专利名称：制造半导体材料薄片的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1及权利要求4之上位概念制造用于太阳能电池的半导体材料薄片、特别是硅薄片的装置与方法。
DE-PS 30 35 563 C2公开了一种多晶太阳能电池的制造方法，其中通过粉末冶金过程制得硅基板，然后再将太阳能电池的活性硅层涂敷于硅基板上。该硅基板制造过程中，首先要将硅粉制成压结体，然后通电使电流流过该粉末压结体，由此产生烧结或者使之熔化而制成。硅层则是通过离心涂敷液态硅、气相沉积或者等离子喷涂方法涂敷上的。或者也可以在硅基体上施加粉末形态的硅层，之后使其熔化。
这种已知方法相对比较复杂，因为首先必须要制造硅基体，随后还需在其上面制备硅层。
DE 35 36 743 A1也披露了一种制造太阳能电池用的大面积硅单晶体的方法，其中作为初始原材料使用的是硅粉，并通过烧结将其转变成薄膜态。随后对该薄膜进行热处理，其中通过单侧的能量辐射使得其厚度的一半以上熔化，然后再重新结晶。之后，剩余厚度的部分在另一次热处理中熔化并重新结晶。在第二次热处理中，剩余部分结晶时形成的更大晶粒能够长大到跨越硅膜的整个厚度。该方法由于需多次热处理而同样相对复杂。
从其独立权利要求的上位概念出发已知，JP-A-57143819公开了将硅粉置入模具的凹口内。模具的该凹口与所需制造的硅片的形状相同。凹口被一个盖封闭。由模具和盖构成的整个单元被加热到硅的熔点温度以上。在随后的冷却过程中，硅熔体凝固成薄片，之后从模具中将其取出。为了使熔化的硅与模具之间不发生材料间的反应，凹口的壁用氮化硼进行涂层处理。
DE 35 24 997 A1公开了一种水平提拉硅板的方法，其中在熔池上方一起提拉支撑体和硅熔体，所述支撑体同时还是晶态硅板形成过程中的结晶晶核。在熔池沿提拉方向的边缘区域中，熔体受到一个磁性行波场的影响，使得由于感应电流与此行波场的交互作用，在提拉方向的反方向上对熔体的弯曲表面施加一个非接触性的压力。这样，能够避免熔体被已结晶层拉出熔池边缘。
本发明的目的是提供一种既简单又成本低廉的可行方法，以制造用于太阳能电池的半导体材料薄片、特别是硅薄片。利用该方法能够得到结晶度足够高、从而具有满意效率的硅薄片。本发明的另一个目的是提供一种实施该方法的装置。
本发明的目的是提供一种既简单又成本低廉的可行方法，以制造用于太阳能电池的半导体材料薄片、特别是硅薄片。本发明的另一个目的是提供一种实施该方法的装置。
本发明目的中涉及方法的部分，是通过主权利要求的特征来完成的。根据本发明，至少在凝固的起始阶段，熔体处于一个电场和/或磁场中。所述场与从熔体中结晶出来的材料之间的交互作用使得晶体定向生长，从而生成大晶粒或者几乎是单一晶体的薄片。
根据权利要求2所述，所述场为均匀场较佳。根据权利要求3所述，如果所述场围绕一个中间方向摆动，则能达到特殊效果。
权利要求4给出了制造半导体材料薄片的装置的基本构造。
由权利要求5至8所给的特征，可将该装置进一步完善，使其更具优势。
以下借助示意性图例举例并更详细地说明本发明。
图示为
图1是半导体材料薄片的制造装置的截面图，图2是图1中所示的实施例的一个剖面图，其中截线为图1中的II-II线，图3是与图2类似的视图，其带有附加的电容器，图4是图1中模具构件表面经放大后的剖面视图，及图5是图4中所示表面的俯视图。
根据图1，经进一步加工可制成太阳能电池的硅薄片，其制造模具具有底构件2和上构件4，在它们中间构成一个带有脱气口5的空腔。模具构件2和4可例如由石英、碳化硅、或者其它适合的材料制成，其中石英要用钨进行涂层处理，而且涂层延续到空腔内。
在底构件2的底上安放有金属片6，它由钨、或者其它耐高温能力尽量高的材料制成。在底构件的热量传递条件适当时，也可以使用钢甚至铜。
在空腔内放入高纯度的细硅粉末8，通过将底构件2与上构件4向一起压紧使其致密。
为了加热硅粉8，在上构件4中集装有电导体10，该导体彼此平行，并与上构件4的下表面平行。在电导体10中通入电流，上构件4的下表面由此被电加热，其中受图中未示出的控制仪器的操控，送入的热能能够将硅粉8熔化。当导体10(图2)中通过的电流流向相同时，由每根导线10产生的磁场穿过硅粉8，彼此相加合成为一个在硅粉8或其熔体内部同方向上的磁场，而且其方向平行于上构件4的下表面。
