从籽晶制造浇铸硅的方法和装置的利记博彩app

专利名称：从籽晶制造浇铸硅的方法和装置的利记博彩app
技术领域：
本发明概括地涉及光致电压领域和涉及用于制造用于光致电压(photovoltaics) 应用的浇铸硅的方法和装置。本发明还涉及新型浇铸硅，其可用于制造器件，诸如光伏电池 和其它半导体器件。新型硅可具有单晶、近似单晶、双晶或几何多晶结构并且可通过利用籽 晶的浇铸过程来制造。
背景技术：
光伏电池将光转化为电流。光伏电池最重要的特征之一是其将光能转化为电能的 效能。尽管光伏电池可以从各种各样的半导体材料制造，但是一般使用硅，因为硅可以合理 的成本被容易地获得，并且因为硅具有供制造光伏电池使用的电性质、物理性质和化学性 质之间的适当平衡。 在制造光伏电池的已知过程中，将硅原料掺杂具有正或负电导率类型的掺杂物， 熔融，然后如下进行结晶将结晶的硅从熔区拉出形成单晶硅的锭料(经由柴氏单晶生长 法(Czochralski， CZ)或悬浮区熔(FZ)法)，或浇铸形成根据单个硅晶粒粒径的不同而异 的多晶硅(multi-crystalline silicon)或多晶体硅(polycrystalline silicon)的块或 "砖形块"。本文使用的术语"单晶硅"是指单晶硅主体，遍及整个主体具有一个一致的结晶 取向。另外，常规的多晶硅是指具有厘米级粒度分布的晶硅，有多个随机取向的结晶位于多 晶硅主体内。然而，本文使用的术语"几何学有序的(geometrically ordered)多晶硅"(在 下文中縮写为"几何学多晶硅")是指根据本发明实施方案的晶硅，其具有几何学有序的厘 米级粒度分布，有多个有序的结晶位于多晶硅主体内。例如，在几何学多晶硅中，晶粒的粒 度一般平均为约0. 5厘米到约5厘米，并且在几何学多晶硅主体内的晶粒取向根据预定方 向受到控制。另外，本文使用的术语"多晶体硅"是指具有微米级粒径的晶硅并有多个晶粒 取向位于被给出的晶硅主体内。例如，晶粒的粒度一般平均为约亚微米到约微米(例如，单 个晶粒是肉眼不可见的)，并且晶粒取向遍及整个主体随机分布。在上述过程中，锭料或块 通过已知的切或锯的方法被切割成薄的衬底，也被称作晶片(wafer)。这些晶片然后可被加 工成光伏电池。 供制造光伏电池使用的单晶硅一般通过CZ或FZ法制造，二种方法都是其中产生 圆柱型晶硅棒(boule)的方法。对于CZ法，使籽晶接触熔融硅池并且从该池中缓慢地拉出 晶棒并同时通过晶棒的固体部分排除热。本文使用的术语"籽晶"是指一块(a piece of)结晶材料，其与液体硅接触从而使得在固化期间液体硅适合于籽晶的结晶度。对于FZ法， 使固体物料通过熔区，在进入熔区一侧时熔融，并在熔区的另一侧再固化， 一般地通过接触 籽晶进行。 最近，已经发明了在浇铸站中生产单晶或几何学多晶材料的新技术，如于2007 年1月18日提交的美国专利申请11/624， 365和11/624,411以及美国专利申请公报 20070169684A1和20070169685A1 。用于生产多晶硅锭料的浇铸过程是光致电压技术领域 中已知的。简而言之，在这些方法中，将熔融硅包含在坩埚诸如石英坩埚中，并以受控方式 将其冷却，从而使被包含在其中的硅结晶。 一般将得到的浇铸晶硅块切割成具有的横截面 与要用于制造光伏电池的晶片的大小相同或接近的砖形块，以及将该砖形块锯成或以其它 方式切割成这种晶片。以这种方式产生的多晶硅是晶粒的聚结物，其中，在由其制造的晶片 中，晶粒相对于彼此的取向实际上是随机的。单晶硅或几何学多晶硅具有经过特别选择的 晶粒取向和(在后一种情况即几何学多晶硅中)具有晶粒边界，并且可以通过在上述的专 利申请中所公开的新的浇铸技术，通过使液体硅接触在所述工艺期部分地保持是固体的较 大的籽晶层并在固化期间通过籽晶层排除热而被形成。本文使用的术语"籽晶层"是指形 成连续层的结晶或具有所需结晶取向的结晶组。可使它们与坩埚的一侧相适形(conform with)，用于浇铸目的。 为了生产优质的浇铸锭料，应该满足几个条件。首先，尽可能多的锭料具有所需的 结晶度。如果锭料要是单晶，则锭料的整个可用部分应该是单晶，对于几何学多晶材料同样 如此。其次，硅将含有尽可能少的缺陷。缺陷可以包括个别的杂质，杂质聚结物，硅晶格内 的固有晶格缺陷和结构缺陷诸如错位和堆垛层错。这些缺陷中有许多缺陷可以在从晶硅制 造的执行机能的光伏电池中引起电荷载流子的快速复合。这可以导致电池效能降低。
