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DE69725601T2 - Sphärische halbleiteranordnung, verfahren zu seiner herstellung und sphärisches halbleiteranordnungmaterial - Google Patents

Sphärische halbleiteranordnung, verfahren zu seiner herstellung und sphärisches halbleiteranordnungmaterial Download PDF

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DE69725601T2
DE69725601T2 DE69725601T DE69725601T DE69725601T2 DE 69725601 T2 DE69725601 T2 DE 69725601T2 DE 69725601 T DE69725601 T DE 69725601T DE 69725601 T DE69725601 T DE 69725601T DE 69725601 T2 DE69725601 T2 DE 69725601T2
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spherical
layer
semiconductor
core
thin film
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Josuke Nakata
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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein kugelförmiges Halbleiterbauelement sowie das Herstellverfahren für dieses. Das kugelförmige Halbleiterbauelement kann für verschiedene Anwendungen als Photomikrosolarzelle, Erfassungselement, LED oder als photokatalytisches Element verwendet werden. Das kugelförmige Halbleiterbauelement umfasst eine Halbleiter-Dünnschichtlage auf der Oberfläche eines kleinen kugelförmigen Kerns aus einem Halbleitermaterial, Isoliermaterial oder Metallmaterial und weist mindestens ein Paar Elektroden auf. Die vorliegende Erfindung betrifft auch das Material für ein kugelförmiges Halbleiterbauelement.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Es werden verschiedene Solarzellen, bei welchen ein Halbleiter Sonnenenergie in elektrische Energie verwandelt, verbreitet benutzt. Bei diesen Solarzellen ist das Halbleitersubstrat eben. Die lichtempfangende Fläche sowie der pn-Übergang, der in ihrem Inneren ausgebildet ist, werden ebenso weitgehend als flache Fläche ausgebildet. Die Elektroden als mechanische Stütze werden auf der Substratseite vorgesehen. Dadurch ist die lichtempfangende Fläche auf die Vorderfläche beschränkt und die photoelektrische Umwandlung von der Rückseite ist nicht möglich. Wenn der Einfallwinkel des Lichts größer wird, nimmt zudem die Lichtreflexion zu und der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad ist verringert.
  • Der Halbleiter-Photokatalysator erzeugt eine Photospannung, wenn er Sonnenlicht empfängt, und verursacht durch diese Photospannung eine elektrochemische Reaktion. Metalloxid-Halbleiter wie Titandioxid (TiO2), Strontiumtitanat (SrTiO3) und dergleichen werden als Halbleiter-Photokatalysator verwendet. Photokatalysatoren, bei denen ein Metall wie Platin oder dergleichen auf einem Metalloxidhalbleiter-Pulver aufgebracht ist, wurden untersucht. Es wurden auch Elektroden untersucht, die durch eine dünne Schicht aus Titandioxid an einer Seite einer Titanplatte ausgebildet sind. Da Metalloxid-Halbleiter wie Titandioxid und dergleichen eine große Energiebandlücke aufweisen, ist Wasserelektrolyse möglich, und sie lösen sich nicht in einer elektrolytischen Lösung auf. Titandioxid fungiert aber nicht als Photokatalysator, wenn das Lichtspektrum eine Wellenlänge von etwa 410 nm oder mehr aufweist. Dadurch ist der Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung bezüglich Sonnenlicht gering.
  • In US Patent Nr. 4,021,323 wird eine Technologie beschrieben, bei der kleine Mengen geschmolzener Siliziumschmelze aus einer kleinen Düse, die an dem oberen Ende eines sogenannten Shot Tower angebracht ist, gesprüht werden; Siliziumschmelze darf frei fallen und es werden kugelförmige Siliziumkristalle erzeugt. Bei dieser Technologie können aber Verunreinigungen von der Düse in das geschmolzene Silizium aufgelöst werden. Da es ferner zu einer Volumenzunahme kommt, wenn das geschmolzene Silizium fest wird und da das Festwerden an der Oberfläche beginnt, ragt der Teil, der zuletzt fest wird, zur Fläche des kugelförmigen Kristalls hin und es wird ein hervorstehender Bereich gebildet. Ein wirklich kugelförmiger Kristall kann nicht gebildet werden. Mit der experimentellen Fallrohr-Vorrichtung der NASA kann jedoch das Material ohne Schmelztiegel und freien Fall schmelzen, da diese Vorrichtung mit einer elektromagnetischen Schwebeerhitzungsanlage ausgerüstet ist.
  • Bei diesem US-Patent ist ein pn-Übergang, welcher eine photoelektrische Umwandlung durchführen kann, an dem kugelförmigen Kristall aus Silizium ausgebildet. Es wird auch eine Solarzellenanordnung offenbart, bei der mehrere dieser kugelförmigen Kristalle (Mikrophotozellen) aufgereiht und mit einer gemeinsamen Metallelektrodenschicht verbunden sind. Es wird ferner eine photochemische Energieumwandlungsvorrichtung offenbart, bei welcher diese Solarzellenanordnungen in Elektrolytlösung eingetaucht sind; und die Elektrolyse einer Lösung aus Jodwasserstoffsäure und Bromwasserstoffsäure läuft durch die Photospannung ab, die durch die photoelektrische Umwandlung von Sonnenlicht geliefert wird.
  • Da jedoch jeder der kugelförmigen Kristalle an der Metallelektrodenschicht angebracht ist, welche die gemeinsame Elektrode ist, kann einfallendes Licht nur von der Vorderflächenseite empfangen werden. Da mehrere Mikrophotozellen sich die Metallelektrodenschicht teilen, kann nicht jede einzelne Mikrophotozelle als unabhängiges Solarzellenelement eingesetzt werden. Dadurch können die Mikrophotozellen nicht in der Elektrolytlösung dispergiert werden, ihre Einbaupositionen können nicht geändert werden und sie können auch nicht wiederaufbereitet und wiederverwendet bzw. gewaschen werden. Die Beschränkungen bei ihrer Anwendung als Halbleiter-Photokatalysator sind äußerst groß. Ferner findet sich in diesem US-Patent keine Offenbarung bezüglich der Verwendung von Halbleitern mit photokatalytischer Funktion als Elektroden für die Mikrophotozellen und auch keine Offenbarung bezüglich der Verwendung von Halbleitern, die eine photokatalytische Funktion aufweisen und die unter Berücksichtigung der Reaktionsaktivität bzw. Reaktionsselektivität gewählt werden. Auf dem Gebiet dieses US-Patents hat nicht jede der oben beschriebenen Mikrophotozellen ihr eigenes Paar Elektroden. Ein einzelnes bzw. mehrere kugelförmige Halbleiterelemente mit einem pn-Übergang können nicht so in ein Halbleiterbauelement integriert werden, dass sie unabhängige Zellen oder Elemente sind. Da die Art der elektrischen Verbindung der mehreren kugelförmigen Halbleiterelemente fest ist, fehlt ihr universelle Eignung und sie ist nicht praktisch.
  • JP-U-3-8455 offenbart ein Bauelement, auf welchem der Oberbegriff von Anspruch 1 beruht.
  • JP-A-61220482 offenbart eine Photodiode mit einem Metallelektrodenkern und einer photoleitenden Schicht aus einem Halbleiter wie Si auf der Oberfläche der kugelförmigen Elektrode mit Ausnahme eines verlängerten Teils eines Außenanschlusses. Eine weitere Elektrode in Kontakt mit der photoleitenden Schicht ist koaxial zum Außenanschluss vorgesehen.
  • US 5,498,576 offenbart ein verbessertes Verfahren zur Anbringung von Kugeln an einer Folienmatrix. Zuerst wird ein Zellensandwich erzeugt. Dieses Zellensandwich umfasst an einer Folienmatrix angebrachte Kugeln, welche zwischen oberen und unteren Drucktöpfen angeordnet sind. Das Zellensandwich wird dann erhitzt (z. B. auf etwa 530°C). Die Kugeln werden dann durch Führen des Zellsandwiches durch eine Rollenpresse, welche das erwärmte Zellensandwich komprimiert, an der Folienmatrix angebracht.
  • US 3,350,775 offenbart ein Bauelement mit einem teils kugelförmigen Körper aus Halbleitermaterial einer ersten Leitfähigkeitsart, welcher darin einen Bereich einer zweiten Leitfähigkeitsart ausgebildet aufweist. Dieser Bereich erstreckt sich über die obere Halbkugel des Körpers. Ein ohmscher Kontakt in Form eines ringförmigen Rings sowie mehrere Gitterstreifen sind an dem Bereich ausgebildet.
  • In einer früheren internationalen Patentanmeldung (PCT/JP 96/02948) schlugen die jetzigen Erfinder ein neues kugelförmiges Halbleiterbauelement vor, welches unterschiedlich als Lichterfassungselement (photoelektrisches Umwandlungselement), lichtemittierendes Element (Elektrophotoumwandlungselement) oder photokatalytisches Element verwendet werden kann. Dieses kugelförmige Halbleiterbauelement ist im Grunde ein kugelförmiger Halbleiterkristall mit einem pn-Übergang (oder einer MIS-Konfiguration, Schottky-Sperrschicht) und einem Paar Elektroden. Für das photokatalytische Bauelement wird auf einer Elektrode eine Elektrodenbeschichtung aus Oxidhalbleiter ausgebildet, welche eine photokatalytische Funktion hat. In der früheren internationalen Patentanmeldung werden folgende Bauelemente vorgeschlagen: ein Bauelement, bei dem das kugelförmige Halbleiterbauelement allein verwendet wird; ein Bauelement, bei dem mehrere kugelförmige Halbleiterbauelemente in Reihe verbunden sind; ein Bauelement, bei dem mehrere kugelförmige Halbleiterbauelemente in eine Matrix gegeben werden, ein Elektrolysebauelement, bei dem mehrere kugelförmige Halbleiterbauelemente in einer Elektrolytlösung verteilt sind.
  • In der vorliegenden Erfindung schlagen wir ein kugelförmiges Halbleiterbauelement und das Herstellverfahren für dieses vor, wobei das in der früheren Patentanmeldung vorgeschlagene kugelförmige Halbleiterbauelement verbessert wird.
  • Die zugrundeliegende Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen einer neuen Konstruktion für ein kugelförmiges Halbleiterbauelement und ein Herstellverfahren für dieses, welches unterschiedlich als lichtempfangendes Element, lichtemittierendes Element oder photokatalytisches Element verwendet werden kann. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein kugelförmiges Halbleiterbauelement zur Hand zu geben, welches sich für die Herstellung einer Solarzelle eignet, die ausgezeichnete Leistung und große Haltbarkeit aufweist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung dieses Bauelements mit einer möglichst geringen Menge an Halbleitermaterial. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der mechanischen Festigkeit und chemischen Stabilität der Oberfläche dieses Bauelements sowie die Herstellung einer wenig leicht zu verunreinigenden Oberfläche. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Steigerung der abgegebenen Leistung, des photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrads, der universellen Einsetzbarkeit und der Praktikabilität.
  • Die vorliegende Erfindung ist ein kugelförmiges Halbleiterbauelement, welches umfasst:
    • – einen kugelförmigen Kern;
    • – eine Halbleiter-Schichtlage, welche an der Oberfläche des Kerns oder nahe der Außenseite des Kerns in etwa kugelförmig ausgebildet ist;
    • – mindestens einen an der Halbleiter-Dünnschichtlage ausgebildeten pn-Übergang;
    • – ein Paar Elektroden, wobei eine Elektrode an jeder Seite des pn-Übergangs angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden kreisförmig sind und an gegenüberliegenden Seiten des Bauelements so ausgebildet sind, dass eine Achse des kugelförmigen Kerns durch beiden Elektroden verläuft und dass mehrere der kugelförmigen Halbleiterbauelemente in Reihe ausgerichtet werden können und die Elektroden zusammen in Reihe geschaltet werden können.
  • Der Kern ist aus einem Halbleitermaterial wie Silizium oder dergleichen oder einem Isoliermaterial oder einem Metallmaterial hergestellt. Das für den Kern verwendete Halbleitermaterial kann ein Halbleiter geringerer Qualität als der Halbleiter sein, der die Halbleiterdünnschicht bildet, und kann ein metallurgisches Silizium sein. Das für den Kern verwendete Metallmaterial ist vorzugsweise ein Metallmaterial, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Halbleiter-Dünnschichtlage aufweist. Das für den Kern verwendete Isoliermaterial ist vorzugsweise ein Isoliermaterial (vorzugsweise transparent) mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Halbleiter-Dünnschichtlage. Da der Kern nicht aus hochwertigem Halbleitermaterial gefertigt werden muss, wird die Verbrauchsmenge des hochwertigen Halbleitermaterials verringert und die Materialkosten können stark gesenkt werden. Dies ist bei der Herstellung von Vorteil.