如果该过程中提供的加热能量不足以保持熔体的流动状态，熔体将在磁场的作用下开始结晶。磁场将使结晶以均匀且相同的方式进行，因而生成粗大的晶体甚至单个的晶体。由硅粉8得到的已凝固的薄片与金属片6紧密结合在一起，因而硅的厚度能在100μ以下，但没有危险。金属片6此外还起到硅材料的接触件的作用。随后的掺杂、接触处理和最终的太阳能电池的制造均通过常规方法完成，如采用掺杂材料的内扩散和接触轨的沉积方法。
这里所描述的装置能够进行多种形式的改变。
例如，可以不用金属片6。可直接将硅熔体置入底构件2中，此时，电导体10可优先设置于底构件2内，或者另外设置于上构件4中。在特殊情况下，也能够在完全不用上构件4的情况下进行工作。
根据图3所示，可以使用一个电场替代磁场，或者附加于磁场上，对凝固的熔体施加作用。此时，将模具安置于电容器的两个极板12与14之间，其施加一个均匀的电场。明显的作用效果出现在两个极板12与14沿双箭头方向绕着水平轴往返摆动的情况下。此时，熔体及结晶的硅片被一个绕中间方向摆动的电场穿过。
由电导体10产生的磁场能够被消除掉，为此需要使相邻的导线中流过的电流方向相反，这可以通过将其连接到相应的电源上(图中未示出)来实现。不难理解，能够将方向相同的电流转换成反方向的电流。
图4所示是上构件4的下表面18的剖面，它决定了所制造的硅片的表面的形态。下表面18上有槽纹，形成分隔开来但又彼此相邻的角锥，其朝向观察者的尖在图5中以20标示。这种方式生成的硅片在其上方具有一个由相邻的角锥构成的表面。这能够提高随后制得的太阳能电池的效率。
本发明能够通过一种简便途径制造大面积的硅片，它能将照射的太阳光高效率地转化成电能。所制造的硅片的厚度能够控制到很小，因而减少了半导体材料的消耗量。这里的半导体材料可以是任何一种适用作太阳能电池的材料，如锗、硒或者砷化镓。
权利要求
1.一种制造用于太阳能电池的半导体材料薄片、特别是硅薄片的方法，其包含以下工序将半导体材料在一个加热的模具中熔化，该熔体制造模具具有与所需制造的薄片大致相同的形状，以及降低所述模具的加热量，由此使熔体凝固成片，所述方法的特征在于，熔体至少在凝固初期处于一个电场和/或磁场中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述场是均匀的场。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述场围绕中间方向摆动。
4.一种制造用于太阳能电池的半导体材料薄片、特别是硅薄片的装置，其具有一个用于容纳半导体材料(8)的模具(2、4)以及一个用于加热所述模具的加热装置(10)，其中所述模具与它所容纳的半导体材料按如下方式彼此相互匹配熔体的形状与待制造的薄片的形状大体一致，在所述模具冷却时凝固形成薄片，所述装置的特征在于还包括一个用来产生作用于容纳在模具(2、4)中的熔体上的电场和/或磁场的装置(10；12、14)。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述加热装置是由模具构件(2、4)内与待制造的薄片表面平行、并且彼此平行的电导体(10)构成的，所述导体至少在模具(2、4)中容纳的熔体凝固的起始阶段有同方向的电流流过，从而产生一个作用于所述熔体上的磁场。
6.如权利要求4至5之一所述的装置，其特征在于，安装有一个电容器(12、14)，而所述熔体安置于它的两个极板之间。
7.如权利要求4至6之一所述的装置，其特征在于，所述模具在朝向熔体的一侧至少部分地刻有槽纹。
8.如权利要求4至7之一所述的装置，其特征在于，在所述模具内置入一个金属片(6)，它构成凝固半导体片的接触件和支撑结构。
全文摘要
本发明涉及一种制造用于太阳能电池的半导体材料薄片、特别是硅薄片的方法,其中,半导体材料(8)的熔体凝固成薄片。本发明的特征在于,所述熔体至少在凝固初期处于一个电场和/或磁场中。
文档编号C30B11/00GK1271465SQ98809536
公开日2000年10月25日 申请日期1998年9月24日 优先权日1997年9月26日
发明者沃尔夫冈·普里斯穆特 申请人:沃尔夫冈·普里斯穆特