许多年的开发已经实现在充分生长的CZ硅和FZ硅中的缺陷的量达最小。无位错 单晶可以通过首先生长薄颈来实现，其中使在籽晶处被并入的所有的错位向外生长。通过 保持籽晶相对于熔体的反时针方向转动，避免了内含物和二次相(例如，氮化硅，氧化硅或 碳化硅粒子)的并入。就本工业目前已知的，使用FZ技术或磁CZ技术，可以使氧的并入最 小化。金属杂质一般地在棒完成后通过被保留在锅底料或柄脚(tang)末端中而被减至最 小。 发明概述 根据一些实施方案，本发明涉及控制硅浇铸期间的热流、特别是经过籽晶的热流 的方法和装置。令人希望地，硅熔融时具有扁平的界面，但是硅生长时具有尽可能大的弯曲 度(curvature)，从而使得单晶硅材料的量最大化。本发明的实施方案平衡了原料熔融和结 晶材料生长之间的平衡。 在熔融步骤中，可以经过籽晶进行加热以确保原料熔融，而保持籽晶的至少一部 分为固体，以引发在固化步骤期间的结晶生长取向。在固化步骤期间，希望减少和/或防 止热量通过坩埚壁损失，从而使得产生的多晶材料的量最小化。因为坩埚的底部与吸热器 热连通并且坩埚所用材料一般比熔融硅包含更高的热导率，因此坩埚侧壁也冷却。令人惊 讶地和意想不到的是，布置在坩埚下方的热传导材料和热绝缘材料的构造使得可以控制热 流，从而通过增加从籽晶产生的单晶硅的量来改善固化。 本文使用的术语"近似单晶硅"是指晶硅主体的大于50体积％中具有一个一致的
6结晶取向，其中，例如，这种近似单晶硅可包括紧挨着多晶区域的单晶硅主体，或者这种近 似单晶硅可包括较大的、连续一致的硅结晶，其部分或全部地包含具有其它结晶取向的较
小的硅结晶，但是该较小的硅结晶占总体积的不到50% 。优选地，近似单晶硅可包含占总体 积不到25%的较小结晶。更优选地，近似单晶硅可包含占总体积不到10%的较小结晶。仍 更优选地，近似单晶硅可包含占总体积不到5%的较小结晶。 本文使用的术语"双晶硅"是指硅主体的大于或等于50体积％中具有一个一致的 结晶取向，而该主体体积的其余部分具有另一个一致的结晶取向。例如，这种双晶硅可包括 具有一个结晶取向的单晶硅主体，该单晶硅主体紧挨着另一个具有不同结晶取向并构成晶 硅体积的其余体积的单晶硅主体。优选地，双晶硅可在相同的硅主体内包含两个离散的区 域，所述区域仅在它们的结晶取向上是不同的。 根据本发明，正如具体和概括描述的，提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括将 填充硅的坩埚布置在层上，所述层包括接触吸热器的热传导材料，和热绝缘区域，其中所 述层的热传导部分接触坩埚底表面的约5%到约99% ;和通过排除经过热传导层热使硅固 化。热排除可发生在部分或所有的硅熔融之后，以便通过使浇铸硅达到第一温度、然后将其 冷却到第二温度来指导用籽晶进行的生长。 根据本发明，还提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括将硅布置在具有朝着坩埚 中心向内呈锥形(tapered)的壁的坩埚中，将硅熔融，通过坩埚底部排除热使硅固化，使浇 铸硅达到第一温度，将硅冷却到与第一温度不同的第二温度，从坩埚抽出浇铸硅并然后将 浇铸硅切成片。 根据本发明，还提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括将硅布置在具有远离坩埚 中心向外呈锥形的壁的坩埚中，将硅熔融，通过坩埚底部排除热使硅固化，使浇铸硅达到第 一温度，将硅冷却到与第一温度不同的第二温度，从坩埚抽出浇铸硅并然后将浇铸硅切割。
