Спосіб одержання пластин для сонячних елементів з мультикристалічного кремнію

Винахід відноситься до області напівпровідникових перетворювачів сонячної енергії, зокрема, до одержання пластин з мультикристалічного кремнію для виготовлення сонячних елементів (СЕ). Домінуюче положення на ринку перетворювачів сонячної енергії займають СЕ на кремнієві. Досягнутий на сьогодні коефіцієнт корисної дії ККД сонячного елемента на монокристалічному кремнієві дорівнює 1417% в умовах масового виробництва. Однак вартість пластин з монокристалічного кремнію досить висока і складає 55% від ціни СЕ (J. Szlufcik, F. Duerinckx, E. Van Kerschaver, J. Nijs. Advanced Industrial Technologies for Multicrystalline Silicon Solar Cells. - 17 th EU-PVSEC, Munich, Oct. 2001, Pros. IMEC, Belgium) [1]. Одним зі шляхів зниження вартості вихідної пластини є заміна дорогого процесу вирощування монокристалічного кремнію за методом Чохральського процесом вирощування мультикристалічного кремнію методом спрямованої кристалізації і виготовлення пластин з мультикристалічного кремнію. Пластина, виготовлена з мультикристалічного кремнію, складається з безлічі безладно орієнтованих монокристалічних областей, що у фотовольтаіці прийнято називати зернами. ККД сонячного елемента на такій пластині нижче, ніж на пластині з монокристалічного кремнію, тому що ефективність СЕ на мультикремнієвій пластині сильно залежить від дефектності структури кремнію. Відомо, що найбільша ефективність досягається на ділянках мультикристалічної пластини з низькою дефектністю структур. Ці ділянки поводяться багато в чому аналогічно монокристалічному матеріалу (J. Knobloch, A. Noel, Ε. Schaffer, U. Schubert, F.J. Kamerewerd, S. Klubmann, W. Wettlig. "High-efficiency Solar Cell from FZ, CZ and MC Silicon Material", Fraunhofer institut Solare Energiesysteme, Achievements and Results, Annual Report 1993, p. 271-275) [2]. Найбільш близьким є спосіб одержання пластин для сонячних елементів з мультикристалічного кремнію, що включає порізку на брикети злитка, отриманого з розплаву кремнію методом спрямованої уздовж вертикальної осі кристалізації, і порізку брикетів на пластини (Рекламний проспект компанії Photowatt, 1995р.) [3]. Після відділення забруднених областей злитка (пристінних, придонної та верхньої) порізку злитка на брикети проводять у площинах, паралельних вертикальний осі злитка в двох взаємно перпендикулярних напрямках, причому, крок порізки дорівнює стороні квадрата, а порізку брикету на пластини здійснюють у площині, перпендикулярній вертикальній осі злитка. Однак за відомим способом одержують пластини, що складаються з великої кількості монокристалічних зерен, середній розмір яких не перевищує 20мм. Це знижує ефективність роботи СЕ на такій пластині. Задачею винаходу є удосконалення способу одержання пластин для сонячних елементів з мультикристалічного кремнію, у якому в результаті запропонованого напрямку порізки злитка досягається зниження числа монокристалічних зерен у пластині, за рахунок чого підвищується ефективність роботи СЕ на такій пластині. Поставлена задача вирішується запропонованим способом одержання пластин для сонячних елементів з мультикристалічного кремнію, що включає порізку на брикети злитка, отриманого з розплаву кремнію методом спрямованої уздовж вертикальної осі кристалізації, і порізку брикетів на пластини, у якому порізку злитка на брикети проводять у площинах, паралельних і перпендикулярних вертикальний осі злитка, а порізку брикету на пластини здійснюють у площині, паралельній вертикальній осі злитка. При цьому крок порізки злитка на брикети дорівнює стороні квадрата пластини. Після порізки злитка на брикети видаляють пристінні, придонну і верхню забруднені області мультикристалічного злитка. Експериментально нами було встановлено, що якщо забезпечити порізку злитка таким чином, що кут між площиною, по якій відрізається пластина і напрямком кристалізації не перевищує 45°, то розмір монокристалічних зерен на пластині набагато більше, а щільність міжзеренних границь менше. Міжзеренні границі містять центри рекомбінації неосновних носіїв заряду, причому, щільність цих центрів вище, ніж в об'ємі зерна. При освітленні СЕ фотогенеровані носії рекомбінують на зазначених центрах і, унаслідок цього, не приймають участі в переносі зарядів у зовнішньому ланцюзі. Тому, чим менше щільність межзеренних