  • Die dünne Halbleiter-Schichtlage kann aus Si oder SiGe-legiertem Kristallhalbleiter oder einem Halbleiter der Stoffgruppe III–V, z. B. GaAs oder InP oder dergleichen, oder einem Chalkopearlit-Halbleiter wie CuInSe2 hergestellt werden. Wenn der pn-Übergang eine photoelektrische Umwandlungsfunktion hat, bei der von außen kommendes einfallendes Licht absorbiert und Photospannung erzeugt wird, kann das Halbleiterbauelement eine Solarzelle oder ein Lichterfassungselement sein. Weiterhin kann das Halbleiterbauelement ein lichtemittierendes Element sein, wenn der pn-Übergang eine Elektrophoto-Umwandlungsfunktion hat, bei der ein von einem Paar Außenelektroden zugeführter elektrischer Strom in Licht umgewandelt und nach außen emittiert wird.
  • Ein einzelnes kugelförmiges Halbleiterbauelement kann ein Lichterfassungselement oder ein lichtemittierendes Element sein. Wenn mehrere kugelförmige Halbleiterbauelemente in Reihe verbunden sind, ergibt dies ein gruppiertes Lichterfassungsbauelement bzw. lichtemittierendes Bauelement. Wenn mehrere kugelförmige Halbleiterbauelemente in einer Matrix gruppiert sind, ergibt dies ein plattenförmiges Lichterfassungsbauelement bzw. lichtemittierendes Bauelement. Durch Verwendung eines plattenförmigen farbemittierenden Bauelements, bei dem mehrere rotlichtemittierende Elemente, grünlichtemittierende Elemente und blaulichtemittierende Elemente in einer Matrix angeordnet sind, kann zum Beispiel eine Farbanzeige hergestellt werden.
  • Bei diesem kugelförmigen Halbleiterbauelement kann mit Ausnahme des Elektrodenpaars Licht von allen Richtungen auf der kugelförmigen Fläche empfangen werden und es kann Licht von allen Richtungen auf der kugelförmigen Fläche emittiert werden. Bei Verwendung des kugelförmigen Halbleiterbauelements als Solarzellenplatte nimmt selbst bei Änderung des Einfallswinkels von Sonnenlicht die Reflexionsrate nicht zu und dadurch wird der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad verbessert. Diese Solarzellenplatte kann auch als Fensterglas dienen, da ein Teil des Lichts auch durchgelassen wird.
  • Kugelförmige Halbleiterbauelemente, die eine photoelektrische Umwandlungsfunktion aufweisen, bei der eine Beschichtung (zum Beispiel eine Beschichtung aus Titandioxid), die eine photokatalytische Funktion hat, zumindest die Oberfläche einer der Elektroden bedeckt, können ein partikuläres photokatalytisches Element sein. Dieses photokatalytische Element kann bei der Elektrolyse verschiedener Elektrolytlösungen mittels Lichtenergie genutzt werden. In diesem Fall können mehrere photokatalytische Elemente in den Boden einer Elektrolytlösungskammer gestreut gegeben werden und werden mit Licht beschienen. Abhängig von dem elektrolytischen Potential können mehrere der photokatalytischen Elemente gleichzeitig in Reihe verbunden werden, um die erforderliche Photospannung zu erzeugen.
  • Zur Verbesserung der Leistung der oben beschriebenen kugelförmigen Halbleiterbauelemente können auch die folgenden Konstruktionen hinzugefügt werden.
  • Bei dem kugelförmigen Halbleiter als Lichterfassungselement eine Passivierungsschicht, welche Träger einschließt, ist an mindestens einer Oberfläche entweder der Innenfläche oder der Außenfläche der Halbleiter-Dünnschichtlage ausgebildet, wo Photospannung erzeugt wird. Dies führt zu einer Zunahme der Photospannung. Eine reflektierende Oberfläche, welche geringfügige Unregelmäßigkeiten aufweist, kann auf der Innenseite der Halbleiter-Dünnschichtlage angeordnet werden und entweder auf der Oberfläche oder nahe der Außenseite des Kerns angeordnet werden. Durchgelassenes Licht, welches die Halbleiter-Dünnschichtlage durchläuft, oder abgestrahltes Licht, welches von der Halbleiter-Dünnschichtlage erzeugt wird, wird von der reflektierenden Oberfläche reflektiert. Dies ergibt einen gesteigerten Lichtempfangswirkungsgrad bzw. Lichtemissionswirkungsgrad. Mit Ausnahme der Fläche des Elektrodenpaars kann eine transparente Isolierschicht auf der äußersten Fläche gebildet werden. Diese transparente Isolierschicht dient auch als Antireflexschicht, welche die Reflexion von Außenlicht verhindert. Wenn eine Schicht aus Titandioxid, die eine photokatalytische Funktion aufweist, als Isolier-/Antireflexschicht ausgebildet ist, wird nicht nur die mechanische Festigkeit und die chemische Stabilität der Außenfläche des kugelförmigen Halbleiterbauelements verbessert, sondern auch eine Verunreinigung erschwert. Substanzen, die an der Außenfläche des kugelförmigen Halbleiterbauelements anhaften, werden durch die photokatalytische Wirkung des Titandioxid elektrolysiert und dadurch lässt sich eine Oberflächenverunreinigung einfacher verhindern. Die Leistungsverringerung des kugelförmigen Halbleiterbauelements aufgrund von Verunreinigung der Außenfläche wird praktisch eliminiert.
  • Gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführung wird ein Verfahren zur Herstellung eines kugelförmigen Halbleiterbauelements zur Hand gegeben, welches umfasst:
    • – einen ersten Schritt, bei dem ein kugelförmiger Kern unter Verwendung von Kernmaterial eines aus der Gruppe bestehend aus Halbleitermaterialien, Isolierstoffen oder Metallmaterialien gewählten Materials hergestellt wird;
    • – einen zweiten Schritt, bei dem eine Halbleiter-Dünnschichtlage, welche in etwa kugelförmig ist, an der Oberfläche des Kerns oder nahe seiner Außenseite ausgebildet wird;
    • – einen dritten Schritt, bei dem mindestens ein pn-Übergang in der Halbleiter- Dünnschichtlage ausgebildet wird;
    • – einen vierten Schritt, bei dem ein Paar Elektroden ausgebildet wird, wobei eine Elektrode an jeder Seite des pn-Übergangs angeschlossen wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die Elektroden kreisförmig sind und an gegenüberliegenden Seiten des Bauelements so ausgebildet sind, dass eine Achse des kugelförmigen Kerns durch beiden Elektroden verläuft und dass mehrere der kugelförmigen Halbleiterbauelemente in Reihe ausgerichtet werden können und die Elektroden zusammen in Reihe geschaltet werden können.
  • Beim ersten Schritt kann das Kernmaterial erhitzt und geschmolzen werden, während es durch ein Schwebemittel schwebend gehalten wird. Diese Schmelze lässt man in einem Fallrohr fallen und lässt sie fest werden, so dass sie ein kugelförmiger Kern wird. In dieser Situation wird das Mischen von Verunreinigungen verhindert und es kann ein wirklich kugelförmiger Kern erzeugt werden, indem man das Material fest werden lässt, während es eine wirklich kugelförmige Form aufgrund der Wirkung der Oberflächenspannung bei Fehlen des Einflusses der Schwerkraft wahrt. Der Kern kann aber auch durch Polieren oder Ätzen des Kernmaterials durch mechanische, chemische oder elektrische Mittel kugelförmig gestaltet werden.
  • Anschließend kann nach Ausbildung der Halbleiter-Dünnschichtlage, des pn-Übergangs, des Elektrodenpaars und dergleichen an dem Kern ein kugelförmiges Halbleiterbauelement erzeugt werden, das wirklich kugelförmig ist. Wenn der Kern eine wirkliche Kugelform hat, verleiht dies der Halbleiter-Dünnschichtlage eine kugelförmige Symmetrie und die Leistung der Halbleiter-Dünnschichtlage und des pn-Übergangs kann verbessert werden.
  • Beim zweiten Schritt ist bevorzugt, dass mindestens ein Teil der Bearbeitung für die Bildung der Halbleiter-Dünnschichtlage durchgeführt wird, während das Bearbeitungsobjekt, das den Kern umfasst, durch ein elektromagnetisches Schwebemittel oder ein Schwebemittel statischer Elektrizität schwebend gehalten wird. In dieser Situation kann eine gleichförmige Halbleiter-Dünnschichtlage gebildet werden.
  • Nach dem zweiten Schritt und vor dem dritten Schritt kann beim kleinen kugelförmigen Körper, welcher den Kern und die Halbleiter-Dünnschichtlage umfasst, der Schritt des Erhitzens und Fallenlassens wiederholt werden. Dies beinhaltet Erhitzen und Schmelzen mittels eines elektromagnetischen Schwebeerhitzungsmittels und Fallenlassen der Schmelze in einem Fallrohr. In dieser Situation kann die Halbleiter-Dünnschichtlage zu einem Monokristall oder Polykristall kristallisiert werden. In dem ersten Schritt wird ein Kernmaterial aus einem Monokristall eines Halbleiters oder Saphir oder dergleichen verwendet. Bei dem oben beschriebenen Schritt des Wiedererhitzens und Fallenlassens kann die Halbleiter-Dünnschichtlage mit Hilfe des Kerns als Keim für Kristallwachstums monokristallisiert werden.
  • Nach dem zweiten Schritt und vor dem dritten Schritt kann ein Beschichtungsausbildungsschritt und eine Wiederholung der Erhitzungs- und Fallenlassschritte durchgeführt werden. Der Beschichtungsausbildungsschritt bildet eine anorganische, wärmebeständige, isolierende Beschichtung auf der Oberfläche der Halbleiter-Dünnschichtlage. Bei den Wiedererhitzungs- und Fallenlassschritten wird der kleine kugelförmige Körper, der den Kern und die Halbleiter-Dünnschichtlage umfasst, durch ein elektromagnetisches Schwebeerhitzungsmittel erhitzt und geschmolzen und die geschmolzene Halbleiter-Dünnschicht darf fest werden, während sie in einem Fallrohr fällt. In diesem Fall wird das Mischen von Verunreinigungen in die Halbleiter-Dünnschichtlage verhindert und es werden auch Unregelmäßigkeiten der Dicke des Halbleiters verhindert, da die Halbleiter-Dünnschichtlage mit einer anorganischen, wärmebeständigen Beschichtung bedeckt ist, wenn sie erhitzt und geschmolzen wird und dann fest wird.
  • Nach dem dritten Schritt und vor dem vierten Schritt kann ein Isolierschichtbildungsschritt durchgeführt werden. Bei diesem Schritt wird eine Isolierschicht aus Titandioxid so gebildet, dass sie an der äußersten Oberfläche des kugelförmigen Halbleiterbauelements ausgebildet ist. In dieser Situation kann eine Isolierschicht aus Titandioxid, welche eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit und chemische Stabilität aufweist und eine photokatalytische Funktion hat, an der äußersten Oberfläche des kugelförmigen Halbleiterbauelements gebildet werden.
  • Weiterhin kann die gesamte bzw. ein Teil der Bearbeitung nach der Halbleiter-Dünnschichtbildung, einschließlich pn-Übergang-Ausbildung, Elektrodenbildung, Oberflächenschutzschichtbildung und dergleichen, durchgeführt werden, während das Objekt durch ein elektromagnetisches Schwebemittel oder ein Schwebemittel statischer Elektrizität schwebend gehalten wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Bezüglich der 1–13 werden Figuren zur Ausführung 1 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bezüglich 1 wird ein Querschnitt eines kugelförmigen Körpers gezeigt, welche eine reflektierende Schicht auf einem kugelförmigen Kern aufweist. Bezüglich 2 wird ein Querschnitt eines kugelförmigen Körpers gezeigt, welcher der kugelförmige Körper von 1 mit Öffnungen in der reflektierenden Schicht ist. Bezüglich 3 wird ein Querschnitt eines kugelförmigen Körpers gezeigt, welcher der kugelförmige Körper von 2 mit einer polykristallinen n-leitenden Silizium-Dünnschicht ist, die auf seiner Oberfläche ausgebildet ist. Bezüglich 4 wird ein Querschnitt des kugelförmigen Körpers von 3 mit einer Siliziumdioxidschicht auf seiner Oberfläche gezeigt. Bezüglich 5 wird ein Querschnitt des kugelförmigen Körpers von 4 gezeigt, bei welchem die p-leitende Polykristallsilizium-Dünnschicht in eine p-leitende Umkristallisierungssiliziumschichtumgewandelt ist. Bezüglich 6 wird ein Querschnitt eines kugelförmigen Körpers von 5 gezeigt, bei welchem ein Teil des kugelförmigen Körpers maskiert ist und eine n+ Diffusionsschicht auf dem kugelförmigen Körper ausgebildet ist. Unter Bezug auf 6 wird ein Querschnitt eines kugelförmigen Körpers von 6 gezeigt, bei welchem eine Passivierungsschicht auf dessen Oberfläche ausgebildet ist. Bezüglich 8 wird ein Querschnitt eines kugelförmigen Körpers von 7 gezeigt, bei welchem eine Oberflächenschutzschicht auf dem kugelförmigen Körper ausgebildet ist. Bezüglich 9 wird ein Querschnitt des kugelförmigen Körpers von 8 gezeigt, bei welchem Öffnungen für Elektroden auf dem kugelförmigen Körper ausgebildet sind.
