DE2830522A1

DE2830522A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von folien, baendern oder platten aus silizium

Info

Publication number: DE2830522A1
Application number: DE19782830522
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr Rer Nat Dahlberg
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH
Priority date: 1978-07-12
Filing date: 1978-07-12
Publication date: 1980-01-31

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von
Folien, Bändern oder Platten aus Silizium Für eine großtechnischeumwandlung von Sonnenenergie mit Hilfe von Solarzellen benötigt man aus wirtschaftlichen Gründen möglichst billige Solarzellen. Durch eine Entfeinerung des einkristallinen Silizium-Materials für Halbleiterbauelemente in Bezug auf Reinheit und Kristallperfektion kann man ein wesentlich billigeres Silizium herstellen, welches bei der Verwendung für die Herstellung von Solarzellen immer noch Wirkungsgrade über 10 % erreichen läßt. Selbst mit grobkristallinem Silizium können heute bereits Solarzellen mit Wirkungsgraden über 10 % hergestellt werden.
Ein wichtiger Kostenfaktor bei der Herstellung des Siliziums für Solarzellen liegt in der geometrischen Form des zu verwendenden Siliziums. Die Strukturen für die Solarzellen müssen möglichst großflächig auf Silizium-Platten, Silizium-Bändern oder Silizium-Folien aufgebracht werden. Das notwendige scheibenförmige Silizium-Grundmaterial-wird daher im allgemeinen durch einen Sägeprozeß aus Stäben oder Barren erzeugt. Dieser Prozeß ist aufwendig, weil er mit Hilfe gekühlter Diamantsägen erfolgen muß, und weil er einen erheblichen Verschnitt, d. h. Verlust von Silizium-Material zur Folge hat.
Um diesen Prozeß zu vermeiden, wurde ein Verfahren~ entwickelt, bei dem aus der Silizium-Schmelze durch Ausnutzung der Kapillarwirkung von Düsen Silizium-Bänder gezogen werden. Es ist jedoch sehr schwierig, nach- diesem Verfahren mit.hinreichender Geschwindigkeit ein für Solarzellen brauchbares Siliziumbandherzustellen.
Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung anzugeben, mit welchem Folien, Bänder und Platten aus Silizium billig und schnell hergestellt werden können. Dieses Verfahren besteht darin, daB in einer Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum flüssiges S#ilizium in einem gleichmäßigen Strahl auf eine rotierende Unterlage aufgebracht wird, so daß es in Form einer Folie, eines Bandes oder einer Platte aus Silizium in tangentialer Richtung von der rotierenden Unterlage geschleudert wird.
Die Merkmale der zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtungen ergeben sich aus den Ansprüchen 11 bis 18. Das neue Verfahren dient vorzugsweise zur Herstellung des Grundmaterials für Silizium-Solarzellen.
Die Gleichmäßigkeit des Strahles aus flüssigem Silizium wird mit Hilfe einer geeignet geformten Austrittsdüse für das flüssige Silizium erzeugt. Die Dicke des weggeschleuderten Siliziums hängt von der Rotationsgeschwindigkeit der Unterlage und der Menge des flüssigen Siliziums ab, die in der Zeiteinheit auf die Unterlage aufgebracht wird. Die Länge der Folie, des Bandes oder der Platte kann durch mechanisches Zertrennen oder-durch die zeitliche Begrenzung des Strahles aus flüssigem Silizium auf die Unterlage geregelt werden.
Wenn die rotierende Unterlage mit Gas, Wasser oder mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird, so daß ihre Temperatur kleiner als 500 0C bleibt, hat das weggeschleuderte Silizium eine amorphe oder feinkristalline Struktur. Als Material für die rotierende Unterlage, welche mit dem Silizium in Kontakt kommt, lassen sich in diesem Fall Isolatoren wie z. B. SiO2, BeO, Al203, MgO u. a. oder aber auch Metalle wie z. B. Wolfram, Moybdän und Metallverbindungen wie z. B.. Metall-Carbide, -Boride, -Silizide u. a. verwenden.
Es läßt sich jedoch erfindungsgemäß auch einkristallines Silizium als Unterlage verwenden. Bei einem größeren Radius der rotierenden Unterlage lassen sich dann im wesentlichen fugenlos zusammenhängende einkristalline Zonen durch verschachteltes Zusammensetzen aus geometrisch geformten einkristallinen Stücken herstellen.
