Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Aufbringen einer gleichmäßigen, dünnen Flüssigkeits-, insbesondere Phosphorsäureschicht auf Substrate, insbesondere Siliziumzellen für die Fotovoltaik nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. dem des Anspruchs 14 sowie auf ein Verfahren zum Aufbringen einer gleichmäßigen, dünnen Flüssigkeitsinsbesondere Phosphorsäureschicht auf Substrate, insbesondere Siliziumzellen, für die Fotovoltaik nach dem Oberbegriff des Anspruchs 18.

Um fotovoltaische Zellen aus Silizium herstellen zu können, ist zunächst eine Phosphor-Dotierung der rohen Zellen erforderlich. Dazu wird die Zelle im ersten Schritt mit Phosphorsäure benetzt und die benetzten Zellen werden dann in einen Hochtemperaturofen bei ca. 800 bis 900 C° gebracht, wo aus der getrockneten Säure das Phosphor in das Siliziumsubstrat diffundiert. Dabei soll die Beschichtung zum einen sehr gleichmäßig erfolgen, um eine Gleichverteilung bei der Diffusion zu erreichen, und zum anderen sehr sparsam sein, da der Überschuss an Phosphorsäure auf die Zelle als "Phosphorglas" aufschmilzt und nur mühsam mit Hilfe von Flusssäure wieder abgetragen werden kann bzw. muss.

In bekannter Weise erfolgt das Aufbringen von Phosphorsäure auf die Siliziumsubsträte derart, dass mittels einer Hochfrequenzschallvorrichtung die Phosphorsäure vernebelt und der Phosphorsäurenebel auf die Siliziumsubstrate abgelegt wird. Der Phosphorsäurnebel wird dabei aus der Prozesskammer

in einen Fallschacht geführt, der relativ breit ist und in relativ großem Abstand oberhalb der vorbeigeführten Siliziumsubstrate bzw. -zellen angeordnet ist. Nachteilig hieran ist, dass diese bekannte Einrichtung keine Gewähr für eine Homogenisierung des Nebels bietet, da schon leichte Luftbewegungen genügen, um den Nebel zu "Verblasen" . Außerdem führt die Ausgestaltung der Prozesskammer dazu, dass schädliche Kondensattropfen auf die Siliziumzellen fallen, was einer homogenen Benetzung bzw. Beschichtung entgegenläuft. Man hat versucht, derartige Kondensattropfen durch eine Tropfwanne unterhalb des Fallschachtes aufzufangen, was jedoch eine gleichmäßige Nebelausbreitung in noch größerem Maße behindert .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Einrichtung zum Aufbringen einer gleichmäßigen, dünnen Flüssigkeits-, insbesondere Phosphorsäureschicht auf Substrate, insbesondere Siliziumzellen, für die Photovoltaik der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine sowohl hinsichtlich der Fläche als auch der Menge wesentlich homogenere Aufbringung von Flüssigkeit, insbesondere Phosphorsäure auf die betreffenden Substrate, insbesondere Siliziumzellen zulässt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer Einrichtung zum Aufbringen einer gleichmäßigen, dünnen Flüssigkeitsinsbesondere Phosphorsäureschicht auf Substrate, insbesondere Siliziumzellen für die Fotovoltaik der genannten Art die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale vorgesehen.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist innerhalb eines im wesentlichen geschlossenen Kreislaufes sowohl eine homogene Nebelbildung als auch eine homogene Führung des Flüssigkeitsnebels vom Erzeugungsort (Prozesskammer) bis zum Ort der Aufbringung und während der Aufbringung auf die Substrate, insbesondere Siliziumzellen erreicht. Diese

Homogenität betrifft sowohl die flächige Ablagerung als auch die mengenmäßige Ablagerung auf den Siliziumsubstraten. Außerdem lässt sich durch die Verjüngung des Flüssigkeitsnebel-Fallschachtes und dem sich ergebenden Rückstau eine Verdichtung und weitere Homogenisierung des Flüssigkeitsnebels erreichen.

Mit den Merkmalen nach Anspruch 2 ist eine herstellungstechnisch einfache Ausführung des Fallschachtes erreicht.