границь у пластини з мультикристалічного кремнію, тим вище ККД сонячного елемента на такій пластині. Для того щоб забезпечити порізку пластин у площині, що відхиляється від напрямку кристалізації не більше ніж на 45°, злиток, отриманий з розплаву кремнію методом спрямованої кристалізації, при якій температурний градієнт орієнтований уздовж вертикальної осі, піддають порізкі на брикети в площинах, паралельних і перпендикулярних його вертикальній осі. Винахід пояснюється малюнками і фотографіями, де зображено: на Фіг.1 - схема печі для вирощування злитків мультикристалічного кремнію методом спрямованої уздовж вертикальної осі кристалізації; на Фіг.2 - схема порізки мультикристалічного злитка на блоки; на Фіг.3 - схема порізки блока мультикристалічного злитка на брикети; на Фіг.4 - схема порізки брикету мультикристалічного злитка на пластини; на Фіг.5 - представлена структура пластини розміром 125x125мм2, отриманої за відомим способом; на Фіг.6 - структура пластини розміром 125x125мм2, отриманої за заявляємим способом. Здійснення способу. Мультикристалічний злиток одержують методом спрямованої уздовж вертикальної осі кристалізації таким чином. Тигель 1 із завантаженням 2 поміщають у плавильну піч, що складається з нагрівача 3, нерухомих теплоізолювальних елементів 4 і рухливого теплоізолювального елемента 5. Рухливий теплоізолювальний елемент 5 виконаний з можливістю переміщення у вертикальному напрямку відносно тигля 1. При переміщенні теплоізолювального елемента 5 змінюється зазор між ним і дном тигля 1, що дозволяє керувати відбором теплової енергії у дна тигля. За допомогою нагрівача 3 завантажену піч нагрівають до температури, вище температури плавлення кремнію. Після необхідної витримки кремнієвої сировини 2 у розплавленому стані, теплоізолювальний елемент 5 повільно опускають униз. При цьому нижня частина тигля 1 починає охолоджуватися набагато швидше, ніж верхня. Таким чином, створюється вертикальний градієнт температур у розплаві. Нагрівач 3 виключають і тигель 1 повільно охолоджують. Оскільки низ тигля 1 охолоджується набагато швидше, розплав кремнію 2 у дна тигля 1 швидше досягає температури кристалізації кремнію. У цей момент на дні кварцового тигля 1 починають рости монокристали кремнію, центри кристалізації яких розкидані по дну випадково. Кристалографічна орієнтація кожного зароджуваного монокристала теж носить випадковий характер. При подальшому охолодженні розплаву 2 монокристалічні області будуть збільшуватися, (зерна будуть рости). Зерна мають довільну форму, однак через існування вертикального температурного градієнта напрямок кристалізації орієнтований уздовж вертикальної осі злитка і, унаслідок цього, розмір зерен у вертикальному напрямку набагато перевищує їхній розмір у горизонтальному напрямку. Іншими словами, зерна витягнуті уздовж вертикальної осі. На всіх малюнках стрілкою показано напрямок вертикальної осі кристалізації злитку. Отриманий злиток піддають порізкі. При необхідності, крайні області 6 злитка, забруднені небажаними домішками через контакт із бічними стінками тигля 1, обрізають. Порізку злитка на блоки 7 у площинах, паралельних вертикальний осі злитка, при цьому крок порізки злитка на блоки 7 дорівнює стороні квадрата пластини. При необхідності, верхню і нижню (придонну) забруднені області блоку 7 обрізають, і порізку блоків 7 на брикети 8 здійснюють у площинах, перпендикулярних вертикальний осі злитка, при цьому крок порізки також дорівнює стороні квадрата пластини. Порізку брикетів 8 на пластини 9 здійснюють у площині, паралельній вертикальної осі злитка. Порядок порізки злитка на блоки і брикети може бути іншим, необхідно тільки порізати злиток на брикети у взаємно перпендикулярних площинах щодо вертикальної осі злитка так, щоб порізка на пластини здійснювалася в площині, паралельній вертикальної осі злитка. За заявляємим способом були отримані пластини для СЕ з мультикристалічного кремнію розміром 125x125мм2. Середній розмір зерен на пластинах, виготовлених відповідно до заявляемого способу, близько 70мм, максимальний розмір зерен може досягати 150мм. ККД пластин, одержаних за запропонованим способом, наближається до ККД монокристалічних пластин. На представлених фотографіях показано структуру пластин з мультикристалічного кремнію, отриманих за відомим способом (фіг.5) та за способом, що заявляється (фіг.6).