between 500 ° -1350 ° C and when using a silane ( 14 ) is between 150 ° -400 ° C. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziummikropartikel (3) vor dem Aufbringen auf das Substrat (8), insbesondere vor dem Einbringen in das Lösungsmittel (4) zur Entfernung einer oberflächlichen Verunreinigung, insbesondere einer Oxidschicht gereinigt werden, insbesondere unter Verwendung von Flusssäure. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the silicon microparticles ( 3 ) before application to the substrate ( 8th ), in particular before introduction into the solvent ( 4 ) are cleaned to remove a surface contaminant, in particular an oxide layer, in particular using hydrofluoric acid. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die gereinigten Siliziummikropartikel (3) oberflächlich durch Aufbringen einer Beschichtung funktionalisiert werden. Process according to claim 11, characterized in that the purified silicon microparticles ( 3 ) are functionalized on the surface by applying a coating. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dotierte Siliziummikropartikel (3) verwendet werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that doped silicon microparticles ( 3 ) be used. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr separate Schichten (12, 12‘, 12‘‘) übereinander aufgebracht werden, wobei die Schichten (12, 12‘, 12‘‘) Siliziummikropartikel (3, 3‘, 3‘‘) unterschiedlicher Dotierung enthalten. Method according to one of the preceding claims, characterized in that two or more separate layers ( 12 . 12 ' . 12 '' ) are applied one above the other, the layers ( 12 . 12 ' . 12 '' ) Silicon microparticles ( 3 . 3 ' . 3 '' ) contain different doping. Bauelement umfassend ein Substrat mit einer Siliziumschicht hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche. Component comprising a substrate with a silicon layer produced by the method according to one of the preceding claims.
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