  • Bezüglich 10 wird ein Querschnitt einer kugelförmigen Solarzelle gezeigt. Bezüglich 11 wird ein vergrößerter Teilquerschnitt der kugelförmigen Solarzelle von 10 gezeigt. Bezüglich 12 wird ein Blockdiagramm einer Herstellvorrichtung für ein kugelförmiges Kristall gezeigt. Bezüglich 13(a) wird die Temperaturverteilung der Schmelze unmittelbar nach dem Schmelzen gezeigt. Bezüglich 13(b) wird die Temperaturverteilung der Schmelze nach Einleiten des Fallenlassens gezeigt. Bezüglich 13(c) wird die Temperaturverteilung der Schmelze unmittelbar nach dem Erhitzen mit einer Infraroterhitzungsvorrichtung gezeigt. Bezüglich 13(d) wird die Temperaturverteilung der Schmelze unmittelbar vor Einleiten des Festwerdenlassens gezeigt. Bezüglich 14 wird ein Querschnitt einer kugelförmigen Solarzelle der Ausführung 2 gezeigt. Bezüglich 15 wird ein Querschnitt einer kugelförmigen Solarzelle der Ausführung 3 gezeigt. Bezüglich 16 wird ein Querschnitt eines kugelförmigen photokatalytischen Elements der Ausführung 4 gezeigt. Bezüglich 17 wird ein Querschnitt eines kugelförmigen photokatalytischen Elements der Ausführung 5 gezeigt. Bezüglich 18 wird ein Querschnitt einer kugelförmigen lichtemittierenden Diodenzelle der Ausführung 6 gezeigt. Bezüglich 19 wird ein Querschnitt eines lichtemittierenden Bauelements gezeigt, das eine eingebaute kugelförmige lichtemittierende Diodenzelle von 18 aufweist. Bezüglich 20 wird ein Querschnitt eines kugelförmigen Haltleiterbauelementmaterials der Ausführung 7 gezeigt. Bezüglich 21 wird ein Querschnitt eines kugelförmigen Halbleiterbauelementmaterials der Ausführung 8 gezeigt.
  • BESTE ARTEN DER UMSETZUNG DER ERFINDUNG
  • Unter Bezug auf die Figuren werden die besten Arten der Umsetzung der vorliegenden Erfindungen beschrieben.
  • Ausführung 1 (siehe 1–13)
  • Unter Bezug auf die 1–10 wird das Verfahren für die Herstellung des kugelförmigen Halbleiterbauelements, der kugelförmigen Solarzelle SS und dessen Konstruktion beschrieben.
  • Unter Bezug auf 1 werden bei dem ersten Schritt ein kugelförmiger Kern 1 aus metallurgischem Silizium und eine reflektierende Schicht 2 auf dessen Oberfläche gebildet. Als Kernmaterial des Kerns 1 wird metallurgisches Silizium (ein polykristallines Silizium mit einer Reinheit von 99%) verwendet. Metallurgisches Silizium ist erheblich preisgünstiger und erfordert bei der Herstellung weniger Energie als Silizium von Halbleitergüte, welches extremes Reinigen durch chemisches Reinigen erfordert.
  • Der Durchmesser von Kern 1 kann abhängig von der Verwendung der kugelförmigen Solarzelle SS gewählt werden. Der Durchmesser von Kern 1 beträgt in der vorliegenden Ausführung etwa 2,5 mm. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf diesen Durchmesser beschränkt und kann einen größeren oder kleinen Durchmesser aufweisen. Bei der Herstellung des kugelförmigen Kerns 1 wird ein kleiner Partikel des Kernmaterials geschmolzen, während er schwebend gehalten wird. Er darf unter Mikrogravitationsbedingungen durch freien Fall im Vakuum fest werden. Durch dieses Verfahren werden Verunreinigungen aus dem Behälter nicht gemischt und ein kugelförmiger Kristallkern 1 kann mühelos erzeugt werden. Zum Beispiel wird im oberen Teil eines Vakuumfallrohrs ein Partikel des Kernmaterials aus metallurgischem Silizium erhitzt, während er durch eine hochfrequente elektromagnetische Schwebeerhitzungsanlage schwebend gehalten wird. Der Partikel wird zu einem flüssigen Tröpfchen aus Silizium geschmolzen. Die Hebekraft wird aufgehoben und das Tröpfchen darf in dem Fallrohr frei fallen, wobei das Siliziumtröpfchen aufgrund der Wirkung der Oberflächenspannung unter Mikrogravitationsbedingungen kugelförmig wird und fest wird. In dieser Situation verdampft ein Teil der Verunreinigungen in dem Kernmaterial im Vakuum und die Reinheit des Silizium wird verbessert. Der Materialverlust ist verglichen mit der Herstellung einer Kugel durch mechanisches Polieren geringer. Unter Bezug auf die 12, 13 wird später ein Beispiel einer Herstellvorrichtung für einen kugelförmigen Kristall beschrieben, welche die hochfrequente elektromagnetische Schwebeerhitzungsanlage und das Fallrohr umfasst.
  • Bezüglich Kern 1 des fest gewordenen metallurgischen Siliziums neigen die Verunreinigungen aufgrund einer Trennungsneigung zu einem Ansammeln an dessen Oberfläche. Die Verunreinigungen werden durch Ätzen der Oberfläche des Kerns 1 um 1–3 Mikrometer mit einer wässrigen Lösung aus Kaliumhydroxid (KOH) entfernt. Durch weiteres reaktives Ionenätzen werden winzige Unregelmäßigkeiten mit Erhebungsunterschiedenen von etwa 1 Mikrometer auf der Oberfläche von Kern 1 gebildet. Die reflektierende Schicht 2 wird auf der Oberfläche dieser Unregelmäßigkeiten ausgebildet. Eine reflektierende Oberfläche 2a (siehe 11) mit winzigen Unregelmäßigkeiten wird auf der Oberfläche der reflektierenden Schicht 2 ausgebildet. Da die kleinen Unregelmäßigkeiten am Kern 1 und die reflektierende Schicht 2 nicht dargestellt werden können, unterbleiben sie in der Zeichnung. Die reflektierende Schicht 2 umfasst 2 Beschichtungen. Bei Ausbildung der reflektierenden Schicht 2 wird eine Siliziumdioxidschicht (SiO2) mit einer Dicke von 0,3–0,4 Mikrometer auf der Oberfläche von Kern 1 gebildet. Als Nächstes wird eine Siliziumnitridschicht (Si3N4) mit einer Dicke von 0,25–0,35 Mikrometer auf der Oberfläche der Siliziumdioxidschicht gebildet. Diese Beschichtungen können durch verschiedene bekannte Verfahren gebildet werden. Sie können zum Beispiel durch das Niedrigdruck-CVD-Verfahren gebildet werden. Die diese zwei isolierenden Beschichtungen umfassende reflektierende Schicht 2 reflektiert und streut einfallendes Licht. Sie verhindert auch, dass im Kern 1 enthaltene Verunreinigungen diffundieren und mit dem Silizium hoher Reinheit der Halbleiter-Dünnschichtlage vermischt werden, die oben auf der reflektierenden Schicht 2 ausgebildet ist. Die winzigen Unregelmäßigkeiten der reflektierenden Fläche 2a auf der Oberfläche der reflektierenden Schicht 2 dienen zur Reflexion und Streuung des einfallenden Lichts.
  • Als Nächstes werden unter Bezug auf 2 im zweiten Schritt die Öffnungen 3a, 3b eines Durchmessers von etwa 100 Mikrometer durch Ätzen auf der reflektierenden Schicht 2 gebildet. Sie werden an zwei Stellen, die zur Mitte des Kerns 1 symmetrisch sind, gebildet. Ein Teil des Kerns 1 wird freigelegt.
  • Als Nächstes wird unter Bezug auf 3 im dritten Schritt eine polykristalline p-leitende Siliziumdünnschicht 4 von einer ungefähren Dicke von 10 Mikrometer über der gesamten Oberfläche des kugelförmigen Körpers, der Kern 1 und die reflektierende Schicht 2 umfasst, gebildet. Eine Siliziumdünnschicht 4 hoher Reinheit ist eine elektrische Energie erzeugende Schicht. Die Schicht kann zum Beispiel durch das bekannte Niedrigdruck-CVD-Verfahren gebildet werden. Die Dünnschicht 4 kann durch thermische Zersetzung von Monosilan (SiH4) gebildet werden.
  • Als Nächstes kann unter Bezug auf 4 im vierten Schritt eine Siliziumdioxidschicht 5 (SiO2-Schicht) mit einer ungefähren Dicke von 0,5 Mikrometer über der gesamten Oberfläche der polykristallinen p-leitenden Siliziumdünnschicht 4 gebildet werden. Sie kann zum Beispiel durch das Niedrigdruck-CVD-Verfahren gebildet werden. Die gesamte Oberfläche der p-leitenden polykristallinen Dünnschicht 4 wird bedeckt.
  • Als Nächstes wird unter Bezug auf 5 im fünften Schritt zur Umformung der polykristallinen p-Dünnschicht 4 in einen Polykristall oder einen Monokristall mit einer größeren Kristallkorngröße die polykristalline p-Dünnschicht 4 erhitzt und geschmolzen. Unter Verwendung von Kern 1 als Keim wird sie in eine polykristalline oder monokristalline umkristallisierte p-leitende Siliziumschicht 4a umkristallisiert.
  • Als Verfahren für die Umkristallisierung wird eine Herstellungsvorrichtung für einen kugelförmigen Kristall ähnlich der zur Herstellung des kugelförmigen Kerns 1 verwendet. Während der kugelförmige Körper (Probe) in Vakuum schwebend gehalten wird, wird eine polykristalline p-leitende Siliziumdünnschicht 4 schnell erhitzt. Die äußere Oberfläche der polykristallinen p-leitenden Siliziumdünnschicht 4 wird sehr schnell geschmolzen. Die Schmelze wird umkristallisiert. Bei diesem Verfahren fungiert die reflektierende Schicht 2 als isolierende Schicht. Hochfrequenzinduzierter Strom fließt problemlos durch die polykristalline p-leitende Siliziumdünnschicht 4 und die Siliziumdünnschicht 4 wird schnell geschmolzen. Das Festwerden der polykristallinen Siliziumdünnschicht 4 beginnt an den Öffnungen 3a, 3b, wo sie in Kontakt mit dem Kern 1 steht, der einen besseren Wärmefluss und eine schnellere Temperaturabnahme gegenüber der Oberfläche der reflektierenden Schicht 2 aufweist, welche eine niedrige Wärmeleitungsgeschwindigkeit hat. Der Siliziumkern 1 der Öffnungen 3a, 3b dient als Keim für das Kristallwachstum. Ein großkörniger Polykristall oder Monokristall der p-leitenden Umkristallisierungssiliziumschicht 4a wächst in alle Richtungen entlang der Oberfläche der Kugel. Die Siliziumdioxidschicht 5, welche die Abdeckung ist, verhindert Unregelmäßigkeiten in der Dicke der p-leitenden Umkristallisierungssiliziumschicht 4a. Die Siliziumdioxidschicht 5 verhindert auch Reaktionen mit der Außenseite und verhindert das Verdampfen von dotierten Verunreinigungen nach außen.
  • Als Nächstes wird im sechsten Schritt nach Entfernen der Siliziumdioxidschicht 5 von der Oberfläche des kugelförmigen Körpers durch Ätzen eine Siliziumdioxidschicht 6 (SiO2-Schicht) von einer ungefähren Dicke von 0,5 Mikrometer wieder durch die bekannten Verfahren thermisches Oxidationsverfahren oder Niedrigdruck-CVD-Verfahren gebildet. Unter Bezug auf 6 wird zur Bildung eines pn-Übergangs an dem festgelegten Oberflächenteil einer p-leitenden Umkristallisierungssiliziumschicht 4a ein großer Teil der Siliziumdioxidschicht 6 geätzt und entfernt. Nur der Teil der Siliziumdioxidschicht 6, welcher durch die Diffusionsmaske 6a, etwa 500 Mikrometer Durchmesser, maskiert ist, verbleibt.