Wichtig-ist dabei, daß der Bereich der rotierenden Unterlage, der mit dem flüssigen Silizium in Kontakt kommt, aus zusammenhängendem einkristallinem Silizium besteht.
Wenn die Temperatur der rotierenden einkristallinen Silizium-Unterlage und die Temperatur des flüssigen Siliziums so groß sind, daß sich bei der Berührung mit dem flüssigen Silizium eine sehr dünne Schicht der einkristallinen Silizium-Unterlage bis zu ihrem Schmelzpunkt erhitzt; dann wird die tangential fortgeschleuderte Silizium-Folie,.das Silizium-Band oder die Silizium-Platte grobkristallin oder sogar einkristallin.
Besteht die einkristalline Silizium-Unterlage aus dotiertem Silizium mit einem zum flüssigen Silizium entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, dann lassen sich bei entsprechend hohen Temperaturen.von Silizium-Unterlage und flüssigem Silizium als Folge einer Materialabtragung von der Unterlage und als Folge von Diffusion Silizium-Folien, Silizium-Bänder und Silizium-Platten herstellen, die auf einer Seite bereits einen pn-Überqang haben.
Da bei dem Verfahren der Erfindung sowohl die mechanische Bearbeitung zur Herstellung von Platten, Bändern oder Folien entfällt und zumindest bei einer Ausführungsform auch ein nachfolgender Diffusionsprozeß zur Herstellung eines pn-Überganges eingespart werden kann, eignet es sich besonders gut zur Herstellung von Silizium für Solarzellen.
Ausführungsbeispiele Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele für die Herstellung von Folien, Bändern oder Platten aus Silizium beschrieben.
Figur 1 zeigt schematisch das Verfahren und die zugehörige Vorrichtung aus einer gekühlten und um eine vertikale Achse rotierenden Unterlage zur Herstellung von amorphen oder feinkristallinen Folien, Bändern und Platten aus Silizium.
Figur 1a zeigt, die Draufsicht auf die Vorrichtung, während in der Figur ib die zugehörige Seitenansicht dargestellt ist.
Figur 2 zeigt im Querschnitt eine Vorrichtung mit einer beheizten und um eine horizontale Achse rotierende Unterlage zur Herstellung von grobkristallinen und einkristallinen Folien, Bändern und Platten aus Silizium.
Ausführungsbeispiel 1 In Figur 1a und 1b ist 1 beispielsweise eine wassergekühlte Kupfer-Scheibe mit einem Durchmesser von ca.
einem Meter und einer Dicke von eta 10 cm, die um eine vertikale Achse mit einer Umdrehung pro Sekunde rotiert.
Das nicht dargestellte Kühlsystem soll dafür sorgen, daß die Temperatur der Kupfer scheibe unter 500 0C bleibt; zu Beginn des Herstellungsverfahrens befindet sich die Scheibe bei einer Kühlung mit Wasser beispielsweise auf Raustemperatur. Über der Scheibe ist in der Nähe des Randes der horizontal verlaufenden Scheibenoberfläche ein Ofen (3) für das flüssige Silizium angeordnet, der beispielsweise aus Quarz oder pyrolythischem Graphit besteht und unmittelbar über der Scheibenoberfläche eine Austrittsöffnung (4) in Form einer Düse aufweist. Die Austrittsöffnung hat vorzugsweise die Form eines schmalen Schlitzes. Das im Ofen angeordnet flüssige Silizium mit einer Bor-Konzenträtion von beispielsweise 1 ; 1018/cm3 hat eine Temperatur von ca 1500 0C und wird nun unter Druck als gleichmäßig dicker, bandförmiger Strahl auf die rotierende und gekühlte K-upferscheib#-(1) aufgespritzt. Die zugeführte Materialmenge und die Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe werden so aufeinander abgestimmt, daß die erzeugten Siliziumfolien, -bänder oder -pla'#tten eine Stärke von etwa 200 cm aufweisen.
Das flüssige Silizium wird beim Auftreffen auf die Kupferscheibe (1) abgekühlt und in erstarrter Form tangential als Folie, Platte oder Band (5) abgeschleudert. Eine geeignete, nicht dargestellte Auffangvorrichtung nimmt das dünnschichtige, amorphe oder feinkristalline Siliziummaterial auf, das nun noch, um fertige Solarzellen zu erhalten, in bekannter Weise mit einem großflächigen pn-Übergang und entsprechenden Anschlußkontakten versehen werden muß.