根据本发明，还提供了用于硅的浇铸的坩埚，所述坩埚具有底表面和多个侧壁，其 中多个侧壁中的至少一个，以相对于与坩埚底表面垂直的平面成约1°到约25°的角度并 在从底表面向上延伸的方向上看，朝着坩埚的中心向内呈锥形。呈锥形的一个或多个侧壁 可减少在远离底表面的方向上所取的容器的横截面。 根据本发明，还提供了用于硅的浇铸的坩埚，其具有底表面和多个侧壁，其中多个 侧壁中的至少一个，以相对于与坩埚底表面垂直的平面成大于约2°的角度并在从底表面 向上延伸的方向上看，从坩埚的中心向外呈锥形。呈锥形的一个或多个侧壁可增加在远离 底表面的方向上所取的容器的横截面。 根据本发明，还提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括用脱模涂层涂覆坩埚的内 侧壁，留下无涂层的底壁；布置硅籽晶使其接触无涂层的底壁，将硅原料布置在坩埚中，将 原料熔融同时保持籽晶处于至少部分固态，通过籽晶排除热使硅固化，使硅达到第一温度 并将硅冷却到第二温度。 根据本发明，还提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括将先前的浇铸锭料切成厚 片(slabs)，对厚片进行化学处理以除去杂质，将厚片布置在坩埚中用作籽晶层，然后用用 于浇铸的原料填充坩埚。 根据本发明，还提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括将单晶硅籽晶层布置在坩 埚的至少一个表面上，以便在该层的中心区域中的籽晶具有一个与该表面垂直的结晶极方向并且覆盖该层面积的约50%到约99%，同时该层的边缘上的剩余的籽晶具有至少一个 不同的、与该表面垂直的结晶极(crystal pole)方向并覆盖剩余的层面积；加入原料硅并 使该原料和籽晶层的一部分达到熔融状态；通过籽晶层排除热使硅固化；使硅达到预定的 例如均匀的第一温度，然后优选将硅均匀地冷却到均匀的第二温度。 根据本发明，还提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括将至少一个具有至少约 10cmX约lOcm面积的单晶籽晶放置在被搁在部分绝缘底板上的坩埚的底表面上；引入固 体或液体硅原料并使籽晶部分地熔融，以凸起的固体边界增加单晶生长的横截面的方式通 过籽晶排除热；使硅达到第一温度并将其冷却，优选均匀地将其冷却到第二温度；从浇铸 硅的与籽晶相对的一侧切割厚片；使用化学方法清洁厚片；并使用该大厚片作为新的籽晶 层用于随后的浇铸过程。 根据本发明，还提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括将晶硅的籽晶层与固体硅 原料一起装载到具有盖或覆盖物的坩埚中，使硅熔融和固化，同时保持籽晶层的一部分为 固体并同时使氩气和氮气中的至少一种气体流过盖或覆盖物中的至少一个孔而至少另一 个孔排放所述气体；优选均匀地使硅冷却。 根据本发明，还提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括将晶硅的籽晶层装载到坩 埚中，用盖覆盖坩埚；将液体硅引入到坩埚中，液体硅优选经过过度加热；使籽晶层的一部 分熔融；使硅固化，同时使氩气和氮气中的至少一种气体流过盖中的至少一个孔而至少一 个另外的孔排放所述气体；和使所述硅冷却。 根据本发明，还提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括一起装载晶硅的籽晶层与 固体原料；使原料和籽晶层的一部分熔融，同时保持固体/液体界面在籽晶层的中心部分 上是实质上扁平的，和在籽晶层的边缘处是凸起的；通过籽晶层排除热并同时至少最初保 持相同的固体/液体界面形状使硅固化；使硅达到第一温度并将硅冷却到第二温度，加热 和冷却优选均匀地进行。 根据本发明，还提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括一起装载晶硅的籽晶层与 固体原料；使原料和籽晶层的一部分熔融，同时保持固体/液体界面在整个籽晶层上是实 质上扁平的；通过籽晶层排除热并同时至少最初在包括籽晶层边缘的区域内提供额外的热 使硅固化；使硅达到第一温度并优选将硅均匀地冷却到第二温度，加热和冷却优选均衡地 进行。 根据本发明，还提供了用于硅的浇铸的装置，该装置包括用于包围被搁在吸热 器上的坩埚的加热器，该加热器被提供用于硅的熔融；用于通过吸热器进行热的受控排 除的机构；用于引入气体的端口 ；和至少一个隔热的水冷管回路，其与主加热器一起存在 (residing with)并用于环绕坩埚，其中该回路可被通电以在坩埚内的不同区域处提供感 应加热。


并入本文并构成本说明书的一部分的