  • Als Nächstes wird im siebten Schritt mit Ausnahme des durch die Diffusionsmaske 6a maskieren Bereichs Phosphor als n-Verunreinigung in der p-leitenden Umkristallisierungssiliziumschicht 4a durch ein thermisches Diffusionsverfahren diffundiert. Bezüglich 6 wird mit Ausnahme der durch Diffusionsmaske 6a bedeckten Fläche durch die Diffusion von Phosphor eine n+ Diffusionsschicht 7 von einer Tiefe von 0,3 bis 0,5 Mikrometer auf der p-leitenden Umkristallisierungsiliziumschicht 4a gebildet. Es wird ein ungefähr kugelförmiger n + p Übergang 8 an der Grenzfläche zur p-leitenden Umkristallisierungssiliziumschicht 4a gebildet. Der n + p Übergang 8 ist für die Erzeugung von Photospannung erforderlich.
  • Als Nächstes werden beim achten Schritt die Siliziumdioxidschicht (SiO2), welche bei Durchführen des Phosphor-Diffusionsprozesses gebildet wird, sowie die Diffusionsmaske 6a durch Ätzen vollständig entfernt. Unter Bezug auf 7 wird eine Passivierungsschicht 9 aus einer Siliziumsdioxidschicht mit einer ungefähren Dicke von 0,2 Mikrometer durch das bekannte Niedrigdruck-CVD-Verfahren über der gesamten Oberfläche des kugelförmigen Körpers ausgebildet. Die Passivierungsschicht 9 verringert die Rekombinationsgeschwindigkeit einer Minorität von Trägern, die an der Grenzfläche mit Silizium photo-generiert wurden. Der Anteil der photo-generierten Trägen, die zur photoelektrischen Umwandlung beitragen, wird erhöht.
  • Als Nächstes bedeckt unter Bezug auf 8 beim neunten Schritt eine transparente Oberflächenschutzschicht 10 die Oberfläche der Passivierungsschicht 9. Zusammen mit der Passivierungsschicht 9 verhindert die Oberflächenschutzschicht 10 die Reflexion von Außenlicht, ist äußerst korrosionshemmend und weist eine große Härte auf und ist schwer zu beschädigen. Eine Beschichtung aus Titandioxid (TiO2) ist als Oberflächenschutzschicht 10 bevorzugt. Zum Zweck des Oberflächenschutzes liegt die Dicke der Oberflächenschutzschicht 10 vorzugsweise in dem Bereich von 1–2 Mikrometer. Die Dicke wird so festgelegt, dass sie eine reflexmindernde Wirkung bezüglich der Wellenlängen hat, die das Ziel für die Maximierung der photoelektrischen Umwandlung sind.
  • Wie gut bekannt ist, hat Titandioxid (TiO2) eine photokatalytische Funktion. Wenn Kurzwellenlicht einer Wellenlänge von etwa 420 nm oder weniger absorbiert wird, werden Gas oder Flüssigkeiten, die mit der Oberfläche in Berührung kommen, durch Photospannung elektrolysiert. Dadurch neigt die Oberfläche weniger zu Trübung oder Verunreinigung. Dies ist ideal bei der lichtempfangenden Fläche der kugelförmigen Solarzelle SS. Bei dem Verfahren für die Ausbildung der Oberflächenschutzschicht 10 aus Titandioxid kann ein Anhaften von Sol-Gel-Titandioxid durch Sprühen oder Tauchen bewirkt werden und dann wird bei 800– 1.000°C die Schicht aufgebrannt.
  • Als Nächstes wird bezüglich 9 beim zehnten Schritt ein Paar Öffnungen 11a, 11b mit einem Durchmesser von etwa 300 Mikrometer so ausgebildet, dass deren Mitten den Öffnungen 3a, 3b entsprechen. Die Öffnungen 11a, 11b werden durch das selektive Sandstrahlverfahren oder das reaktive Ionenätzverfahren gebildet. Die Öffnungen 11a, 11b gehen durch die Oberflächenschutzschicht 10 und die Passivierungsschicht 9.
  • Als Nächstes werden bezüglich 10 beim elften Schritt eine Anodenelektrode 12a und eine Kathodenelektrode 12b, die Strom nach außen führen, ausgebildet. Die Anodenelektrode 12a und die Kathodenelektrode 12b sind mit den freigelegten Oberflächen der p-leitenden Umkristallisierungsiliziumschicht 4a und der n+ Diffusionsschicht 7 an den Öffnungen 11a, 11b verbunden. Als Verfahren für das Bilden der Elektroden 12a, 12b wird stromloses Plattieren von Metall hergestellt aus einer Palladiumschicht mit einer Dicke von 50 nm und einer Nickelschicht von 3 Mikrometer durchgeführt. Sie werden bei etwa 400°C durch Wärmebehandlung gebildet, um einen guten ohmschen Kontakt zu erhalten. Die kugelförmige Solarzelle SS wird auf diese Weise hergestellt.
  • Als Nächstes werden die Wirkungen und Vorteile der oben beschriebenen kugelförmigen Solarzelle SS erläutert.
  • Unter Bezug auf 11 wird eine teilweise Vergrößerung der kugelförmigen Solarzelle SS von 10 gezeigt. Da ein großer Teil der kugelförmigen Oberfläche der kugelförmigen Solarzelle SS ein pn-Übergang 8 ist (in der vorherigen Ausführung n + p Übergang 8), wo Photospannung erzeugt wird, wird ein großer Teil des Lichts, das entweder die Kugelfläche direkt erreicht oder reflektiertes bzw. gestreutes Licht ist, absorbiert und in Elektrizität umgewandelt.
  • Bezüglich 11 wird bei Einfall von Sonnenlicht auf die Oberfläche der kugelförmigen Solarzelle SS Licht mit einer Wellenlänge von etwa 420 nm oder weniger (Wellenlänge Lambda 1) von der TiO2-Schicht absorbiert, welche die Oberflächenschutzschicht 10 ist. In der TiO2-Schicht werden Elektronen und positive Löcher erregt. Auf der Oberfläche werden aufgrund der Wirkung der erregten positiven Löcher organische Materialien und Wasser oder eine Elektrolytlösung und Gas oder dergleichen oxidiert und zersetzt. Die Verunreinigung wird verringert und die Oberfläche wird nicht so leicht getrübt. Licht mit Wellenlängen von etwa 420 nm oder mehr (Wellenlängen Lambda1–Lambda6) dringt durch die Oberflächenschutzschicht 10 und die Passivierungsschicht 9. Licht kürzerer Wellenlänge wird zwischen der n+ Diffusionsschicht 7 und der p-leitenden Umkristallisierungsiliziumschicht 4a absorbiert. Bezüglich 11 wird Licht längerer Wellenlänge (Wellenlängen Lambda3–Lambda6), das nicht absorbiert wurde, durch die reflektierende Oberfläche 2a der reflektierenden Schicht 2 reflektiert und gestreut. Es wird zur p-leitenden Umkristallisierungssiliziumschicht 4a zurückgeworfen und absorbiert. Selbst bei großer Wellenlänge wird durch wiederholtes Reflektieren zwischen der Innenseite und der Außenseite der isolierenden Schicht (2, 9 und 10) ein großer Teil des Lichts, der durch Silizium absorbiert werden kann, in der Siliziumhalbleiterdünnschicht absorbiert. Dadurch werden durch den n + p Übergang 8 Paare von Elektronen und positiven Löchern erzeugt. Aufgrund des elektrischen Felds im n + p Übergang 8 fließen Elektronen zur Kathodenelektrode 12b und positive Löcher fließen hin zur Anodenelektrode 12a. Die Photospannung, die eine Reaktion auf dieses innere elektrische Feld ist, taucht an den Elektroden 12a, 12b auf. Ein elektrischer Strom, der proportional zu der absorbierten Photonenstromdichte ist, fließt durch den äußeren Schaltkreis, welcher mit den Elektroden 12a, 12b verbunden ist.
  • Die Elektrizität erzeugende Schicht, welche das Dünnschichtsilizium umfasst, die die Halbleiterdünnschicht (4a, 7) umfasst, weist einen Aufbau auf, bei dem sie zwischen der reflektierenden Schicht 2 mit einer zweilagigen Isolierschicht mit einer unregelmäßigen Oberfläche, welche einen niedrigeren Brechwert als Silizium aufweist, und mit einer außenseitigen Isolierschicht der Passivierungsschicht 9 und Oberflächenschutzschicht 10 sandwichartig eingeschlossen ist. Von außen auftreffendes Licht wird zwischen beiden Isolierschichten (2, 9 und 10) eingeschlossen. Dadurch ist keine dicke Siliziumschicht hoher Reinheit erforderlich. Durch Ausbilden der Elektrizität erzeugenden Schicht als Dünnschicht und durch Ausführen der Passivierungsschicht 9 und der reflektierenden Schicht 2 als Aufbau, welcher die Rekombinationsgeschwindigkeit an der Grenzfläche verringert, werden durch Licht erzeugte Träger in der Halbleiterdünnschichtlage eingeschlossen und dies trägt zu einer Erhöhung der Spannung des offenen Stromkreises bei.
  • Weiterhin wird durch Umkristallisieren der polykristallinen Siliziumdünnschicht 4 durch ein Schmelz- und Umkristallisierungsverfahren mit Hilfe eines Teils des kugelförmigen metallurgischen Siliziums als Keim die Kristallkorngröße vergrößert und die Korngrenze, welche die Mittelpunkte der Trägerrekombination sind, wird reduziert. Dies führt zu einer längeren Lebenszeit bei der Minorität von Trägern. Dies und die Wirkung des Einschließens des Trägers und des Lichts – wie oben beschrieben – bewirken zusammen eine Erhöhung der Spannung des offenen Stromkreises und des Kurzschlussstroms. Dadurch wird der Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung verbessert.
  • Bei Kern 1 besteht aufgrund des metallurgischen Siliziums, welches eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweist, ein geringer Widerstandsverlust beim inneren Strom, welcher durch die Elektrizität erzeugende Schicht fließt, und der Temperaturanstieg wird niedrig gehalten. Da Kern 1 einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Elektrizität erzeugende Silizium hat, liegt keine durch thermische Beanspruchung bedingte verschlechternde Wirkung auf die photoelektrischen Eigenschaften vor. Da er kugelförmig ist, ist er hinsichtlich mechanischer Festigkeit ebenen Solarzellen überlegen.
  • Da die kugelförmige Solarzelle SS kugelförmig ist, gibt es praktisch keine Gerichtetheit gegenüber Licht und der lichtempfangende Winkel ist groß. Durch die Absorption von direktem Licht von seinem Perimeter und aufgrund der Absorption reflektierten Lichts und gestreuten Lichts wird das Nutzungsmaß von Licht gegenüber ebenen Solarzellen verbessert. Ferner sind Solarmodule in Platten- oder Panelform, welche ein Aggregat hoher Dichte von mehreren kugelförmigen Solarzellen SS sind, leicht zusammenzubauen. Weiterhin dient die Titandioxidschicht (TiO2) der Oberflächenschutzschicht 10, welche die Oberfläche bedeckt, nicht nur als reflexmindernde Schicht, sondern hat auch eine photokatalytische Funktion. Als Schutzschicht weist sie eine große Härte auf und ist nicht leicht zu beschädigen. Sie besitzt eine ausgezeichnete korrosionsmindernde Eigenschaft. Die kugelförmige Solarzelle SS kann als Solarzellenstromquelle verwendet werden, indem man sie direkt anschließt und Sonnenlicht empfangen lässt, oder sie kann für das Durchführen von Elektrolyse durch Sonnenlicht durch Eintauchen derselben in eine Elektrolytlösung verwendet werden.
  • Bei der kugelförmigen Solarzelle SS der vorliegenden Erfindung wird metallurgisches Silizium, welches preisgünstig ist und reichlich vorhanden ist, für Kern 1 verwendet.