Mit den Merkmalen nach Anspruch 3 ist erreicht, dass die oberhalb der durchlaufenden Siliziumsubstrate angeordnete Decke der DurchlaufSchachtanordnung auf Temperatur gehalten wird, so dass eine Kondensierung des Flüssigkeitsnebels und damit Tröpfchenbildung nicht möglich ist, was zusätzlich die Homogenität des Flüssigkeitsnebels und dessen Aufbringung fördert .

Mit den Merkmalen nach Anspruch 4 und/oder 5 ist eine regelbare und homogene aktive Durchleitung der Flüssigkeitsnebels vom Entstehungsort bis zur Aufbringung und während der Aufbringungsphase erreicht. Dabei ist es bei Einsatz des Abluftkanals zweckmäßig, die Merkmale nach Anspruch 6 vorzusehen, um die Homogenität des Flüssigkeitsnebels am Durchlaufende der Schachtanordnung nicht zu beeinträchtigen und dem Flüssigkeitsnebel eine definierte Strömungsgeschwindigkeit zu verleihen.

Mit den Merkmalen nach Anspruch 7 ist in bevorzugter und vorteilhafter Weise erreicht, dass sich durch die auf den Flüssigkeitsnebel wirkende Schwerkraft und Einwirkdauer über die Transportzeit hinweg der Flüssigkeitsnebel gleichmäßig und in ausreichender Menge auf den Siliziumsubstraten niederschlagen kann.

Nach den Merkmalen des Anspruchs 8 ist im Bereich der Flüssigkeitsnebelerzeugung ein Prallelement vorgesehen, das den Vorteil hat, dass dessen Kunststoffgewebe die Flüssigkeit spritzfrei auffängt und in die Flüssigkeitswanne zurückrieseln lässt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung hierzu ergibt sich durch die Merkmale nach Anspruch 9.

Eine Ausgestaltung der Decke der Prozesskairmer nach den Merkmalen des Anspruchs 10 ergibt im Hinblick auf die Homogenität des Flüssigkeitsnebels den Vorteil, dass sich durch die geneigte Anordnung das daran sammelnde Kondensat zurück in die Flüssigkeitswanne leiten lässt.

In entsprechender Weise werden gemäß Anspruch 11 Maßnahmen im Flüssigkeitsnebel Fallschacht vorgesehen, die in der Lage sind, Kondensat, das sich an den Wänden des Fallschachtes niederschlägt, tropffrei nach unten abzuleiten. Hierbei ist es zweckmäßig, die Merkmale nach Anspruch 12 vorzusehen, so dass das Kondensat über die Rinnen zur Seite abgeleitet werden kann.

Eine weitere bevorzugte konstruktive Ausgestaltung ergibt sich nach den Merkmalen des Anspruchs 13, mit dem Vorteil, dass eine derartige Einrichtung in der Breite eine nahezu beliebige Ausdehnung erhalten kann.

Bei der eingangs genannten bekannten Einrichtung wird eine Hochfrequenzschallvorrichtung eingesetzt, deren Hochfrequenzschallgeber, bzw. -erzeuger gegen Phosphorsäure nicht resistent ist. Deshalb ist es notwendig, ein Zwischenbehältnis einzusetzen, das luftfrei mit Wasser gefüllt und mit einem Temperierkreislauf verbunden ist. An der Unterseite des Zwischenbehältnisses ist der Hochfrequenzschallerzeuger befestigt, und an der Oberseite des Zwischenbehältnisses eine Membran, wobei das Wasser und die Membran als Schalltransmitter vom Hochfrequenzschallgeber

zum darüber liegenden Phosphorsäurebecken bzw. -wanne dienen. Nachteilig hierbei ist die aufwendige teure Technik, häufige Ermüdungsbrüche der Membran und der daraus resultierende mühselige zeitaufwendige Austausch der Membran, als auch die Dämpfungseigenschaften eines solchen Schalltransmitters .