了本发明的实施方案，并与说明书 一起用于解释本发明的特征、优点和原理。在附图中 图1A-1B图示了根据本发明的实施方案，其中在浇铸站中在坩埚下方热绝缘层与 热传导层组合的示例性系统；
图2A-2D图示了根据本发明的实施方案，锥形坩埚的两个实施例以及对其中硅的 浇铸的所需影响的图解； 图3图示了根据本发明的实施方案，被装载到被部分涂覆的坩埚中的硅原料的实 施例； 图4图示了根据本发明的实施方案，用于再循环籽晶层材料的方法的实施例；
图5图示了根据本发明的实施方案，用于形成籽晶层的单晶硅的示例性设置；
图6图示了根据本发明的实施方案，用于产生大的单晶籽晶层的示例性方法；
图7A-7B图示了根据本发明的实施方案，用于浇铸低碳单晶硅或多晶硅的示例性 装置； 图8图示了根据本发明的实施方案，用于浇铸单晶硅或多晶硅的示例性装置；禾口
图9A-D图示了根据本发明的实施方案，热绝缘层与热传导层以交替的几何图形 组合的示例性系统。
实施方案的描述 现在将详细描述本发明的实施方案，其实施例在附图中进行图示，只要可能，相同 或相似的附图标记将用在整个附图中，用来指相同或相似的部件。 在根据本发明的实施方案中，熔融硅的结晶化通过使用籽晶的浇铸过程来进行。 本文公开的这种浇铸过程可被实施，以便使结晶的硅的浇铸体内的晶粒的尺寸、形状和晶 粒取向受到控制。本文使用的术语"浇铸"是指通过在用于容纳熔融硅的模具或容器中冷 却熔融硅而形成的硅。例如，硅可通过在坩埚中固化而形成，其中固化由坩埚的至少一个壁 引发，而不是通过将硅拉出坩埚以外的冷却的外来物体引发。因此，熔融硅的结晶化不受通 过移动籽晶或移动模具、容器或坩埚而"拉出"棒的控制。另外，根据本发明的实施方案，模 具、容器或坩埚包含至少一个热的侧壁表面，用于固化熔融硅。本文使用的术语"热的壁"是 指其与熔融硅等温或比熔融硅更热的表面。优选地，热的壁表面在硅的加工期间保持固定。
根据本发明的实施方案，结晶的硅可以是连续的单晶硅，或是连续的具有受控的 晶粒取向的多晶硅。本文使用的术语"连续的单晶硅"是指单晶硅，其中硅主体是单晶硅的 一个均匀主体，而不是连接在一起形成更大硅块的较小硅块。另外，本文使用的术语"连续 的多晶硅"是指多晶硅，其中硅主体是多晶硅的一个均匀主体，而不是连接在一起形成更大 硅块的较小硅块。 根据本发明的实施方案，硅的浇铸可以通过将所需的晶硅"籽晶"的集合布置在例 如可以容纳熔融硅的容器诸如石英坩埚的底部来完成。籽晶可覆盖坩埚底部的全部、或大 部分、或基本上全部。本文使用的术语"籽晶"是指具有所需晶体结构并具有几何学形状的 硅块，其具有与其中可放置该硅块的容器的表面相适形的侧。该籽晶可以是单晶硅块或几 何学有序的多晶硅块。根据本发明，籽晶可具有与其底表面平行的上表面，尽管并不必需如 此。例如，籽晶可以是尺寸为约2毫米-约IO毫米到约lOO毫米-约1000毫米变化的硅 块。硅块可具有约1毫米到约1000毫米、优选约10毫米到约50毫米的厚度。籽晶的合适 的尺寸和形状可为了方便和铺贴(tiling)起见来进行选择。铺贴，其在下文更详细地被描 述，是其中硅籽晶横跨坩埚的底部或坩埚的侧面和底表面以预定的几何学取向或图案被设 置。 然后可将硅原料引入到坩埚内位于籽晶上方，然后使原料熔融。或者，可将熔融硅直接倾入到坩埚内并位于籽晶上方。当熔融硅被倾入时，坩埚优选首先达到非常接近于硅 的熔融温度或高达硅的熔融温度的温度，然后将熔融硅倾入到其中。根据本发明的实施方 案，可以在固化开始之前使籽晶薄层熔融。 然后使熔融硅冷却并在籽晶存在下结晶，优选进行的方式使得进行熔融硅的冷却 以便熔融硅的结晶化在固体籽晶的最初顶部的水平处或低于该水平处开始结晶化并继续 远离、优选向上远离该籽晶。这可通过籽晶将熔融热排除到吸热器来完成。本文使用的术 语"吸热器"是指用于从另一个材料主体排除热的材料主体。吸热器可借助于从更高温度 区域向更低温度区域传导热、通过与更低温度的流体进行对流或通过直接对更低温度的物 体照射能量来进行热排除。热梯度一般被保持横跨吸热器以便一侧与待冷却的物体平衡而 另一侧与更冷的区域交换能量。 根据本发明的实施方案，在熔融硅和结晶的硅之间的液体_固体界面，在熔融或 固化期间，不必被保持为在浇铸过程中自始至终都是实质上扁平的。也就是说，在冷却期间 在熔融硅的边缘处的固体_液体界面受到控制，以便在增加在熔融硅和硅籽晶之间的距离 的方向上移动。当熔融硅的固化开始时，固化前沿最初是实质上扁平的，优选在正生长的硅 固体物质的水平边缘处具有强曲率。固体-液体界面的形状从而可在浇铸过程自始至终都 具有受控的轮廓。 通过与本发明的实施方案相符合的方式进行熔融硅的结晶化，可以产生具有特定
