专利名称：太阳能电池基板、太阳能电池的制造方法及其使用的坩埚的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及制造关于器件的低成本基础材料的方法，如太阳能光伏电池，LED等， 更具体地，本发明涉及制造低成本硅晶片的方法。
背景技术：
根据目前的工艺，基于多晶硅的太阳能电池生产有三个主要阶段。首先，生产大量的硅片作为基底，通常对于25兆瓦生产力的工厂来说，每月生产百万的硅片。其次，这些硅片通过形成P_n结以及金属印刷加工成太阳能电池。第三，然后将这些硅片“封装”成一个模块，以便安装到用户的设备中。通过热分解含Si-H-CL的有害气体制造太阳能电池的硅料，该含Si-H-CL的有害气体如，二氯硅烷和三氯硅烷，进而生产超高纯度的多晶硅，一般称为九个九，即 99. 9999999%的纯度。这些气体是高度易燃且有毒的，由于气化硅对环境和健康造成危害， 在世界上只有少数工厂有能力运作，从而导致半导体和太阳能电池产业的成长“瓶颈”。新近提出的硅气化工厂面临当地社区环境和安全问题上的阻力。这些工厂还需要大量的资本投资和很长的运作周期。因此，总存在硅片需求和供应之间的不平衡。纯化的硅(所谓的多晶硅，硅烷基化合物的气化和分解得到多晶硅)通常以颗粒或块状的形式提供以适合半导体和太阳能电池的应用。然后熔化多晶硅，并且使用仔晶拉出单晶硅棒或多晶带硅。可替换的，将多晶硅铸成圆柱形。该拉出的单晶硅棒被切割，成型并打磨成5-6英寸的圆形硅片，以后会切割成方形硅片。然后，在碱性化学蚀刻中的湿化学蚀刻应用于制绒工艺，如氢氧化钾。POCldf散形成pn结。然后应用PECVD氮氧化硅来形成防反射涂层钝化。在n型表面涂上丝网印刷银浆，以及在p型表面涂上铝浆。然后，金属浆料通过粘贴烧结形成电性接点。最后，根据太阳能电池各自的特性进行测试及分类，例如， 他们的IV曲线。上述工艺是众所周知的，并且在行业内已实行多年。然而，半导体中的大部分成本 (即，价值)在于将抛光硅片转变为一个运作的集成电路。但在太阳能电池制造的过程中， 用于生产太阳能电池片的抛光硅片的成本高于将抛光硅片转变为一个运作的太阳能电池的制造成本。也就是说，在商业模式中，将硅晶片转化为太阳能电池的过程，在太阳能电池板整体链中并不是一个高增值的制造步骤。因此，与太阳能电池制造技术的改进截然相反， 任何改善或减少开始硅片的制造成本的措施将使成品太阳能电池板的价格急剧减少。为了克服太阳能电池的硅原料的问题，最近提出了使用廉价的冶金级硅料生产太阳能电池的方法。例如，美国专利7956283，7951640和7960644。虽然很多学术文章的结论认为冶金级娃料不能用于制造太阳能电池，但是，Sunpreme已经开发和验证了冶金级娃太阳能电池板，并且在效率上已能与单晶和多晶硅硅片制成的太阳能电池相匹敌。导致多晶硅片比单晶硅芯片效率低的问题之一是晶向。也就是说，单晶硅晶圆可以视作一个单一的晶向，例如〈100〉,而多晶硅具有多种晶向，例如，〈100〉，〈211〉，〈110〉。为了增加太阳能电池产生的光电流，必须在硅片表面制绒以便捕捉到更多的阳光。制绒〈100〉晶向的方法是众所周知的，可以产生理想的金字塔形状。然而，制绒具有不同晶格方向的多晶表面要困难得多，尤其是使用湿化学法，即化学蚀刻。具体来说，很难搭配适当的腐蚀剂， 将硅片表面所有晶格方向蚀刻成理想的绒面。
发明内容
以下披露提供了对于本发明的某些方面和功能的了解。本发明内容并不是本发明的广泛概述，因此其目的并不是具体确定本发明的关键或重要元素或划定本发明的范围。 其唯一目的是以简单形式表现出本发明的一些概念，以在下面更详细的说明本发明。本发明的各种实施方式提供了用于制造多数〈100〉晶向的硅衬底的方法。根据本发明的实施方式，使用在坩埚底部有多个口袋的坩埚。〈100〉晶向的仔晶放在坩埚的每个口袋里，并且在坩埚中填充适当硅料，然后高温铸锭。一旦硅料熔化，此种制作方式的口袋可以防止置放仔晶的浮动。坩埚被放置于铸锭设备内，以确保该口袋在铸锭时位于加热和熔化区的下面。加热熔化开始在坩埚顶部，位于口袋上方。一旦硅料熔化到底部，硅液体流动到口袋里和仔晶接触。然后慢慢降低坩埚，较低的熔化部分开始固化，并沿仔晶的〈100〉方向成长。