Um diese Nachteile zu vermeiden, sind bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art die im Anspruch 14 angegebenen Merkmale vorgesehen.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist erreicht, dass in der Quarzglasdüse sowohl die Phosphorsäure als auch der Schall fokussiert werden. Dabei ist es zweckmäßig, die Merkmale nach Anspruch 15 vorzusehen, so dass die in der Quarzglasdüse verdrängte Flüssigkeit über die Zuführungen nachfließen kann.

Eine bevorzugte konstruktive Ausgestaltung hierzu ergibt sich aus den Merkmalen nach Anspruch 16.

Mit den Merkmalen nach Anspruch 17 ist erreicht, dass der Hochfrequenzschallerzeuger im wesentlichen unmittelbar mit der Phosphorsäure in Verbindung gebracht werden kann, ohne dass sich Nachteile hinsichtlich in der Intensität der Hochfrequenzschallerzeugung ergeben.

Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen einer gleichmäßigen, dünnen Flüssigkeitsinsbesondere Phosphorsäureschicht auf Substrate, insbesondere Siliziumzellen für die Fotovoltaik, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 18.

Wie erwähnt, mangelt es bei den bisherigen vergleichbaren Verfahren an der Homogenität der Flüssigkeitsnebelführung und damit der Phosphorsäureablagerung.

Um dies zu verbessern, sind bei einem Verfahren genannten Art die im Anspruch 18 angegebenen Merkmale vorgesehen.

Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen ist erreicht, dass der Flüssigkeitsnebel sich aktiv und in homogener Weise von der Flüssigkeitsnebelerzeugung aus bis hin zum Aufbringen bzw. Niederschlagen der Flüssigkeitsnebelschicht auf die Substrate führen lässt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu ergeben sich aus den Merkmalen des Anspruchs 19 und/oder 20.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert ist.

Es zeigen:

Figur 1 in schematischer teilweise längsgeschnittener Seitenansicht eine Einrichtung zum Aufbringen einer gleichmäßigen, dünnen Phosphorsäureschicht auf Siliziumsubstrate für die Fotovoltaik und

Figur 2 eine bei der Einrichtung nach Figur 1 verwendete Hochfrequenzschallvorrichtung im eingebauten Zustand und im Querschnitt.

Die in Figur 1 dargestellte Einrichtung 10 dient zum Aufbringen einer gleichmäßigen, dünnen Phosphorsäureschicht auf Siliziumsubstrate bzw. -zellen 12 für die Fotovoltaik. Dabei werden die Siliziumsubstrate 12 auf einer Transportvorrichtung 13 in Richtung des Pfeiles A zugeführt und weggeführt und während der Transportbewegung mit einer Phosphorsäureschicht dadurch homogen, dass die Siliziumsubstrate 12 durch einen Phosphorsäurenebel 15, der

mittels einer Hochfrequenzschallvorrichtung 11 innerhalb einer Prozesskammer 14 erzeugt wird, geführt werden.

Gemäß Figur 1 ist in der sich in Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene über eine gewählte Länge erstreckenden Prozesskammer 14 bodenseitig eine Wanne 16 angeordnet, die Phosphorsäure enthält. Die Phosphorsäurewanne 16 ist über eine Rohrleitung 18 mit einem Phosphorsäuretank 19 verbunden. Von diesem Tank 19 wird der Wanne 16 Phosphorsäure entsprechend dem Bedarf vorzugsweise temperiert. Im Boden 21 der Flüssigkeitswanne 16 ist die

Hochfrequenzschallvorrichtung 11 befestigt, die weiter unten anhand der Figur 2 näher beschrieben wird.