的、而非随机的晶粒边界和特定的晶粒粒径的浇铸硅。另外，通过使得所有的籽晶被取向为
相同的彼此相对的方向的方法来排列籽晶，例如，与坩埚底部垂直的(100)极方向和与矩
形或正方形横截面坩埚的一侧成45。的(110)极方向，可以获得较大的浇铸硅主体，其是、
或基本上是、其中该浇铸硅的极方向与籽晶的极方向相同的单晶硅。类似地，其它的极方向
可与坩埚的底部垂直。另外，一个或多个籽晶可设置为使得任何共用极方向与坩埚底部垂
直。另外，根据本发明的实施方案，可以一起使用具有两个或更多个不同的极方向的籽晶以
使得结晶生长的有效性最大化，获得具有所需结晶取向的尽可能大的硅体积。 用于浇铸过程的籽晶，根据本发明的实施方案，可以具有任何所需的尺寸与形状，
但是，是具有适当的几何学形状的单晶硅块或几何学有序的多晶硅块，诸如正方形、矩形、
六角形、菱形或八角形的硅块。它们可以具有有助于铺贴的形状，从而它们可进行边对边的
布置或"铺贴"并以所需图案与坩埚的底部适形。还根据本发明的实施方案，籽晶可被布置
到坩埚的一侧或多侧上。这种籽晶可通过例如将晶硅来源诸如单晶硅的棒锯切成具有所需
形状的块而被获得。籽晶还可通过将其从根据本发明实施方案的方法制得的硅样品上切割
下来而被形成，以便用于随后的浇铸过程的籽晶可从最初的浇铸过程被制得。例如，可使用
小块的无位错籽晶材料来生长较大的无位错单晶，足以覆盖坩埚的整个底部，用作新的籽晶层。 现在将描述用于制造本发明实施方案的硅的方法和装置。然而，可理解，这些不是 形成本发明实施方案的硅的唯一方式。 参见图1A和1B，浇铸站热区的横截面如图1A所示，显示了在用籽晶进行的浇铸过 程的熔融阶段的结尾时的液体硅100和固体硅101。硅被布置在有底和壁的坩埚110中，所 述坩埚可以是例如熔融石英坩埚或硅质坩埚。此时，坩埚110内的固体硅101完全由之前 被装载在坩埚底部的硅的籽晶层组成。原料硅(未示出)被引入到籽晶层的上方。原料硅可以作为固体被装载在坩埚内并然后熔融，或者在单独的容器中被熔融并作为液体被引入 到籽晶的上方。在任一种情况中，原始的硅籽晶层被部分地熔融并且固体硅101完全由剩 余的硅籽晶层组成。优选地，坩埚110具有脱模涂层诸如由二氧化硅、氮化硅或液体密封剂 制成的一个涂层，以帮助从坩埚110中取出结晶的硅。 仍然参见图1A，在该熔炉热区的绘图中，电阻加热器120提供能量以保持熔融硅 所需的温度，而绝缘体130防止热散逸到外部室(未示出)。根据本发明的实施方案，坩埚 IIO受到许多层的支撑，这许多层还用来以受控方式传导热远离硅。例如，热传导块140将 热放射到水冷室(未示出)，从而冷却其上方的热区组件。石墨支撑板142，如图1A中的横 截面和图1B中的三维图所示，从热传导层141传导热，热传导层141又传导热远离坩埚110 和硅100及101。热绝缘层150可以示例性的构造包围热传导层141，以便改变除热路径并 因此改变固化前沿的形状。固体石墨侧板143包围坩埚110并为坩埚提供结构支撑。根据 本发明的实施方案，浇铸站可具有石墨支撑板142，尽管不要求通过热传导层141和热绝缘 层150来控制定制的热传导路径。 仍参见图1A和1B，石墨侧板143可被搁在石墨支撑板142上，并且将热直接传导 到板142，这可在坩埚的底部边缘处产生冷部位。然而，定制的热传导面对面的层141和150 的效果，可以改变冷却参数，并因此，通过例如保持坩埚110的角更热来改变液体/固体界 面的形状，导致只发生少量的侧向熔融。例如，如图1A所示，固体硅101在其左边缘和右边 缘由于在坩埚IIO下方的材料中发生的热交换而具有高曲率。这种曲率可以导致固体的侧 向膨胀和籽晶结构的向外生长。在图1A中，固体硅101的结晶生长方向由黑色箭头表示。