Die Vorrichtung nach den Figuren 1a und 1b ist vorzugsweise im Hochvakuum (8)' angeordnet Eine geschlossene und evakuierte Kammer (11) umgibt daher die Gesamtanordnung.
Ausführungsbeispiel 2 Nach Figur 2 ist eine um eine horizontale Achse rotierende Walze (10) mit einem Durchmesser von ca. 50 cm und einer Breite von ca. 20 cm aus Molybdän, Quarz oder pyrolythischem Graphit vorgesehen. Die Mantelfläche dieser Walze ist mit einer etwa 20 Millimeter dicken Auflagefläche aus einkristallinem Silizium (2) belegt, so daß der Gesamtdurchmesser der rotierenden Walz.e.(10, 2) 54 cm beträgt. Das einkristalline und beispielsweise n -leitende Auflagematerial mit einer Phosphor-Dotierung > io20 /cm3 wird aus gezogenem Silizium gewonnen und segmentförmig so auf der Walzenunterlage befestigt, daß eine weitestgehende geschlossene Oberfläche aus Silizium entsteht. Dieses relativ dicke Auflagematerial kann bis zum endgültigen Verbrauch bei der Herstellung von Folien, Bändern oder Platten immer wieder verwendet werden. Die rotierende Walze (10, 2) befindet sich in dem Ofen (6) auf einer Temperatur von ca. 1300 OC. Der -Ofen (6) umschließt die rotierende Walze (10, 2) bis auf einen kleinen Teil ihrer oben liegenden Mantelfläche.
Auf diesen Teil der Mantelfläche strömt aus einem Behälter (3) durch die schlitzförmige Düse (4) flüssiges, ca.
1600-°C heißes Silizium (7) in einem sehr gleichmäßigen, z. B. 20~cm breiten Strahl auf das einkristalline n -Silizium (2) an der Mantelfläche der rotierenden Walze (10, 2). Die Längsausdehnung des Düsenschlitzes verläuft dabei parallel zu der Mantellinie der rotierenden Walze. Die in der Bewegungsrichtung der rotierenden Walze liegende Kante der Düsenöffnung (4) kann, wie in der Figur 2 dargestellt, einen Fortsatz aufweisen, der in geringem, gleichmäßigem Abstand in der Bewegungsrichtung über der Walze verläuft und damit dem ausströmenden flüssigen Silizium zumindest während des ersten Teils des Abkühlungs- und Erstarrungsprozesses eine Führung verleiht, die dafür sorgt, daß ein gleichmäßig dickes Siliziumband (5) entsteht. Auch hier folgt die Abstimmung zwischen zugeführter Siliziummenge und Rotationsgeschwindigkeit so, daß ein Siliziuinband mit einer Stärke von etwa 200 ßm entsteht.
Die Rotationsgeschwindigkeit der Walze (10, 2) liegt beispielsweise bei 5 Umdr./Sek.' Das aufgebrachte flüssige Silizium (7) enthält Bor oder Gallium in einer Menge, die ihm im erstarrten Zustand eine p-Leitfähigkeit mit einem spezifischen Widerstand von beispielsweise 1 flcm verleihen würde. In diesem Fall weist das tangential von der Walze (10, 2) abgeschleuderte, erstarrte oder erstarrende Siiiziumband (5) einen einseitigen pn-Übergang auf.
Dieser pn-Übergang kommt dadurch zustande, daß beim Auftreffen des flüssigen p-dotierten Siliziums (7) auf die einkristalline n+-Silizium-Auflage (2) der Molybdän-, Graphit- oder Quarzwalze (10) eine dünne Schicht des n -Siliziums (2) flüssig wird, sich mit dem flüssigen Silizium (7) verbindet und mit diesem fortgeschleudert wird. Zu der Materialabtragung kommt aufgrund der hohen Temperaturen auch ein Diffusionsprozeß hinzu. Das Silizium-Band (5) wird mit Hilfe einer rotierenden wassergekühlten Trommel (9), welche auf Zimmertemperatur TO.gekühlt ist, aufgefangen. Die gesamte Anordnung befindet sich in einer Schutzgasatmosphäre (8),, beispielsweise aus Stickstoff oder Argon, die in einer geschlossenen Kammer (11) aufrecht erhalten wird. In die Walze (10) kann das Heizsystem auch direkt eingebaut werden.