  • Eine hochwertige Dünnschicht-Siliziumkristalllage, welche ein Monosilan hoher Reinheit (SH4) verwendet, wird auf dieser Oberfläche abgeschieden und ein pn-Übergang, welcher Photospannung erzeugt, wird gebildet. Nicht nur sind die Kosten für das Siliziumrohmaterial geringer, auch der Stromverbrauch bei der Herstellung ist erheblich geringer, da keine Polykristalle oder Monokristalle hoher Reinheit verwendet werden müssen. Die Solarzelle macht sich bezüglich Energie erheblich schneller bezahlt. Bei Vergleich der erfindungsgemäßen kugelförmigen Solarzelle SS mit einer ohne Kern 1 gefertigten Solarzelle, welche durchwegs einen hochwertigen Siliziumhalbleiter verwendet, ist die Verbrauchsmenge an Silizium hoher Reinheit pro lichtempfangende Flächeneinheit reduziert und die Kosten für Rohmaterialien sind durch Herstellen von Kern 1 mit einem metallurgischen Silizium geringer Reinheit und durch Verwenden einer Dünnschicht aus Silizium hoher Reinheit als Elektrizität erzeugende Schicht verringert. Insbesondere wenn eine kugelförmige Solarzelle SS großen Durchmessers erwünscht ist, zeigen sich die Vorteile dieser Konstruktion deutlich.
  • Bei der kugelförmigen Solarzelle SS kann oben auf den Elektroden 12a, 12b nach Bedarf Lötauftragen durchgeführt werden, so dass mehrere kugelförmige Solarzellen SS mit einander in Reihe verbunden werden können. Bei Verwendung von Photolyse kann abhängig von der Aufgabe der Elektrodenreaktion ein geeignetes Elektrodenmaterial, welches Reaktionsproduktselektivität aufweist, verwendet werden, um die Oberflächen sowohl der Anodenelektrode 12a als auch der Kathodenelektrode 12b zu beschichten. Zum Beispiel kann durch Verwendung einer Kathodenelektrode, welche mit einem Metalloxid modifiziert wurde, das hauptsächlich Kupfer ist, das durch Hydrolyse erzeugte H+ und zur gleichen Elektrolytlösungskammer zugeführte CO2 veranlasst werden, durch eine elektrochemische Reaktion an der gleichen Elektrodengrenzfläche CH4 selektiv zu erzeugen.
  • Es können mehrere kugelförmige Solarzellen SS in Reihe ausgerichtet werden und die Elektroden können in Reihe verbunden werden, um eine Solarzellenanordnung zu konstruieren. Es können mehrere Solarzellenanordnungen parallel ausgerichtet werden (es werden mit anderen Worten mehrere Solarzellen SS in eine Matrix gegeben) und es kann eine Solarzellenplatte hergestellt werden. Die Solarzellen SS können mit hoher Dichte angeordnet werden und eine Solarzelle mit einem hohem Maß an Lichtnutzung lässt sich mühelos zusammenbauen.
  • Wie beim fünften Schritt beschrieben wurde, bietet das Verfahren der Umkristallisierung der polykristallinen p-leitenden Siliziumdünnschicht in eine p-leitende Umkristallisierungssiliziumschicht 4a zahlreiche Vorteile beim Herstellungsvorgang der kugelförmigen Kristalle. Dies ist ein Verfahren bei dem: der kugelförmige Körper durch elektromagnetische Kraft schwebend gehalten wird; er durch hochfrequenzinduzierten Strom erwärmt wird; er während des Falls abkühlen kann. Beim Schmelzen der Probe ist kein Behälter erforderlich. Es ist besonders vorteilhaft für das Wachstum einer gleichmäßigen Kristallschicht auf der kugelförmigen Oberfläche. Bei diesem Verfahren gibt es bei Herstellung eines kugelförmigen Halbleiterbauelements keinen Kontakt zu tragenden Objekten beim Prozess der Diffusion von Verunreinigungen, beim Prozess der Erzeugung von Schichten durch den Strom von Gas bei CVD oder beim Ätzvorgang. Dadurch kann das Verfahren für die Ausbildung gleichmäßiger Schichten und pn-Übergänge und für das Entfernen von Schichten von der Oberfläche des kugelförmigen Körpers verwendet werden.
  • Weiterhin kann er aufgrund der Behandlung in schwebendem Zustand ohne Verwendung eines Behälters auf hohe Temperaturen erhitzt werden. Thermische Beanspruchung und thermische Gestaltsänderungen im Inneren des kugelförmigen Kristalls aufgrund des Behälters oder dergleichen werden nicht hervorgerufen. Ferner kommt es nicht zu Eindringen unerwünschter Verunreinigungen. Selbst wenn Erhitzen durch hochfrequenzinduzierten Strom nicht erforderlich ist, können ferner Metalle oder Isoliermaterialien aufgespritzt oder aufgedampft werden oder es kann Ätzen durchgeführt werden, all dies während der kugelförmige Körper durch elektromagnetische Kraft oder statische elektrische Kraft schwebend gehalten wird. Dies ist äußerst vorteilhaft beim Herstellvorgang für das kugelförmige Halbleiterbauelement.
  • Als Nächstes wird ein Beispiel, bei dem Teile der oben beschriebenen kugelförmigen Solarzelle SS abgewandelt sind, erläutert.
  • In der obigen Ausführung wird metallurgisches Silizium als Material für den Kern 1 verwendet, der Kern 1 kann aber aus preisgünstigem polykristallinen oder monokristallinen Silizium von Solarzellengüte hergestellt werden, welches von minderer Qualität als der in integrierten Schaltungen oder dergleichen verwendete Siliziumhalbleiter ist. Dies führt zu weiteren Verbesserungen der Kristalleigenschaften der Elektrizität erzeugenden Schicht und der Trägerlebenszeit. Eine Solarzelle mit einem sogar noch höheren Wirkungsgrad photoelektrischer Umwandlung wird verwirklicht. Weiterhin kann das Silizium von Kern 1 belassen werden wie es ist und an Stelle der Elektrizität erzeugenden Siliziumschicht (4a, 7) kann eine Dünnschicht eines Verbundkristalls wie Ge-Si, GaAs, InP oder dergleichen, verwendet werden. Dies verbessert die photoelektrische Umwandlungseigenschaft der kugelförmigen Solarzelle.
  • Weiterhin kann eine kugelförmige Solarzelle durch Verwendung eines Germaniumkerns anstelle eines kugelförmigen Siliziumkerns 1 und einer Dünnschicht aus GaAs oder InP anstelle der Elektrizität erzeugenden Siliziumschicht hergestellt werden. Ferner kann die Elektrizität erzeugende Schicht aus dem gleichen Halbleiter wie der kugelförmige Kern 1 gebildet werden oder sie kann ein Verbundkristallhalbleiter sein, welcher diesen Bestandteil enthält. In dieser Situation ist die Verwendung eines preisgünstigeren Halbleiters minderer Qualität für Kern 1 bevorzugt. Trotzdem wird durch Verwirklichen der Konstruktion, bei der die Elektrizität erzeugende Schicht eine Dünnschicht ist und Licht und Träger eingeschlossen werden können, eine Optimierung von Kosten und photoelektrischer Umwandlungseffizienz oder sogar eine Verbesserung der photoelektrischen Umwandlungseffizienz erreicht. Bei Verwendung eines Kerns aus Saphir (alpha-Al2O3) oder Magnesiumoxidspinell (MgO-Al2O2) ist dieser Kern geeignet, weil er der Keim oder Nukleus für Kristallwachstum zum Zeitpunkt der Halbleiterdünnschichtbildung oder während Schmelzen und Umkristallisieren sein kann. Er kann auch für die Konstruktion integrierter SOI-Schaltungen (Halbleiter auf Isolator) verwendet werden.
  • Als Nächstes wird eine Herstellvorrichtung 101 für kugelförmige Halbleiter, welche bei der Bildung des kugelförmigen Siliziumkerns 1 und der Elektrizität erzeugenden Schicht verwendet wird, beschrieben. Bezüglich der nachstehenden Beschreibung wird die Herstellung des kugelförmigen Kerns 1 aus metallurgischem Silizium beispielhaft beschrieben.
  • Bezüglich 12 umfasst eine kugelförmige Kristallherstellvorrichtung 101: ein vertikales Fallrohr 110, welches einen Durchmesser von 5–10 cm und eine Höhe von etwa 14 m hat; eine elektromagnetische Schwebeerhitzungsanlage 112, welche an der Außenseite des oberen Teils des Fallrohrs 110 angebracht wird; eine Infrarotheizvorrichtung 113, welche eine Nachheizvorrichtung ist; eine Materialzufuhrvorrichtung 111, welche Rohmaterial 1a, welches das Material für Kern 1 ist, einzeln zuführt; eine Siliziumölkammer 115, welche in einem Gehäusebereich 114 untergebracht ist, welcher an das untere Ende des Fallrohrs 110 anschließt; eine Vakuumpumpe 116, welche Luft innen aus dem Fallrohr 110 ansaugt; ein Rohrnetz und Ventile; Hochgeschwindigkeitskameras 118a–118c; eine Steuervorrichtung 120, welche diese Apparate steuert. Weiterhin werden die Böden 1–5 der Fabrik als Böden 103a–103e dargestellt.
  • Die Materialzufuhrvorrichtung 111 umfasst: ein Zufuhrgerät 121; eine Teilevorschubeinrichtung 122, welche mehrere granulöse Materialien 1a lagert und sie einzeln zuführt. Die Teilevorschubeinrichtung 122 hat die Funktion des Vorerwärmens festen Materials 1a und die Funktion des Luftabpumpens. Ein Gehäuse 123 des Zufuhrgeräts 121 ist durch ein Saugrohr 125, welches ein elektromagnetisches Schaltventil 124 aufweist, mit einer Vakuumpumpe 116 verbunden. Eine Empfangsvorrichtung 126 ist mit der Teilevorschubeinrichtung 122 mittels einer Strecke 128 verbunden, welche eine elektromagnetischen Klappe 127 aufweist. An einer Ausgangsstrecke 129 der Empfangsvorrichtung 126 ist eine elektromagnetische Klappe 130 vorhanden. Vakuum innen aus dem Gehäuse 123 wird über mehrere kleine Öffnungen zur Empfangsvorrichtung 126 geleitet. Während des Betriebs der Herstellvorrichtung 101 ist das elektromagnetische Ventil 124 offen und in dem Zufuhrgerät 121 herrscht Vakuum. Bei Zufuhr von Rohmaterial 1a von der Teilevorschubvorrichtung 122 ist die elektromagnetische Klappe 130 geschlossen. Die elektromagnetische Klappe 127 wird geöffnet und nach Zufuhr von Material 1a ins Innere der Empfangsvorrichtung 126 wird die elektromagnetische Klappe 127 geschlossen. Es gibt elektromagnetische Ventile 136–138 an den Saugrohren 133–135, welche mit der Vakuumpumpe 116 verbunden sind. Damit Edelgase oder oxidierende Gase in dem Fallrohr 110 nach Bedarf strömen können, gibt es eine Gaszufuhrvorrichtung 117, ein Gaszufuhrrohr 139, Zweigrohre 139a, 139b, ein Gasablassrohr 141 und elektromagnetische Ventile 140, 142. Wenn jedoch in dem Fallrohr 110 ein Vakuum gewahrt werden soll, wird die Gaszufuhrvorrichtung 117 angehalten und die elektromagnetischen Ventile 140, 142 werden geschlossen.
  • Die elektromagnetische Schwebeerhitzungsanlage 112 ist aus einer oberen Spule, einer unteren Spule und einer hochfrequenzstromerzeugenden Vorrichtung 119 und dergleichen gebaut. Durch die obere Spule wird eine nach oben gerichtete Magnetfeldlinie erzeugt. Durch die untere Spule wird eine nach unten gerichtete Magnetfeldlinie erzeugt. Durch die Kräfte der Magnetlinien, die sich bei hoher Frequenz ändern, wird ein induzierter Strom im Material 1a erzeugt. Wenn Material 1a sich in mittiger Position zwischen der oberen und unteren Spule befindet, wird die auf den induzierten Strom wirkende Kraft der Magnetlinien zwischen der Abwärts- und Aufwärtskraft ausgeglichen. Das Material 1a wird in schwebendem Zustand gehalten. Material 1a wird durch die wärmeerzeugende Wirkung des induzierten Stroms erhitzt. Wenn Material 1a zu geschmolzenem Material 1b wird, wird der Hochfrequenzstrom abgeschaltet. Das geschmolzene Material 1b beginnt, frei zu fallen. Bei diesem freien Fall wird das geschmolzene Material 1b durch die Wirkung der Oberflächenspannung unter einer sehr geringen Schwerkraft von 10–5 G kugelförmig.
  • Der Zweck der Infrarotheizvorrichtung 113 ist das Erhitzen allein der Oberfläche des geschmolzenen Materials 1b um einen geringen Betrag. Die Heizvorrichtung 113 wird als Ring um die Außenseite des Fallrohrs 110 platziert. Die Infrarotheizvorrichtung 113 wird bei einem gewissen Abstand zur elektromagnetischen Schwebeerhitzungsanlage 112 platziert. Die Infrarotheizvorrichtung 113 umfasst einen zylindrischen Heizvorrichtungskörper, welcher aus einer Infrarotstrahlungskeramik gefertigt ist. Durch Steuern des Stroms, welcher diesem Heizvorrichtungskörper zugeleitet wird, kann die Erhitzungsfunktion präzis gesteuert werden. Da das geschmolzene Material 1b sich während des freien Falls dreht, wird nur die Oberfläche des geschmolzenen Materials 1b durch die Infrarotheizvorrichtung 113 gleichmäßig erhitzt.