参见图2A-2D，硅的结晶生长可通过改变坩埚的形状而改变。例如，结晶生长可以 在如图2A和2B中所示的向外呈锥形的坩埚200中实现，其中液体硅220对固体硅221的 曲率促进了籽晶的侧向膨胀(未示出)，其生长方向在图2B中用箭头表示。在另一个实施 例中，结晶生长可以在如图2C和2D中所示的向内呈锥形的坩埚210中完成，其与图2A中 的坩埚200类似，也具有以下的优点，S卩，在将浇铸硅锭料(222+223)切割成砖形块(由虚 线所示)期间，使得可用的浇铸硅222的量最大化，且使得要被除去的不可用的或不希望的 硅223的量最小化。在浇铸硅侧壁上的不希望的硅223的锥形形状(在图2D的横截面中 可看见)是由于在坩埚底部的硅在固化和结晶生长期间在高温状态下与在锭料顶部的硅 相比所花费的额外时间所致，其更迅速地被冷却。 图3图示了被装载进坩埚310内用于浇铸的硅(原料300和结晶籽晶301)的横 截面。脱模涂层320，诸如氮化硅或碳化硅，可被施用于坩埚310的其中原料300接触坩埚 310的区域，这对应于硅300的在浇铸期间将变得完全熔融的区域。在结晶籽晶301下方未 施用涂层。籽晶301不会完全熔融，因此不会粘附于坩埚110。 图4图示了用于晶硅籽晶层的再利用的方法。如图4所示，从籽晶层401生长的 浇铸锭料400首先沿着虚线被切成片以除去含有籽晶层401的厚片材料。该厚片材料然后 在虚线边缘处进行修剪以除去可能妨碍其在另一个坩埚中放置的过剩材料。经过修剪的厚 片402，其已被修剪成具有最初籽晶层401的尺寸和形状，然后，可能与其它类似的硅片一 起，在容器410中进行处理，所述容器410为诸如含有合适的液体或其它材料的槽或管，以 从层401 (和可能的其它的硅片)上除去污染物和碎片，然后将其置于新的坩埚420中用作 随后浇铸过程中的籽晶层。
图5图示了被设置以形成籽晶层的单晶硅块的示例性布置。(001)结晶取向已经 显示出具有用于制造硅太阳电池的有利性质。(001)硅可经过化学蚀刻，蚀刻方式为使得产 生覆盖其整个表面的图案棱锥，其可通过既降低反射又增加光在材料内的通路长度而改善 硅的光陷能力。化学浸蚀可通过已知方法完成。然而，(001)硅的浇铸由于其在紧挨着硅 的多晶区域时倾向于在与其(001)极方向成锐角处生长晶粒边界而变得困难。为了抵抗多 晶硅的生长，可将几何学排列的多个单晶硅籽晶布置在坩埚内的至少一个表面(未示出) 上，例如，布置在坩埚的底表面上，其中所述几何学排列包括密堆积的多边形。如图5所示， 一块(001)硅500被(111)硅501的矩形周边包围。周边硅501的极取向显示为(111)，但 是其可以是当紧挨着多晶区域生长时被竞争性地促进的任何结晶取向。以这种方式，大多 数的得到的浇铸锭料(未示出)将由(001)硅组成，并且从硅501生长的被竞争性地促进 的(111)晶粒将限制多晶硅在硅500内被(001)硅所占据的区域内生长。类似地，通过浇 铸多晶硅主体产生的硅晶粒，根据本发明的实施方案，可以柱状方式生长。另外，这些晶粒 的横截面可以是、或接近于、籽晶(从该籽晶形成所述晶粒)形状，而不是具有当固化进行 时收縮的(001)横截面积。当制造具有经过特别选择的晶粒边界的硅时，优选晶粒边界接 合点只具有三个在角处相遇的晶粒边界，如图5中所示配置中满足的条件。
图6图示了制造用作籽晶层的大面积的、无位错单晶的方法。在该方法中，在横截 面中进行描述，将多晶原料600与单晶籽晶601 —起装载，所述单晶籽晶601可具有面积为 约25cm2到约10， OOOcm2的侧向尺寸和约3mm到约1000mm的厚度。原料600被布置在坩埚 610中，然后将坩埚610布置在站(未示出)上，该站位于层620、621和630上面，由热传导 (620)和热绝缘(630)部件组成。热传导部件620的面积优选与坩埚610的底部具有大约 相同的形状，具有的侧向面积是籽晶601的侧向面积的约50%到150%。在熔融期间，通过 热传导区域620将热排除到支撑板621上，同时防止热穿透热绝缘层630。甚至在浇铸的熔 融阶段过程中也通过热传导区域620带走热，以免籽晶601完全熔融。当所有的原料600和 小部分的籽晶601熔融成液体硅602时，剩余的固体硅603则用作固化过程的成核层。绝 缘层630的存在帮助控制在成核和生长期间固体硅603的形状，以及固化方向(在图6中 用箭头表示)。