Die Prozesskammer 14 ist von einer gemäß Figur 1 rechten Seitenwand 22, einer gegenüberliegenden linken Seitenwand 23, eine Decke 24 und parallel zur Zeichnungsebene liegenden und nicht dargestellten Endwänden begrenzt. Die Prozesskammer 14, die über dem Flüssigkeitstank 19 liegt, ist an ihrem der linken Seitenwand 23 zugewandten Bereich mit einem zur Transportvorrichtung 13 gerichteten Fallschacht 25 versehen. Die Decke 24 der Prozesskammer 14 ist von der rechten Seitenwand 23 ausgehend schräg ansteigend angeordnet und mit der linken Seitenwand 23 dicht verbunden, die in ihrer zur Transportvorrichtung 13 gerichteten Verlängerung 23 ' die Seitenwand des Fallschachtes 25 bildet. Diese Seitenwand 23, 23 ' ist zur Transportvorrichtung 13 hin schräg in Richtung zur rechten Seitenwand 22 geneigt, so dass sich ein etwa keilförmig zur Transportvorrichtung 13 hin gestalteter bzw. verjüngender FaIIschacht 25 ergibt, dessen gegenüberliegende Seitenwand 26 sich vertikal und damit parallel zur höher liegenden rechten Seitenwand 22 der Prozesskammer 14 erstreckt. Diese Seitenwand 26 des Fallschachtes 25 begrenzt die Flüssigkeitswanne 16 und ist über den Flüssigkeitsspiegel 20 der Flüssigkeitswanne 16 hinaus unter Bildung eines Wehres 27 verlängert.

Im oberen Bereich der rechten Seitenwand 22 der Prozesskammer 14 ist ein Prallelement 27 befestigt, das schräg nach unten, d.h. zur Flüssigkeitswanne 16 hin geneigt in die Prozesskammer 14 ragt und in einem Abstand vor dem Wehr 27 unter Bildung eines Durchganges 29 endet.

Das Prallelement 28 besitzt einen mit Kunststoffgewebe 30 bespannten Rahmen, wobei das Kunststoffgewebe 30 die mittels der Hochfrequenzschallvorrichtung 11 herausgeschleuderte Phosphorsäuretröpfchen im Phosphorsäurenebel 15 spritzfrei auffängt und die Tröpfchen in die Flüssigkeitswanne 16 zurückrieseln lässt. Es tritt somit lediglich der, Phosphorsäurenebel durch den Durchgang 29 und das Kunststoffgewebe 30 des Prallelements 28 hindurch den dahinter liegenden Raum der Prozesskammer 14. Das Kunststoffgewebe 30 des Prallelements 28 lässt außerdem das sich an der Decke 24 der Prozesskammer 14 sammelnde und zur rechten Seitenwand 22 zurückfließende Kondensat durch und in die Flüssigkeitswanne 16 abfließen.

In einem Bereich zwischen dem Flüssigkeitsspiegel 20 der Wanne 16 und dem Prallelement 28 ist ein Zuluftanschluss 31 vorgesehen, dessen Zuführleitung mit einer Regeleinrichtung 32 versehen ist. Damit wird über die regelbare Zuluft 31, 32 der entstandene Phosphornebel über das Wehr 27 zum Eingang des Fallschachtes 25 getrieben bzw. aktiv bewegt.

Sowohl die ineinander übergehenden Teile der linken Seitenwand 23, 23' als auch die Seitenwand 26 des Fallschachtes 25 sind mit einer Gewebebespannung 34 versehen, um zu erreichen, dass sich das Kondensat des Phosphorsäurenebels 15, das sich an den Wänden des Fallschachtes 25 niederschlägt, von dieser Gewebebespannung 34 tropffrei nach unten abgeleitet werden kann. Hierzu enden die Unterkanten der Seitenwände 23, 23' und 26 oberhalb von

Rinnen 36 bzw. 37, die das Kondensat in nicht im einzelnen dargestellter Weise zur Seite, d.h. in einer Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene ableiten.

Über der Transportvorrichtung 13 bzw. dem oberen Trumm 39 der Transportvorrichtung 13, auf dem die Siliziumsubstrate 12 aufliegen und in Richtung des Pfeiles A bewegt werden, ist eine Durchlauf-Schachtanordnung 40 vorgesehen, die einen Einlaufbereich 41 vor dem Fallschacht 25 und einen Aus1aufbereich 42 nach dem Fallschacht 25 besitzt. Zwischen dem Einlaufbereich 41 und dem Auslaufbereich 42 ist die Schachtanordnung 40 nach oben offen, in welchen Öffnungsbereich der Fallschacht 25 mündet. Am in Durchlaufrichtung A hinteren Ende ist der Auslaufbereich 42 der Schachtanordnung 40 mit einem Absaugkasten 43 versehen, in dessen Öffnung, die dem Trumm 39 der Transportvorrichtung