  • Als Nächstes werden die Vorgänge beschrieben, bei denen die Herstellvorrichtung 101 zur Fertigung des kugelförmigen Kristalls 1 durch Zufuhr von Material 1a aus metallurgischem Silizium verwendet wird. In der ersten Vorbereitungsphase werden die elektromagnetischen Ventile 124, 136, 137, 138 geöffnet. Die Vakuumpumpe 116 wird in Betrieb genommen und es werden festgelegte Vakuumbedingungen in dem Fallrohr 110 geschaffen. Ein einzelnes Material 1a wird in der Empfangsvorrichtung 126 aufbewahrt. Ein vorbestimmter Strom fließt durch die Infrarotheizvorrichtung 113. Als Nächstes wird Strom durch die elektromagnetische Schwebeerhitzungsanlage 112 geleitet. Die elektromagnetische Klappe 130 wird geöffnet und festes Material 1a fällt frei. Das Material 1a wird durch die elektromagnetische Schwebeerhitzungsanlage 112 eine festgelegte kurze Zeit lang erhitzt. Das Material 1a wird zu geschmolzenem Material 1b. Bezüglich 13(a) ist die Temperaturverteilung des geschmolzenen Materials 1b zu diesem Zeitpunkt solcher Art, dass die Temperatur sowohl im Inneren als auch an der Oberfläche des geschmolzenen Materials 1b in etwa gleich ist.
  • Als Nächstes wird der Strom zur elektromagnetischen Schwebeerhitzungsanlage 112 abgeschaltet. Das geschmolzene Material 1b beginnt in dem Vakuum des Fallrohrs 110 frei zu fallen. Das geschmolzene Material 1b fällt anfänglich bei geringer Geschwindigkeit. Innerhalb der kurzen Zeit, die es braucht, um auf Höhe des oberen Endes der Infrarotheizvorrichtung 113 zu fallen, kommt es zu Strahlungsabkühlung und Wärmeabgabe. Da Wärmeabgabe von der Oberfläche des geschmolzenen Materials 1b vorliegt, ist die Oberfläche des geschmolzenen Materials 1b kühler als das Innere (siehe Temperaturverteilung in 13(b)). Da das geschmolzene Material 1b Mikrogravitätsbedingungen unterliegt, wird das geschmolzene Material 1b nach Beginn des freien Falls durch die Wirkung der Oberflächenspannung kugelförmig.
  • Als Nächstes wird während des freien Falls des geschmolzenen Materials 1b durch das Innere der Infrarotheizvorrichtung 113 nur die Oberfläche erhitzt. Bezüglich 13(c) ist die Oberfläche des geschmolzenen Materials 1b wärmer als das Innere. Als Nächstes gibt das geschmolzene Material 1b während seines freien Falls hin zum Boden der Infrarotheizvorrichtung 113 Wärme durch Strahlungsabkühlung ab. Durch die Wirkung der Oberflächenspannung verfestigt sich das geschmolzene Material 1b zu einem wirklich kugelförmigen Kern 1.
  • Nach dem Passieren der Infrarotheizvorrichtung 113 setzt sich die Strahlungsabkühlung weiter fort. Bezüglich 13(d) wird die Temperaturverteilung des geschmolzenen Materials 1b, wenn die Temperatur annähernd auf den Erstarrungspunkt T0 gefallen ist, durch die durchgehende Linie bzw. die gestrichelte Linie angezeigt. Da die Verfestigung mit diesen Bedingungen einsetzt, beginnt die Verfestigung vom Inneren und von der Oberfläche des geschmolzenen Materials 1b her. Dadurch bilden sich keine Vorsprünge auf der Oberfläche des Kerns 1, selbst wenn es zu Volumenvergrößerung während der Verfestigung kommt. Die innere mechanische Belastung des Kerns 1 wird ebenfalls sehr klein.
  • Anschließend fällt Kern 1, welcher auf etwa halber Höhe des Fallrohrs 110 die Verfestigung beendet hat, in Siliziumöl in der Siliziumölkammer 115. Sie werden dort gelagert und kühlen vollständig ab.
  • Der kugelförmige Kern 1, welcher wirklich kugelförmig ist und keine Vorsprünge aufweist, kann in der obigen Weise hergestellt werden. Da sich die Oberfläche des geschmolzenen Materials 1b nicht vor dem Inneren verfestigt, vermischen sich zudem etwaige Luftbläschen an der Oberfläche des Materials 1a nicht in dem kugelförmigen Kern 1. Da sich das geschmolzene Material 1b unter Mikrogravitätsbedingungen zu Kern 1 verfestigt, wird Kern 1 mit einer von der Zusammensetzung her gleichmäßigen Verteilung ohne Beeinflussung durch Wärmekonvektion, Auftrieb, Sedimentierung erreicht. Wenn hochwertiges Halbleitermaterial für das Material 1a verwendet wird, ist es möglich, einen wirklich kugelförmigen Kristall aus einem Monokristall oder Polykristall dieses Halbleiters herzustellen. Bei der Herstellung der kugelförmigen Solarzelle SS der vorherigen Ausführung wird die gesamte oder ein Teil der Verarbeitung für die Ausbildung der Halbleiterdünnschicht vorzugsweise durchgeführt, während das Objekt mit der Herstellvorrichtung 101 für einen kugelförmigen Kristall oder mit einer Herstellvorrichtung für einen kugelförmigen Kristall, welche ein Schwebemittel mit statischer Elektrizität verwendet, schwebend gehalten wird. Weiterhin wird die gesamte oder ein Teil der Verarbeitung nach Ausbildung des Halbleiterdünnschichtkristalls, einschließlich pn-Übergangbildung, Elektrodenbildung, Oberflächenschutzschichtbildung und dergleichen, vorzugsweise durchgeführt, während das Objekt mit der Herstellvorrichtung 101 für einen kugelförmigen Kristall oder mit einer Herstellvorrichtung für einen kugelförmigen Kristall, welche ein Schwebemittel mit statischer Elektrizität verwendet, schwebend gehalten wird.
  • Ausführung 2 (siehe 14)
  • Als Nächstes wird ein Herstellverfahren und die Konstruktion einer einen Metallkern umfassenden kugelförmigen Solarzelle beschrieben. Bezüglich 14 wird ein vergrößerter Querschnitt einer kugelförmigen Solarzelle SSA gezeigt, welche durch Ausbilden einer Dünnschicht der Siliziumsolarzelle auf der Oberfläche eines kugelförmigen Metallkerns 21 gebildet wird.
  • Kern 21 ist aus einer Eisennickellegierung (Fe 58, Ni 42) gefertigt, welche einen Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Silizium aufweist. Der kugelförmige Kern 21 wird mit Hilfe der Herstellvorrichtung 101 für einen kugelförmigen Kristall hergestellt. Eine Aluminiumbeschichtung 22 wird auf die Oberfläche des Kerns 21 bei einer Dicke von etwa 100 nm aufgedampft. Auf der Oberfläche der Aluminiumbeschichtung 22 wird eine amorphe Siliziumschicht (a-Si-Schicht) mit einer Dicke von rund 200 nm als eine Prädispositionsschicht ausgebildet. In diesem Fall wird Monosilan abgebaut, während es durch das Plasma-CVD-Verfahren abgeschieden wird. Eine nicht dotierte amorphe Siliziumschicht wird gebildet. Als Nächstes wird diese 1 Stunde lang bei 500°C mit einer Fokussierlampe erhitzt (Tempern). Der Wasserstoff in der a-Si-Schicht wird eliminiert und durch die eutektische Kristallisierungsreaktion von Al und Si wird ein Kristallkern erzeugt.
  • Als Nächstes wird er etwa 5 Minuten lang bei 700°C erhitzt und eine mit Aluminium dotierte polykristalline P+ Siliziumschicht 23 wird gezüchtet. Als Nächstes wird das nicht dotierte amorphe Silizium (a-Si) bei einer Dicke von 3–4 Mikrometer auf der Oberfläche der polykristallinen P+ Siliziumschicht 23 durch das Plasma-CVD-Verfahren abgeschieden. Tempern wird bei rund 600°C durchgeführt. Mit Hilfe der Grundlage der polykristallinen P+ Siliziumschicht 23 als Keim wird eine polykristalline Siliziumschicht 24 gebildet.
  • Als Nächstes wird auf der Oberfläche der polykristallinen Siliziumschicht 24 a-Si mit einer Dicke von etwa 100 nm abgeschieden, während Monosilan (SiH4), dem Phosphin (PH3) zugegeben wurde, durch das Plasma-CVD-Verfahren zersetzt wird. Dieses wird bei rund 600°C getempert und es wird eine polykristalline n+ Siliziumschicht 25 gebildet. Für die Erzeugung von Photospannung wird ein nip-Übergang gebildet.
  • Als Nächstes wird auf der Oberfläche des kugelförmigen Körpers eine Passivierungsschicht 26 aus einer SiO2-Schicht mit einer Dicke von 0,2 Mikrometer gebildet. Auf ihrer Oberfläche wird eine Oberflächenschutzschicht 27 aus einer TiO2-Schicht mit einer Dicke von 1–2 Mikrometer gebildet. Als Nächstes werden zwecks Elektroden, welche die Aluminiumschicht 22 und die polykristalline n+ Siliziumschicht 25 kontaktieren, kreisförmige Öffnungen, welche die Oberfläche der Aluminiumschicht 22 und der polykristallinen n+ Siliziumschicht 25 erreichen, an zwei Stellen gebildet, welche bezüglich der Mitte des Kerns 21 symmetrisch sind. Bezüglich 14 werden eine Anodenelektrode 28a und eine Kathodenelektrode 28b durch Aufdampfen gebildet. Eine Übergangsschutzschicht 29, welche durch Aufbrennen von Glas mit niedrigem Schmelzpunkt gebildet wird, bedeckt den Teil des nip-Übergangs, der aufgrund der Öffnung zur Oberfläche hin freiliegt.
  • Verglichen mit der kugelförmigen Solarzelle SS ist die kugelförmige Solarzelle SSA preisgünstig und die Verarbeitung ist einfach, weil der Kern 21 ein Metall ist. Er weist auch eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit auf und es gibt einen geringen Widerstandsverlust bezüglich des Stroms, der durch den Elektrizität erzeugenden Teil fließt, und die Kühlwirkung wird verbessert. Da der Kern 21 eine magnetische Substanz ist, kann weiterhin eine externe Magnetkraft für das Anheben, Verankern oder Bewegen angelegt werden und somit ist dies hinsichtlich der Handhabung vorteilhaft. Da gegenüber der Herstellung von Massenzellen des Stand der Technik weiterhin Rohmaterialien und Energiekosten reduziert werden können, ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Herstellkosten. Die vorstehend beschriebene Aluminiumbeschichtung kann weggelassen werden und es können andere bei bekannten Solarzellen verwendete Halbleitermaterialien, wie CdTe oder CuInSe2 oder dergleichen, zur Konstruktion der Elektrizität erzeugenden Schicht verwendet werden.