在固化表面中的强曲率引起固体硅603的向外生长，同时使多晶区域605最 小化。当浇铸成锭料604后，可从该锭料的上部切割(虚线)多个水平层，以用作新的籽晶 厚片606。再次使用刚刚描述的方法，可对厚片606进行清洁、修剪并在新的坩埚610中用 作完整的籽晶层用于新的锭料，或作为甚至更大的单晶的起始点。 图7A和7B是用于在用籽晶形成的锭料中进行低碳单晶硅或多晶硅的浇铸的装置 的横截面的绘图。如图7A所示，将籽晶700与原料701 —起装载在坩埚710中，坩埚710 位于熔炉热区(未作标记的)中。坩埚710，尽管图解为被陶瓷盖711(也如图7B所示)覆 盖，也可未被覆盖或对周围的大气完全开放。在浇铸中，可以从石墨绝缘层720的分开的部 分而向锭料中引入碳(该碎片可能落入坩埚710内)，或者通过气相反应(在该气相反应 中，得自坩埚710的氧溶解在硅熔体中并然后作为SiO分子蒸发(未示出))而向锭料中引 入碳。这些分子可粘附于熔炉的石墨部件720、750、760并通过以下反应SiO+2C — SiC+CO 发生反应。 CO气体分子进入液体，在其中形成SiC并再次将0释放以重复循环。通过向坩埚 710引入陶瓷盖711 (如图7B所示)，并小心地控制生产气体730 (其可为例如氩气)，可有
12效地终止或严格地限定上述的两种碳引入机制。陶瓷盖711可由许多材料制成，包括例如 熔凝硅石，石英，碳化硅，氮化硅等等。希望这样一种设计，该设计使得惰性气体诸如氩气的 新鲜供应气体经由通道740进入并经由另一个通道(未示出)离开，以防止上述的碳气体 反应。 仍参见图7A和7B，浇铸过程可以如下进行操作将一个或多个籽晶700和原料 701在将坩埚710安装在熔炉内之前装载，或者只装载一个或多个籽晶700并稍后将液体硅 770从单独的熔体室引入到坩埚中。 图8图示了根据本发明实施方案用于改变浇铸期间的固体-液体界面的形状的装 置。如图8所示，主加热器820和附加加热器840被置于浇铸站的热区(显示为被绝缘材 料831所包围)中以向材料800、801引入目标加热。固体籽晶材料801上的液体材料800 具有界面，该界面在靠近坩埚810侧壁的边缘处是弯曲的。主加热器820通常与主吸热器 860 —起工作以产生实质上扁平的固体-液体界面(未示出)。然而，附加加热器840将电 流直接连接到材料800、801，对材料800、801的靠近坩埚810的壁的边缘导入感应加热，并 从而使得在该边缘的附近区域中的固体物料801熔融。 附加加热器840，如图8所示，是导电金属的线圈，所述金属可为例如铜，其用循环 液体850冷却并通过包围层830与主加热器820热绝缘。附加加热器840可以是以回路方 式包围坩埚810的单匝线圈，如图8所示，或者其可具有形成螺线管的多个回路，该螺线管 在构成螺线管的回路之间具有任何所需的距离。附加加热器840还可被构造为其相对于坩 埚810的壁可以移动，以便影响固体-液体界面(未示出)。附加加热器840通过流过铜管 的电流工作，而水将其冷却从而通过铜管的电流形成强磁场，该强磁场与液体硅连接，在硅 内诱导相应的电流。在硅内的和/或经过硅的得自电流的电阻热以局部方法和/或方式提 供加热作用。 或者，电阻加热器可被用作附加加热器840，但是电阻加热器在对准特定体积的材 料诸如材料800、801供应热方面不是那么有效。在用图8所示的装置进行浇铸期间，附加 加热器840只在接近熔融期的末期被激活，以便不过度熔融籽晶材料801 。附加加热器840 在固化过程的至少大约前20%过程期间继续施加热到坩埚810。附加加热器840还可在整 个固化过程期间继续施加热到坩埚810直到实施冷却阶段为止。 正如本文所公开的，本发明的实施方案可通过简单的和成本有效的浇铸过程来生 产单晶硅、近似单晶硅、双晶硅、或几何学多晶硅的大型本体。根据本发明实施方案的方法 使用的硅原料以及由此生产的硅，可以包含一种或多种选自下列的掺杂物硼，铝，锂，镓， 磷，锑，砷和铋。这些一种或多种掺杂物的总量为以原子％计约0.01百万分之一 (卯m) (ppma)到约2ppma。优选地，在硅中的一种或多种掺杂物的量为使得由所述硅制造的晶片 具有约0. 1到约50欧姆-厘米电阻率、优选约0. 5到约5. 0欧姆-厘米电阻率的量。