Handbook of Photovoltaic Science and Engineering

236
BULK CRYSTAL GROWTH AND WAFERING FOR PV
Figure 6.23
Experimental 50-cm-diameter EFG cylinder exiting from furnace
the growth process and maximises its stability to mechanical and thermal fluctuations.
Depending upon the wetting qualities of the strings and their diameter, the meniscus
height at the strings near the edges differs from that at the centre, and it is usually much
lower at the edges [52, 53].
For comparable thicknesses, the growth velocities of STR are similar to EFG and
WEB. Careful adjustment of the growth parameters can allow very thin ribbon, down
to 5
µ
m, to be grown [54]. Generally passive after heaters are used, but some work on
an active after heater has been carried out to allow low-stress, 100-
µ
m-thick ribbon to
be grown. This material was sufficiently flat to be made into solar cells. Because of the
concave downward meniscus curvature at the string, any grains nucleated at the strings
can propagate into the ribbon.
RGS
. In this growth technique, the silicon melt reservoir and die are placed in close
proximity to the top surface of a substrate, on which the ribbon/foil grows. The sub-
strate may be graphite or ceramic (Figure 6.25) [55]. The principle is to have a large
wedge-shaped crystallisation front. The die contains the melt and acts to fix the width

---

SILICON RIBBON AND FOIL PRODUCTION
237
Filaments
Seed
Sheet
crystal
Meniscus
melt
Crucible
Figure 6.24
Schematic of String Ribbon (STR) growth system
Shaping die
VR
Si ribbon
Substrate
Si melt
VI
Figure 6.25
Schematic of Ribbon Growth on a Substrate (RGS) configuration
of the foil. The thickness of the foil is controlled by the heat-removal capacity of the
substrate, pull rate and surface tension. The direction of crystallisation and growth are
nearly perpendicular. The area of the growth interface now can be very large compared
to the foil thickness. The latent heat is extracted by conduction into the substrate. The
thermal gradients near the interface are small, thus reducing thermally induced stress in

---

238
BULK CRYSTAL GROWTH AND WAFERING FOR PV
the wafer. Growth rates from 4 to 9 m/min have been demonstrated. One example was
an 8.6-cm-wide foil, 300-
µ
m thick, grown at 6.5 m/min.
An important goal in the R&D phase of RGS has been to make a substrate that
can be reused. After cooling, the silicon foil may be separated from the substrate by
stresses arising from differences in thermal expansion between substrate and silicon.
Experimentation with coated foils is in progress and offers the most promise in pro-
viding a cost-effective reusable substrate. Thicknesses between 100 and 500
µ
m have
been grown. By working with the lower thermal gradients in the foil thickness direction,
but still large enough for rapid growth, fluctuations in the pulling speed and gradient only
affect the foil thickness slightly [55].
SF
. The details of the SF process are proprietary. The silicon crystal is grown in a thin
layer directly upon either an insulating or a conducting substrate, with a barrier layer
that promotes nucleation [56]. In the case of an insulating substrate, the barrier layer
must also act as a conductor to collect the current generated in the cell. In the case of
a conducting substrate, the substrate can also act as an electrical conductor if
vias
, or
holes, are provided to connect the thin silicon crystal layer and the substrate. The SF
thin film and barrier layer do not separate from the substrate on cooling as in RGS, but
become the active part of the solar cell. The grown polycrystalline silicon layer is made
very thin (
100
µ
m), thus reducing the amount of silicon required. Currently, layers of
20-
µ
m thickness are under development. A variety of substrate materials have been used
including steel, ceramics and graphite cloth [56, 57]. It is necessary that the barrier layer
prevent the transport of impurities from the substrate into the silicon. The barrier layer
allows wetting and nucleation during growth. It should also act to electrically passivate
the back surface and have a high optical reflectivity.
An insulating barrier layer has been reported that promotes growth of large colum-
nar grains (greater than 1 mm) through the thickness of the grown SF silicon film [56].
As-grown films on coated ceramic substrates exhibit very low diffusion lengths of less
than 10
µ
m. The new barrier layer and the substrate result in longer diffusion lengths, 20
to 40
µ
m, and the silicon has an improved response to phosphorous gettering.