  • Ausführung 3 (siehe 15)
  • Das Herstellverfahren und die Konstruktion einer kugelförmigen Solarzelle mit einem Kern aus Isoliermaterial wird beschrieben. Durch Konstruktion des Kerns einer kugelförmigen Solarzelle oder eines anderen kugelförmigen Halbleiterbauelements aus Isoliermaterial weist es nicht nur verschiedene Eigenschaften aufgrund seiner Kugelform auf, sondern es wird auch möglich, ein kugelförmiges Halbleiterbauelement zu konstruieren, welches auf seiner Oberfläche eine oder mehrere Solarzellen oder andere verschiedene Bauelemente besitzt (zum Beispiel ein photokatalytisches Bauelement, ein Photoerfassungsbauelement, ein lichtemittierendes Bauelement, einen Transistor, eine integrierte Schaltung oder dergleichen), welche auf der Oberfläche des Kerns aus isolierendem Material elektronisch getrennt sind. Abhängig vom Bedarf können diese Bauelemente durch Verbinden derselben mit der Kugelfläche verwendet werden. Diese Art von kugelförmigem Halbleiterbauelement einschließlich der obigen Ausführungen Solarzellen SS und SSA kann in gleicher Weise wie andere ähnliche kugelförmige Halbleiterbauelemente oder wie beim sogenannten 'Ball Bump'-Verfahren zwischen dem Verdrahtungssubstrat des Stands der Technik verbunden werden. Bezüglich 15 wird eine kugelförmige Solarzelle SSB gezeigt, welche umfasst: einen kugelförmigen Kern 31 aus geschmolzenem Siliziumdioxid (Isoliermaterial), welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Silizium aufweist; und eine Dünnschicht-Siliziumsolarzelle über dessen gesamter Oberfläche. Zuerst wird der kugelförmige Kern 31 aus geschmolzenen Siliziumdioxid durch ein Polierbearbeitungsverfahren ähnlich der Herstellung einer Linse gefertigt. Auf der Oberfläche des Kerns 31 werden Unregelmäßigkeiten mit einer Erhebungsdifferenz von 1 Mikrometer ähnlich der Situation einer kugelförmigen Solarzelle SS durch Sandstrahlen oder dergleichen gebildet. Als Nächstes werden nacheinander auf der Oberfläche des kugelförmigen Körpers eine Siliziumnitridschicht 32 (Si3N4-Schicht) einer Dicke von 0,3 Mikrometer und eine Siliziumdioxidschicht 33 (SiO2-Schicht) gebildet. Als Nächstes wird auf die Oberfläche dieses kugelförmigen Körpers eine elektrisch leitende Schicht 34 aufgedampft. Die leitende Schicht 34 weist eine zweilagige Konstruktion auf, wobei sie eine Chrombeschichtung einer Dicke von 0,3 Mikrometer und eine Aluminiumbeschichtung einer Dicke von 10 nm umfasst. Die Siliziumnitridschicht 32 verhindert die Diffusion von Verunreinigungen aus dem Kern 31. Die Siliziumdioxidschicht 33 dient als Grundlage für die leitende Schicht 34.
  • Wie in Ausführung 2 wird auf der Oberfläche der leitenden Schicht durch Abscheiden von Monosilan während Zersetzen durch das CVD-Verfahren eine nicht dotierte amorphe Siliziumdünnschicht einer Dicke von rund 20 nm als eine Prädispositionsschicht ausgebildet. Diese amorphe Siliziumdünnschicht wird durch Erhitzen auf etwa 600°C mit einer Fokussierlampe getempert und wird in eine polykristalline P+ Siliziumschicht umgewandelt. Oben auf die polykristalline P+ Siliziumschicht wird nicht dotiertes amorphes Silizium (a-SI) bei einer Dicke von 3–4 Mikrometer durch das Plasma-CVD-Verfahren abgeschieden. Tempern wird bei etwa 600°C durchgeführt. Mit Hilfe der polykristallinen P+ Siliziumschicht als Keim wird eine polykristalline p-leitende Siliziumschicht 36 gezüchtet.
  • Als Nächstes wird auf der Oberfläche der p-leitenden polykristallinen Siliziumschicht 36 während der Zersetzung von Monosilan (SiH4) durch das Plasma-CVD-Verfahren, dem Phosphin (PH3) beigemischt wird, a-Si von einer Dicke von rund 100 nm abgeschieden. Dies wird bei rund 600°C getempert und eine polykristalline n+ Siliziumschicht 37 wird gebildet. Zur Erzeugung von Photospannung wird ein p + pn + Übergang gebildet. Ähnlich zu Ausführung 2 werden eine Passivierungsschicht 38, eine Oberflächenschutzschicht 39, eine Anodenelektrode 40a, eine Kathodenelektrode 40b, eine Übergangsschutzschicht 41 gebildet und es wird eine kugelförmige Solarzelle SSB, welche eine kugelförmige Dünnschicht-Siliziumsolarzelle umfasst, hergestellt.
  • Wir haben die kugelförmigen Solarzellen SS, SSA, SSB als Ausführungen der vorliegenden Erfindung beschrieben, doch kann die vorliegende Erfindung bei anderen kugelförmigen Halbleiterbauelementen, z. B. einer kugelförmigen Photodiode als kugelförmiges Halbleiter-Lichterfassungsbauelement, einem kugelförmigen Phototransistor, einer kugelförmigen lichtemittierenden Diode und dergleichen verwendet werden. In diesen Fällen wird die Elektrizität erzeugende Schicht die lichtempfangende Schicht, die lichtemittierende Schicht, und sie können mit geeigneten bekannten Materialien und durch geeignete bekannte Verfahren hergestellt werden.
  • Ausführung 4 (siehe 16)
  • Als Nächstes wird die Konstruktion eines kugelförmigen photokatalytischen Elements, bei welchem der Kern aus metallurgischem Silizium verwendet wird und welches eine eingebaute MIS-Konstruktion aufweist, beschrieben. Bezüglich 16 wird ein kugelförmiges photokatalytisches Element 200 gezeigt, welches umfasst: einen kugelförmigen Kern 201 aus metallurgischem Silizium mit einem Durchmesser von rund 1,5 mm; eine Siliziumnitridschicht 202 auf dessen Oberfläche (Dicke 0,25– 0,35 Mikrometer); eine Siliziumdioxidschicht 203 auf dessen Oberfläche (Dicke 0,3– 0,4 Mikrometer); eine n-leitende Siliziumschicht 204 auf dessen Oberfläche (Dicke 5– 10 Mikrometer); eine Siliziumdioxidbeschichtung 205 (Dicke 1,5–3,0 nm); eine Anodenelektrodenbeschichtung 206, welche eine Pt- oder Cr-Beschichtung (5–8 nm) umfasst; eine Kathodenelektrode 207 aus Ti oder Ni; und dergleichen. Das kugelförmige photokatalytische Element 200 bildet eine MIS-Konstruktion. Weiterhin werden mehrere kleine Öffnungen 201K auf den Schichten 202, 203 gebildet, um einen Teil des Kerns 201 als Kristallkeim bei der Kristallisierung der n-leitenden Siliziumschicht 204 zu verwenden.
  • Bei dieser MIS-Konstruktion wird auf der Innenseite der Siliziumdioxidbeschichtung 205 ein Biegen des Energiebands ähnlich dem bei Erzeugen eines pn-Übergangs erzeugt. Eine Photospannung erzeugende Fläche 209, welche eine Energieband biegende Schicht 208 umfasst, wird nahe der Oberfläche ausgebildet. Mehrere kugelförmige photokatalytische Elemente 200 können in eine elektrolytische Lösung gegeben werden und können bei der Elektrolyse der Elektrolytlösung verwendet werden. Anstelle des metallurgischen Siliziums können Isoliermaterial oder Metallmaterial für den Kern 201 verwendet werden.
  • Ausführung 5 (siehe 17)
  • Als Nächstes wird die Konstruktion eines kugelförmigen photokatalytischen Elements, bei dem ein Kern aus metallurgischem Silizium verwendet wird und welche eine eingebaute Schottky-Sperrschicht aufweist, beschrieben. Bezüglich 17 wird ein kugelförmiges photokatalytisches Element 210 gezeigt, welches umfasst: einen kugelförmigen Kern 211 aus metallurgischem Silizium mit einem Durchmesser von etwa 1,5 mm; eine Siliziumnitridschicht 212 auf dessen Oberfläche (Dicke 0,25– 0,35 Mikrometer); eine Siliziumdioxidschicht 213 auf dessen Oberfläche (Dicke 0,3– 0,4 Mikrometer); eine n-leitende Siliziumschicht 214 auf dessen Oberfläche (Dicke 5– 10 Mikrometer); eine isolierende Beschichtung 215 (Oberflächenschutzschicht) aus Siliziumdioxid mit einer Dicke von 0,3–0,7 Mikrometer; eine Anodenelektrodenbeschichtung 216 aus Pt oder Cr mit einer Dicke von 5–8 nm; eine Kathodenelektrode 207 aus Ti oder Ni; und dergleichen. Das kugelförmige photokatalytische Element 210 bildet eine Schottky-Sperrschichtkonstruktion. Weiterhin werden mehrere kleine Öffnungen 211K auf den Schichten 212, 213 gebildet, um einen Teil des Kerns 211 als Kristallkeim bei der Kristallisierung der n-leitenden Siliziumschicht 214 zu verwenden. Bei dieser Schottky-Sperrschichtkonstruktion wird auf der Innenseite der Anodenelektrodenbeschichtung 216 ein Biegen des Energiebands ähnlich dem bei Erzeugen eines pn-Übergangs erzeugt. Eine Photospannung erzeugende Fläche 219, welche eine Energieband biegende Schicht 218 umfasst, wird nahe der Oberfläche der n-leitenden Siliziumschicht 214 ausgebildet. Mehrere kugelförmige photokatalytische Elemente 210 können in eine elektrolytische Lösung gegeben werden und können bei der Elektrolyse der Elektrolytlösung verwendet werden. Anstelle des metallurgischen Siliziums können Isoliermaterial oder Metallmaterial für den Kern 241 verwendet werden.
  • Ausführung 6 (siehe 18, 19)
  • Als Nächstes wird die Konstruktion eines kugelförmigen, lichtemittierenden Elements, welches einen Kern aus Saphir (alpha-Al2O3) aufweist, beschrieben. Bezüglich 18 wird eine vergrößerte Ansicht eines kugelförmigen, lichtemittierenden Elements 220 gezeigt, welches eine blaulichtemittierende Galliumnitriddiode ist.
  • Ein kugelförmiger monokristalliner Kern 221 aus Saphir mit einem Durchmesser von 1,5 mm wird erzeugt. Auf der Oberfläche des Kerns 221 werden die folgenden Schichten der Reihe nach durch das bekannte MOCVD-Verfahren (metal organic chemical vapor deposition) abgeschieden: eine GaN-Pufferschicht 222 (Dicke etwa 30 nm); eine n-leitende GaN-Schicht 223 (Dicke etwa 3.000 nm); eine In0,4Ga0,6N-Aktivschicht 224 (Dicke etwa 3 nm); eine p-leitende Al0,2Ga0,8N-Schicht 225 (Dicke etwa 400 nm); eine p-leitende GaN-Schicht 226 (Dicke etwa 500 nm). Für dieses Abscheiden ist es bevorzugt, dass die Schichtbildung jeder Schicht kontinuierlich in einer festgelegten Gasatmosphäre durchgeführt wird, während der kugelförmige Kern 221 durch eine Schwebeerhitzungsanlage statischer Elektrizität schwebend gehalten wird. Dies führt zu einer gleichmäßigen Schichtbildung. Diese Konstruktion ist eine Einzel-Quanten-Trog-Konstruktion und wird so festgelegt, dass sie ein sichtbares blaues Licht mit einer Spitzenwellenlänge von 470 nm emittiert. Die Zusammensetzung, Schichtdicke, Schichtkonstruktionen können entsprechend der Aufgabe festgelegt werden.
  • Als Nächstes wird während des Maskierens der Oberfläche mit einer Si3N4-Beschichtung oder dergleichen ein Fenster 227 mit einem Durchmesser von etwa 600 Mikrometern durch reaktives Ionenätzen mit einem Chlorgas/Plasma freigelegt, bis die Oberfläche einer n-leitenden GaN-Schicht 223 freiliegt. In der Mitte des Fensters 227 wird eine Kathodenelektrode 228 mit einem Durchmesser von 200 Mikrometer aus einer Ni/Au-Aufdampfschicht erzeugt. Die Maske aus einer Si3N4-Beschichtung oder dergleichen wird entfernt und eine Anodenelektrode 229 mit einem Durchmesser von 200 Mikrometern wird als Ti/Au-Aufdampfschicht auf der Oberfläche an der gegenüberliegenden Seite der Kathodenelektrode 228 gebildet. Eine Anodenelektrode 229 kontaktiert die Oberfläche der p-leitenden GaN-Schicht 226.
  • Bezüglich 19 emittiert die Diode 220 durch Unterbringen der blaulichtemittierenden Diode 220 in einem Glasrohr 230 und Anlegen einer Außenspannung von einem Anodenanschluss 231 zu einem Kathodenanschluss 232 und Ermöglichen von Vorwärtsstromfluss blaues Licht in alle Richtungen mit einer Spitzenwellenlänge von 470 nm. Bezüglich 19 wird, da der Saphir, welcher den Kern 221 bildet, transparent ist, Licht Lambda', welches von der gegenüberliegenden Seite emittiert wird, auch nach außen abgestrahlt. Im Gegensatz zu den flachen lichtemittierenden Dioden des Stands der Technik, die auf eine Seite beschränkt sind, wird Licht von jeder Fläche emittiert und die Leistung stark verbessert, und der Wirkungsgrad der Lichtausstrahlung nach außen der Innenlichtemission wird verdoppelt. Wenn der Abstand zwischen den Oberflächen der Kugel, welche den Kern 221 enthält, so eingestellt wird, dass sie ein Resonator bezüglich der Wellenlänge des emittierten Lichts wird, kann sie so gebaut werden, dass sie als kugelförmige Blaulichtlaserdiode arbeitet. Bezüglich 19 wird ein Anordnungsverfahren möglich, bei dem ein Steckkontakt mit einem Anschlussstift vorliegt, da die Zelle der blaulichtemittierenden Diode 220 kugelförmig ist. Verbindungen mit einem dünnen Draht werden unnötig und die Tatsache, dass mehrere Zellen mühelos durch direkten Kontakt zueinander zu einer Anordnung ausgebildet werden können, ist genauso wie bei der oben beschriebenen kugelförmigen Solarzelle.