13 zugewandt ist, ein dachförmig angeordnetes Kunststoffgewebe 45 zur Bildung eines Laminarisators angeordnet. Am diesem Kunststoffgewebe 45 abgewandten Ende des Absaugkastens 43 ist eine Absaugleitung 46 befestigt, in der eine Regelvorrichtung 47 mit einem Sauggebläse 48 zur aktiven Bewegung bzw. Strömung des Phosphorsäurenebels 15 angeordnet sind. Hinter dem Sauggebläse 48 ist eine Kondensatrückführung 49 vorgesehen, die in den Phosphorsäuretank 19 mündet.

Aufgrund der beiden Regeleinrichtungen 32 und 47 für die Zuluft und Abluft kann der entstandene Phosphorsäurenebel 15 in regelbarer Weise von dem Ort der Entstehung, nämlich der Prozesskammer 14, über den nach unterhalb der Prozesskammer

14 und der Flüssigkeitswanne 16 ragenden Fallschacht 25 in die Schachtanordnung 40 zu dem Ort bewegt werden, an dem die Siliziumsubstrate 12 beschichtet werden. Aufgrund der keilförmigen Ausgestaltung des Fallschachtes 25 wird durch den Rückstau der Phosphorsäurenebel verdichtet und homogenisiert. Durch den unmittelbaren Übergang vom

Fallschacht 25 in die relativ niedrige Schachtanordnung 40 bleibt der Phosphornebel 15 homogen und verdichtet und füllt somit den Auslaufbereich 42 der Schachtanordnung 40 komplett bzw. vollständig aus. Da mit Hilfe des Absaugkastens 43 der nicht abgelagerte Teil des Phosphorsäurenebels 15 aus dem Auslaufbereich 42 der Schachtanordnung 40 über dessen gesamte Breite gleichmäßig abgesaugt wird, bleibt die Homogenität des Phosphorsäurenebels im Auslaufbereich 42 erhalten. Damit kann sich aufgrund der auf den Phosphorsäurenebel wirkenden Schwerkraft und der Einwirkdauer über die Transportzeit hinweg Phosphorsäure gleichmäßig und in ausreichender Menge auf die Substrate 12 niederschlagen. Die Dosierung des Phosphorsäurenebels erfolgt feinfühlig über die Zu- und Abluftregelung sowie über die Leistungsregelung der Hochfrequenzschallvorrichtung 11. Ein homogenes und gleichmäßiges (örtliches und zeitliches) Einwirken des Phosphorsäurenebels auf die Siliziumsubstrate 12 wird außerdem dadurch erreicht, dass die Transportgeschwindigkeit der Transportvorrichtung 13 für die Siliziumsubstrate 12 an die Geschwindigkeit der Bewegung des Phosphorsäurenebels 15 durch den weitgehend geschlossenen Kreislauf von der Prozesskammer 14 über den Fallschacht 25 und die Schachtanordnung 40 bis zum Absaugkasten 43 angepasst und vorzugsweise mit ihr synchronisiert, d.h. , gleichgesetzt wird.

Für eine gleichmäßig homogene Führung des Phosphorsäurenebels 15 über die gesamte Strecke ist es von Bedeutung, dass die Dimensionierung bzw. das Mündungsende des vertikalen Flüssigkeitsnebel-FallSchachtes 25 und der den Ablagerungsraum abgrenzenden Durchlauf-Schachtanordnung 40 für die Substrate 12 aufeinander abgestimmt, vorzugsweise identisch sind.