本发明的其它方面和特征见具体实施方式
并参考下列附图。
具体实施方式
和附图提供了本发明各种实施方式的非限制示例，其由附加的权力要求来定义。并入且并构成本发明一部分的随附附图体现了本发明的实施方式，并且与说明书一起解释和说明本发明的原则。附图是为了以图表的方式说明本发明示例性的实施方式。 附图并没有描绘实施方式的每个特征，也没有描绘所述元素的相对尺寸，以及不按比例绘制。图I是根据本发明实施方式所示的已装料坩埚在熔化之前的示意图。2是根据本发明实施方式所示的坩埚的俯视图。图3是根据本发明实施方式所示的已装料坩埚在熔化期间的示意图。图4是根据本发明实施方式所示的已装料坩埚在凝固期间的示意图。图5A和5B是使用根据上述示例所生产的硅片制造的太阳能电池。
具体实施例方式本发明的实施方式能够生产降低成本的太阳能电池，同时减少在传统的太阳能电池制造过程中对于健康和环境的危害。与传统学术相反，本发明披露了使用3N-5N纯度的冶金级硅料(MGSi)以制造基板和太阳能电池的方法。本发明披露的各种实施方式结合了晶体硅太阳能电池和基于薄膜技术电池的薄膜硅太阳能电池转换效率大于16%的好处。为了提高转换效率，通过在制造太阳能电池之前硅片表面的绒面处理来增加短路电流，JC。通过在多个〈100〉晶向仔晶上进行冶金级硅的铸造可增加〈100〉晶向的百分进而有助于制绒工艺。图I为根据示例性实施方式所示的铸造坩埚100。在这个实施方式中，坩埚是一般的矩形。坩埚的底部有多个口袋105。口袋分布在坩埚底部的两个维度上，如图2所示。<100>晶向的硅仔晶110放在口袋105中，然后，将硅料135装入坩埚。如图I中标注所示， 当硅料135融化时以确保仔晶110不从口袋中浮动和退出。在图I中的标注，口袋外墙115 上是一个进入角，因此这种口袋底部的直径大于口袋上方直径。也就是说，每个口袋105的墙115是以锐角重新进入的角度，这种口袋的底部大于其向坩埚底部开放的开口。首先硅仔晶以一个角度插入，然后放置在口袋底部。这可以防止仔晶从口袋中浮出。根据披露的实施方式，硅料是低成本的多结晶冶金硅，纯度从约3个9到5个9，即硅纯度99. 9%至99. 999%。冶金级硅是简单地用电弧炉让两种在世界各地都能发现的矿石，石英(SiO2)与焦炭(C)产生还原反应。这两种材料本质上是纯净的沙子和煤的形式。 石墨可由其他从石油或有机植物中产生的含有高纯度C的产品替代。冶金级硅料熔化，掺杂一定量的硼以达到5E17原子*cm_3的p型掺杂浓度。此外，磷可以用作掺杂剂，以产生n 型硅片。坩埚装载到铸碇炉，如电频或电阻炉，以将硅料熔化成熔化的硅140，如图3所示。 在这个实施方式中，炉包括隔热板125，其阻隔部分坩埚和加热器130。在图3所示的位置， 坩埚是在其最上层的位置，这样隔热板125只屏蔽坩埚的口袋区域。熔化的硅140流入到口袋105中并和仔晶110接触。一旦硅完全熔化，坩埚慢慢降低，如图3中箭头所示。图4说明了降低坩埚的中间位置。在图4所示的位置处，隔热板防止热量传递到坩埚的下部，从而使熔化的硅凝固成多结晶硅145。由于在凝固过程中熔化的硅140的下部与仔晶接触，所以凝固后，它在很大程度上沿着〈100〉仔晶110晶体取向。因此，多结晶硅 145含有高比例的〈100〉晶向生成。坩埚继续降低，直到所有的熔化的硅140凝固成单一的多晶铸锭。然后将坩埚敲开释放硅锭。硅锭最外围部分被切掉，例如，一英寸。然后将硅锭切成多个小锭，再切片成硅片。