Bezugsziffern 1 Rotierende Scheibe 2 Einkristalline Silizium-Auflage 3 Behälter für flüssiges Silizium 4 Austrittsdüse für Silizium 5 Band aus Silizium 6 Ofen 7 Flüssiges Silizium 8 Schutzgas-Atmosphäre 9 Auffangvorrichtung 10 Rotierende Walze 11 Geschlossene Kammer

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1) Verfahren zur Herstellung von Folien, Bändern oder Platten aus Silizium, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum flüssiges Silizium in einem gleichmäßigen Strahl auf eine rotierende Unterlage (1) aufgebracht wird, so daß es in Form einer Folie, eines Bandes oder einer Platte in tangentialer Richtung von der rotierenden Unterlage geschleudert wird.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichmäßigkeit des Strahles aus flüssigem Silizium mit Hilfe einer geeignet geformten Düse (4) erzeugt wird.
3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende Unterlage gekühlt wird und eine Temperatur unter 500 0C aufweist.
4) Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über die Rotationsgeschwindigkeit der Unterlage und die auf#gebrachte Silizium-Menge die Dicke der Silizium-Folie, des Silizium-Bandes oder der Silizium-Platte geregelt wird.
5) Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der rotierenden Unterlage, welche von dem flüssigen Silizium getroffen wird, mit einkristallinem Silizium bedeckt wird.
6) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der rotierenden Unterlage aus einkristallinem Silizium vor der Berührung mit dem flüssigen Silizium so groß gewählt wird, daß sie sich beim Auftreffen des flüssigen Siliziums in einer sehr dünnen Schicht bis zum Schmelzpunkt erhitzt, so daß die Silizium-Folie, das Silizium-Band oder die Silizium-Platte grobkristallin oder einkristallin werden.
7) Verfahren nach Anspruch oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als einkristalline Silizium-Unterlage ein Material verwendet wird, das einen anderen Leitfähigkeitscharakter als das aufgebrachte flüssige Silizium aufweist, so daß auf einer Seite der Silizium-Folie, des Silizium-Bandes oder der Silizium-Platte durch Materialabtragung von der Unterlage und durch Diffusion ein pn-Übergang erzeugt wird.
8) Verfahren nach einem der Ansprüche 5 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende Unterlage in einem Ofen auf eine Temperatur erhitzt wird, die unterhalb der Schmelztemperatur der einkristallinen Siliziumauflage liegt.
9) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende Unterlage auf eine Temperatur von ca. 1300 Oe erhitzt wird.
10) Verfahren zur Verwendung der nach einem der vorangehenden Ansprüche hergestellten Silizium-Folien, Silizium-Bänder oder Silizium-Platten zur Erzeugung von Solarzellen.
11) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine drehbar gelagerte Scheibe (1) vorgesehen ist, daß senkrecht oder geneigt zur Scheibenoberfläche in der Nähe des Scheibenrandes eine für den Austritt des flüssigen Siliziums vorgesehene Düse (4) angeordnet ist.
12) Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (1) aus SiO2, BeO, Al203, MgO, Wolfram, Molybdän, Kupfer oder aus Metallcarbiden, Metallboriden oder Metallsiliziden besteht.
13) Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe aus Quarz oder Molybdän oder Graphit besteht und mit einkristallinem Silizium belegt ist.
14) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine drehbar gelagerte Walze (10) mit horizontalem Achsverlauf vorgesehen ist, daß über der Walze eine Düse mit schlitzförmiger Austrittsöffnung (4) angeordnet ist, wobei die Längsausdehnung der Austrittsöffnung parallel zu einer Manteilinie der Walze verläuft.
15) Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze (10) aus Quarz oder Molybdän oder Graphit besteht und mit einkristallinem Silizium (2) beschichtet ist.
16) Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß unter der Walze (10), auf die das flüssige Silizium auftrifft, eine weitere Walze (9) angeordnet ist, die der Aufnahme der Folie, des Bandes oder der Platte (5) aus Silizium dient.
17) Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (1) oder die Walzen (9, 10) in einer Schutzgasatmosphäre oder im Hochvakuum angeordnet sind.
18) Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Scheibe oder die Walzen ein regelbares Kühl- oder Heizsystem eingebaut ist.