Um innerhalb des Auslaufbereichs 42 der Schachtanordnung 40 ein Kondensieren des Phosphorsäurenebels (15) an der Decke 51

der Schachtanordnung 40 zu vermeiden, ist über dem Auslaufbereich 42 ein RücklaufSchacht 52 vorgesehen, dessen Boden durch die Decke 51 gebildet ist. Der RücklaufSchacht 52 ist über eine Leitung 53 mit einem Füllstandsrohr 54 der Phosphorsäurewanne 16 in einem Bereich des Zugangsendes des Auslaufbereichs 42 der Schachtanordnung 40 verbunden, so dass temperierte und aus der Wanne 16 überlaufende Phosphorsäure über der Schachtanordnung 40 in Richtung der Transportrichtung A strömen kann. Am Ende des RücklaufSchachtes 52 ist hinter einem wehrähnlichen Element 56 eine Rohrleitung 57 angeschlossen, die die überschüssige Phosphorsäure in den Phosporsäuretank 19 zurückführt.

Figur 2 zeigt in einem Ausschnitt der Figur 1 die bei der Einrichtung 10 verwendete Hochfrequenzschallvorrichtung 11 in schematischer längsgeschnittener Darstellung. Die Hochfrequenzschallvorrichtung 11 besitzt ein Kunststoffgehäuse 61, das eine Bohrung 62 im Boden 21 der Phosphorsäurewanne durchdringt und mit einem Flansch 63 an der Unterseite des Wannenbodens 21 befestigt ist. Innerhalb eines vom Flansch 63 umgebenen unteren hohlen Gehäuseteils 64 ist im Bereich des Wannenbodens 21 als

Hochfrequenzschallerzeuger ein Piezoelement 65 angeordnet, dessen Unterseite in nicht dargestellter Weise mit Verbindungsleitungen versehen ist und dessen Oberseite mit einer Quarzglasscheibe 66 belegt vorzugsweise verklebt ist. Die Quarzglasscheibe 66 ist in ihrer Dicke auf die Hochfrequenzschallfrequenz des Piezoelementes 65 abgestimmt, so dass der Schall nahezu verlustfrei durchgeleitet werden kann. Diese Einheit aus Piezoelement 65 und Quarzglasscheibe 66 ist mit der letzteren voraus an der der Phosphorsäure in der Wanne 16 zugewandten Seite hermetisch dicht zur Unterseite hin in dem hohlen Gehäuseteil 64 eingebaut. In das in die Phosphorsäurewanne 16 ragende und mit dem hohlen Gehäuseteil 64 einstückige obere hohle Gehäuseteil 67 ist eine Quarzglasdüse 68 mit ihrem unteren durchmessergrößeren

Ende eingeschraubt. In das obere hohle Gehäuseteil 67 sind eine Vielzahl von über dem Umfang angeordnete radiale Bohrung 69 eingebracht, über die die in der Wanne 16 enthaltene Phosphorsäure in den Raum der Quarzglasdüse 68 zufließen kann und auch mit der Quarzglasscheibe 66 in Berührung kommt. Die Quarzglasdüse 68 verjüngt sich zu ihrer in die Prozesskammer 14 ragenden Mündung 71 hin. Damit ragt die mit der Mündung 71 versehene Spitze der Quarzglasdüse 68 über den Flüssigkeitsspiegel 20 der Phosphorsäure in der Wanne 16 ein stückweit hinaus. In der Quarzglasdüse 68 werden sowohl die Phosphorsäure als auch der Schall fokussiert, wenn durch Hochfrequenzschallenergie des Piezoelementes 65 über die Scheibe 66 die in der Düse 68 enthaltene Phosphorsäure über den Flüssigkeitsspiegel 20 der Phosphorsäure in der Wanne 16 hinaus hochgeschleudert wird. Um die herausgeschleuderte Phosphorsäure herum ergibt sich eine heftige Bildung von Phosphorsäurenebel 15. Wie erwähnt, werden die Phosphorsäuretröpfchen, die sich vom Phosphorsäurenebel am Prallelement separieren, von der Wanne 16 wieder aufgefangen.

Die in der Quarzglasdüse 68 verdrängte Phosphorsäure zur Bildung des Phosphorsäurenebels 15 kann über die radialen Bohrungen 69 aus der Wanne 16 wieder nachfließen.

Es sei angemerkt, dass die in Figur 1 dargestellte Einrichtung 10 statt mit der Hochfrequenzschallvorrichtung 11 nach Figur 2 auch mit einer in anderer Weise ausgebildeten Hochfrequenzschallvorrichtung versehen sein kann.