根据本发明的实施方式，得到的硅片是低成本多结晶的冶金硅，纯度约3个9到5个 9，即 99. 9%M 99. 999% o使用上述铸造生产的硅片可以再加工成太阳能电池片。硅片首先须清洁，通常用 100 I氢氟酸去除表面氧化物,用NH40H/H202以去除有机污染，然后用盐酸以消除金属污染物。浸入氢氧化钾溶液中来制绒面。由于硅片含有高比例的〈100〉晶向，氢氧化钾沿 <100>晶向蚀刻生成绒面的效果显著。氢氧化钾蚀刻所生成的绒面是一个沿着〈100〉晶向的“金字塔式”结构。图5A是使用根据上述示例生产的硅片所制造的太阳能电池片。P型硅片衬底500 已清洗和制绒。然后在标准的等离子增强化学气相沉积设备中利用在没有掺杂气体加入的 SiH4的和H2中产生等离子成长一层非常薄的(10-1000 A)层505，通常低于100 A的厚度，未掺杂的本征非晶硅(a-Si:H)薄膜层。下一步，通过沉积掺杂N型的a-Si:H的510层， 其可继续使用相同的设备沉积，但是除了 SiH4的和H2外，使用PH3的等离子体来生成N层 510。接着在上面成长透明导电氧化层520，如ZnO2, IT0，或者InSnO层。透明导电氧化层 (TCO)形成上电极，太阳光穿过透明导电氧化层进入晶体硅的吸收层。对于电荷收集效率， 一系列电极515，其通常包含银浆，可被网印在透明导电氧化物层520上面。硅片底部是低电阻接触到的电池结构的背面，其是涂有铝的525层，或者是通过物理气相沉积(PVD)工艺或含有铝丝网的沉积，然后烧结形成低接触电阻。可选地，薄的P-型非晶层530在铝沉积之前沉积在硅片背后。
由此产生的太阳能电池结构至少包含以下新的特征。一个N层的非晶硅薄膜在光吸收层P型多晶冶金级硅片上组成的PN结的成本，比不管是使用太阳能或半导体级多晶硅的传统的硅片PN结约少了十倍左右。硅片生产使用有成本优势的使用仔晶的铸造法。硅片表面制绒以增加光线的吸收，从而提高电流。厚度为250-500 iim的冶金p型多晶硅的光吸收层由具有硼掺杂的冶金级硅料铸造，而不是使用更昂贵的太阳能级多晶硅。在P型冶金衬底和n型薄膜硅(a-Si:H)之间插入可选用的中间本征(未掺杂)薄膜(ia-Si:H)以钝化冶金硅表面杂质的断链影响，从而提高光伏转换效率。氢氧化钾处理〈100〉晶向晶格来生成绒面。该绒面减少光的反射，因而使电流增加。图5B是本发明的另一个实施方式。图5B的实施方式类似于图5A的实施方式，除了掺杂型态是相反的。也就是说，吸收光源的衬底500是由n型的冶金硅制造。沉积的非晶层510是极性相反的，即p型的结。可以看出，图1-5B的实施方式提供了具有高比例〈100〉晶向的冶金级硅衬底的薄膜结太阳能电池。由于冶金硅和绒面的属性，这具有更好的光吸收的优点。因此，转换效率提高。另一方面，冶金硅片的使用提供了比传统的太阳能或半导体级硅片更低的成本。此外，通过使用本文所述的冶金级硅硅片，减少了对健康和环境的危害。本发明所述的示例在各方面都旨在说明而非限制性的关系。本领域技术人员应了解，硬件，软件和固件的多种不同的组合都将适用于本发明。此外，对本领域技术人员而言， 本发明的其他实现从本发明披露的其他规范和实践的工艺技能显而易见。应注意，说明和示例仅作为示例性的，本发明的精神和范围通过所附的权利要求表示。
权利要求
1.用于制造太阳能电池的基板的方法，包括获得坩埚，所述坩埚在其底部具有多个口袋；装载硅仔晶到所述口袋，所述硅仔晶具有〈100〉晶向；装载硅料到所述坩埚；熔化所述硅料以生成硅熔体，所述硅熔体流到口袋中；使所述硅熔体固化，所述固化起始于坩埚底部，以获得固体硅锭。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，其进一步包括防止仔晶浮动的口袋。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其进一步包括在熔化和固化过程中对所述口袋进行热屏蔽。