  • Ausführung 7 (siehe 20)
  • Als Nächstes wird eine Ausführung aus einem kugelförmigen Halbleiterbauelementmaterial beschrieben. Bezüglich 20 wird ein kugelförmiges Halbleiterbauelementmaterial 240 gezeigt, welches umfasst: einen kugelförmigen Kern 241; eine Siliziumnitridschicht 242 auf dessen Oberfläche (Dicke 0,25–0,35 Mikrometer); eine Siliziumdioxidschicht 243 auf dessen Oberfläche (Dicke 0,3–0,4 Mikrometer); und eine auf dessen Oberfläche ausgebildete Halbleiter- Dünnschichtlage 244 (Dicke rund 10 Mikrometer). Der Kern 241 ist aus einem der folgenden Materialien gefertigt: Halbleiter (z. B. metallurgisches Silizium oder dergleichen); Isoliermaterial (Saphir, Quarz oder Keramik); Metallmaterialien (Fe-Ni-Legierung, Mo oder W oder dergleichen). Die Halbleiterdünnschichtlage 244 ist aus einem Halbleiter aus einem Siliziummonokristall, Siliziumpolykristall oder einem Halbleiter einer anderen Gruppe wie SiGe oder InP oder dergleichen gefertigt. Sie kann eine einlagige Halbleiterschicht oder eine mehrlagige Halbleiterschicht sein. Bei der Umkristallisierung der Halbleiterdünnschicht 244 kann die Siliziumdioxidschicht 243 als Keim für den Kristall verwendet werden. Die Schichten 242, 243 können ähnliche Unregelmäßigkeiten wie in 11 aufweisen oder die Unregelmäßigkeiten können weggelassen werden.
  • Ausführung 8 (siehe 21)
  • Als Nächstes wird eine Ausführung eines kugelförmigen Halbleiterbauelementmaterials beschrieben. Bezüglich 20 wird ein kugelförmiges Halbleiterbauelementmaterial 250 beschrieben, welches umfasst: einen kugelförmigen Kern 251; eine Siliziumdioxidschicht 252 auf dessen Oberfläche (Dicke 0,3–0,4 Mikrometer); eine Siliziumnitridschicht 253 auf dessen Oberfläche (Dicke 0,25–0,35 Mikrometer); und eine auf dessen Oberfläche ausgebildete Halbleiter-Dünnschichtlage 254 (Dicke 5–10 Mikrometer). Mehrere kleine Öffnungen 255 sind auf den Schichten 252, 253 ausgebildet. Der Kern 251 ist aus einem Monokristallhalbleiter wie Silizium oder dergleichen oder einem Monokristallisoliermaterial wie Saphir oder Magnesiumoxidspinell oder dergleichen gefertigt. Die Halbleiterdünnschichtlage 254 ist aus einem Halbleiter aus einem Siliziummonokristall, Siliziumpolykristall oder einem Halbleiter einer anderen Gruppe wie SiGe oder InP oder dergleichen gefertigt. Sie kann eine einlagige Halbleiterschicht oder eine mehrlagige Halbleiterschicht sein. Bei der Umkristallisierung der Halbleiterdünnschicht 254 kann ein Teil des Kerns 251 durch die mehreren Öffnungen 255 als Keim für den Kristall verwendet werden.
  • Das Material 240, 250 des kugelförmigen Halbleiterbauelements der Ausführungen 7, 8 kann als Material für die Herstellung verschiedener kugelförmiger, lichterfassender Elemente, verschiedener kugelförmiger lichtemittierender Elemente, verschiedener kugelförmiger Transistoren, verschiedener kugelförmiger Dioden und kugelförmiger integrierter Schaltungen von SOI-Konstruktionen verwendet werden.

Claims (23)

  1. Kugelförmiges Halbleiterbauelement, welches umfasst: – einen kugelförmigen Kern; – eine Halbleiter-Schichtlage, welche an der Oberfläche des Kerns oder nahe der Außenseite des Kerns in etwa kugelförmig ausgebildet ist; – mindestens einen an der Halbleiter-Dünnschichtlage ausgebildeten pn-Übergang; – ein Paar Elektroden, wobei eine Elektrode an jeder Seite des pn-Übergangs angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden kreisförmig sind und an gegenüberliegenden Seiten des Bauelements so ausgebildet sind, dass eine Achse des kugelförmigen Kerns durch beiden Elektroden verläuft und dass mehrere der kugelförmigen Halbleiterbauelemente in Reihe ausgerichtet werden können und die Elektroden zusammen in Reihe geschaltet werden können.
  2. Kugelförmiges Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aus einem Halbleitermaterial, wie zum Beispiel Silizium oder dergleichen, hergestellt wird.
  3. Kugelförmiges Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aus einem Metallmaterial hergestellt wird, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich dem Wärmeausdehnungskoeffizient der Halbleiter-Dünnschichtlage aufweist.
  4. Kugelförmiges Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aus einem Isolierstoff hergestellt wird, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich dem Wärmeausdehnungskoeffizient der Halbleiter-Dünnschichtlage aufweist.
  5. Kugelförmiges Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass: – der pn-Übergang eine photoelektrische Umwandlungsfunktion hat, bei welcher der pn-Übergang einfallendes Außenlicht absorbiert und Fotospannung erzeugt; – das Halbleiterbauelement eine Solarzelle oder ein Fotodetektorelement ist.
  6. Kugelförmiges Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass: – der pn-Übergang eine Elektrofoto-Umwandlungsfunktion hat, bei welcher von Außen über ein Paar Elektroden zugeführter Strom in Licht umgewandelt wird und nach außen abgestrahlt wird; – das Halbleiterbauelement ein lichtemittierendes Element ist.
  7. Kugelförmiges Halbleiterbauelement nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass mit Ausnahme der Oberfläche des Elektrodenpaars an der äußersten Oberfläche eine transparente Isolierschicht ausgebildet ist.
  8. Kugelförmiges Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Isolierschicht auch als Antireflexionsschicht dient, welche eine Reflexion von Außenlicht verhindert.
  9. Kugelförmiges Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass: – eine reflektierende Fläche, welche winzige Unregelmäßigkeiten aufweist, innerhalb der Halbleiter-Dünnschichtlage und an der Oberfläche des bzw. nahe der Außenseite des Kerns angeordnet ist; – die reflektierende Fläche ausgebildet ist, um durchgelassenes Licht, welches die Halbleiter-Dünnschichtlage passiert, oder abgestrahltes Licht, welches an der Halbleiter-Dünnschichtlage erzeugt wird, zu reflektieren.
  10. Kugelförmiges Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Passivierungsschicht, welche Träger begrenzt, an mindestens einer Seite entweder der Innenfläche oder der Außenfläche der Halbleiter-Dünnschichtlage ausgebildet ist, an der Fotospannung erzeugt wird.
  11. Kugelförmiges Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Isolierschicht eine Titandioxidschicht ist, welche eine fotokatalytische Funktion hat.
  12. Kugelförmiges Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aus einem Halbleiter des gleichen Typs, aber von geringerer Qualität als der zur Herstellung der Halbleiter-Dünnschichtlage verwendete Halbleiter hergestellt wird.
  13. Kugelförmiges Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter-Dünnschichtlage aus einem Siliziumhalbleiter hergestellt wird.
  14. Kugelförmiges Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern metallurgisches Silizium umfasst.
  15. Kugelförmiges Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass: – an der Fläche von mindestens einer Elektrode des Elektrodenpaars eine Beschichtung ausgebildet ist; – die Beschichtung an der äußersten Außenfläche freiliegt und eine fotokatalytische Funktion hat.
  16. Verfahren zur Herstellung eines kugelförmigen Halbleiterbauelements, welches umfasst: – einen ersten Schritt, bei dem ein kugelförmiger Kern unter Verwendung von Kernmaterial eines aus der Gruppe bestehend aus Halbleitermaterialien, Isolierstoffen oder Metallmaterialien gewählten Materials hergestellt wird; – einen zweiten Schritt, bei dem eine Halbleiter-Dünnschichtlage, welche in etwa kugelförmig ist, an der Oberfläche des Kerns oder nahe seiner Außenseite ausgebildet wird; – einen dritten Schritt, bei dem mindestens ein pn-Übergang in der Halbleiter-Dünnschichtlage ausgebildet wird; – einen vierten Schritt, bei dem ein Paar Elektroden ausgebildet wird, wobei eine Elektrode an jeder Seite des pn-Übergangs angeschlossen wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die Elektroden kreisförmig sind und an gegenüberliegenden Seiten des Bauelements so ausgebildet sind, dass eine Achse des kugelförmigen Kerns durch beiden Elektroden verläuft und dass mehrere der kugelförmigen Halbleiterbauelemente in Reihe ausgerichtet werden können und die Elektroden zusammen in Reihe geschaltet werden können.
  17. Verfahren zur Herstellung eines kugelförmigen Halbleiterbauelements nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass: – bei dem ersten Schritt das Kernmaterial erwärmt und geschmolzen wird, während es durch ein Schwebemittel zum Schweben gebracht wird; – ein kugelförmiger Kern erzeugt wird, indem ein Erstarren der Schmelze ermöglicht wird, während sie in einem Fallrohr fällt.
  18. Verfahren zur Herstellung eines kugelförmigen Halbleiterbauelements nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem zweiten Schritt und vor dem dritten Schritt ein Wiedererwärm- und Fallschritt liegt, bei dem der kleine kugelförmige Körper, welche den Kern und die Halbleiter-Dünnschichtlage enthält, durch ein elektromagnetisches Schwebemittel erwärmt und geschmolzen wird und ein Erstarren der Schmelze ermöglicht wird, während sie in einem Fallrohr fällt.
  19. Verfahren zur Herstellung eines kugelförmigen Halbleiterbauelements nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass: – bei dem ersten Schritt Kernmaterial aus Halbleitermaterial verwendet wird; – und bei dem Wiedererwärm- und Fallschritt die Halbleiter-Dünnschichtlage unter Verwendung des Kerns als Keim für sein Kristallwachstum kristallisiert wird.
  20. Verfahren zur Herstellung eines kugelförmigen Halbleiterbauelements nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass: – nach dem zweiten Schritt und vor dem dritten Schritt ein Beschichtungsausbildungsschritt und dann ein Wiedererwärm- und Fallschritt liegt; – bei dem Beschichtungsausbildungsschritt eine anorganische, wärmebeständige Isolierbeschichtung an der Oberfläche der Halbleiter-Dünnschichtlage ausgebildet wird; – bei dem Wiedererwärm- und Fallschritt der kugelförmige Körper, welcher den Kern und die Halbleiter-Dünnschichtlage beinhaltet, erwärmt und durch elektromagnetische Schwebeheizmittel geschmolzen wird und die Schmelze erstarrt, während sie in einem Fallrohr fallen gelassen wird.
  21. Verfahren zur Herstellung eines kugelförmigen Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 16–20, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem dritten Schritt und vor dem vierten Schritt in einem Isolierschicht-Ausbildungsschritt eine Isolierschicht aus Titandioxid an der äußersten Oberfläche des kugelförmigen Halbleiterbauelements ausgebildet wird.
  22. Verfahren zur Herstellung eines kugelförmigen Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 16–20, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem zweiten Schritt mindestens ein Teil der Bearbeitung zur Ausbildung der Halbleiter-Dünnschichtlage durchgeführt wird, während das Objekt, welches den Kern enthält, durch ein elektromagnetisches Schwebemittel oder ein Schwebemittel statischer Elektrizität in der Schwebe gehalten wird.
  23. Verfahren zur Herstellung eines kugelförmigen Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 16–20, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte bzw. ein Teil der Bearbeitung nach Ausbildung der Halbleiter-Dünnschichtlage, einschließlich Ausbildung des pn-Übergangs, Elektrodenausbildung und Ausbildung einer Oberflächenschutzschicht oder dergleichen, durchgeführt wird, während das Objekt durch ein elektromagnetisches Schwebemittel oder ein Schwebemittel statischer Elektrizität in der Schwebe gehalten wird.
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