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其进一步包括在熔化和固化过程中对所述口袋进行冷却。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，其中所述装载硅料包括装载冶金级硅纯度约99. 9%至99. 999%的硅料。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，其进一步包括将所述硅碇切割成硅砖，再切成硅片。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，其进一步包括使用KOH溶液制绒。
8.用于制造太阳能电池的方法，包括获得坩埚，所述坩埚在其底部具有多个口袋；装载硅仔晶到所述口袋，所述硅仔晶具有〈100〉晶向；装载硅料到所述坩埚；熔化所述硅料以生成硅熔体，所述硅熔体流到口袋中；使所述硅熔体固化，所述固化起始于坩埚底部，以获得固体硅锭；将所述硅碇切割成硅砖，再切成硅片；将所述硅片制绒；在所述硅片前端表面制造接面。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，其进一步包括掺杂产生P型硅衬底。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，其进一步包括在硅片上制造n型层。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，其进一步包括在P型衬底和n型层之间制造本征薄层。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，其进一步包括在n型层上部制造顶部接触面和在衬底底部制造底部接触面的方法。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，其进一步包括掺杂产生N型硅衬底。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，其进一步包括在硅片上制造p型层。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，其进一步包括在N型衬底和p型层之间制造本征薄层。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，其进一步包括在p型层上部制造顶部接触面和在衬底底部制造底部接触面的方法。
17.用于制造固化硅的坩埚，所述坩埚包括矩形主体，其具有一个底部和四侧，其中所述底部包括多个可以放置硅仔晶的口袋。
18.根据权利要求17所述的坩埚，其中所述口袋为具有倾斜侧壁的防止仔晶浮动的口袋。
19.根据权利要求17所述的坩埚，其中所述防止仔晶浮动的口袋包括在坩埚底部的多个口袋开口以及口袋底部，每个口袋底部的直径大于相对应的口袋开口的直径。
全文摘要
本发明涉及制备大多数晶向为的硅衬底的方法以及具有在坩埚底部有多个口袋的坩埚。晶向的硅仔晶放置在坩埚的每个口袋中，并且坩埚中填满硅料用于铸造。坩埚放置在铸锭设备内，使得口袋位于加热和熔化区的下面。加热熔化开始于坩埚顶部。一旦硅料熔化到底部，硅液体流动到口袋中并和仔晶接触。然后慢慢降低坩埚，较低的熔化部分开始固化，并沿着仔晶的方向生长。
文档编号H01L31/18GK102605418SQ201210012899
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月16日 优先权日2012年1月16日
发明者吴昆旭, 阿肖克·库马尔·辛哈, 雷平·赖 申请人:上澎太阳能科技(嘉兴)有限公司