或 者，可以使用本文所公开的方法和装置来浇铸其它的具有合适的液相的材料。例如，锗，砷 化镓，硅锗，蓝宝石和许多的其它的III-V或II-VI材料，以及金属和合金，可根据本发明的 实施方案浇铸。 另外，尽管本文已经描述了硅的浇铸，但是可进行其它的半导体材料和非金属结 晶材料的浇铸而不脱离本发明的范围和精神。例如，本发明人已经考虑到了根据本发明的 实施方案进行其它材料的浇铸，所述材料为诸如锗，砷化镓，硅锗，氧化铝(包括其单晶形式的蓝宝石)，氮化镓，氧化锌，硫化锌，砷化镓铟，锑化铟，锗，氧化钇钡，镧系元素氧化物， 氧化镁，氧化钙，和其它的液相的半导体、氧化物和金属间化物。另外，许多的其它的ni-v 族或II-VI族材料，以及金属和合金，可根据本发明的实施方案浇铸。 根据一些实施方案，用于热绝缘区域的合适的隔热材料可包括碳纤维绝热板，碳 结合型碳纤维(CBCF)，氧化铝纤维，石英纤维，熔凝硅石，熔融石英，辐射反射体，碳纤维复 合物，和/或任何其它的具有相对较高的热导率并且在浇铸过程的操作温度下具有稳定性 的物质。 根据一些实施方案，用于热传导材料的合适的传热材料可包括石墨，高温金属，高 温合金，鸨，钼，钽，碳化硅，具有足够的热导率的陶瓷和/或任何其它的比热绝缘材料具有 更低的热导率并且在浇铸过程的操作温度下具有稳定性的物质。 根据一些实施方案，在所述层中的材料包括的热导率的比率为至少约20 : l(热
传导体/热绝缘体)，希望为至少约50 : i，更希望为至少约ioo : i。例如，在约i40(rc
的工作温度范围内，石墨具有48W/m/K的热导率，而CBCF具有0. 7W/m/K的热导率，得到的 比率为约68 : 1。当在室温测量时，上述材料具有的比率为约260 : 1。
根据一些实施方案，热传导材料被热绝缘区域框住，以便形成正方形和/或矩形 的形状。令人希望地，导热窗至少一般地适合和/或相应于籽晶配置的形状。或者并且如 图9A-D所示，在角内施加额外的冷却区域因为它们从两侧被加热。图9A显示了热传导层 141和与其轮廓相符的(contoured)热绝缘层和/或区域150，诸如热绝缘层150在一侧的 中部的宽度是热绝缘层150在角内的宽度的约两倍。图9B显示了相对于热传导层141和 热绝缘层150的坩埚110。图9C显示了置于热绝缘层150上的支撑壁142 ( —般是石墨) 的以虚线表示的轮廓。图9D显示了被置于坩埚110中并相对于热传导层141和热绝缘层 150的固体硅101的以虚线表示的轮廓。 根据一些实施方案，热传导材料和/或热绝缘材料的成形方法包括使用锯、刳刨 工具和/或任何其它合适的器械。热传导材料和/或热绝缘材料的任何合适的构造是可能 的，诸如包括凸缘、架状突出物、联锁件、倒角、圆角等等。 令人希望地，部分熔融的籽晶的固体周边保持是粗糙的正方形。导热窗的面积与 籽晶区域面积的任何合适的比率可能是诸如约O. 5到约2. O，优选约1. O，甚至更优选约O. 9 到约l. 1。 根据一些实施方案，附加加热器和/或水管加热器相对于坩埚的高度是可移动 的，以便在固化期间向硅施加定位热并相对于固体-液体界面向上和/或向下调整。这一 动态能力使得在熔融期间形成扁平的熔体/固体界面形状，控制固化期间的热输入，以便 保持壁是温热的并使多晶材料的生长最小化，同时使所需的单晶硅、近似单晶硅和/或几 何学多晶硅的生长最大化。 根据本发明的其它的实施方案，动态能力使得所述装置可以改变热流，诸如改变 在熔融区段内和在生长区段内的热流。热绝缘区域可例如通过从坩埚和/或支撑壁下方插 入和/或除去热绝缘区而被增加和/或减小。所述层可包括标记、切口 、栓和/或任何其它 合适的器械以帮助布置多种组件。在其它的实施方案中，静态绝缘在熔融中和在生长中的 需要和/或特征之间进行平衡。 根据一些实施方案，本发明包括制造浇铸硅的方法，包括将坩埚布置到层上。所述
14层包括热传导材料、吸热器和热绝缘区域，其中所述层的热传导部分接触坩埚底表面的一 部分。该方法还包括将至少一个籽晶放置到坩埚的底部上，布置熔融硅使其接触至少一个 籽晶，并通过热传导材料排除热而形成硅的固体主体。优选该方法还包括形成固体主体的 一部分以包含至少一个籽晶。 根据一些实施方案，本发明包括制造太阳能电池的方法，该方法包括提供浇铸硅 的固体主体，切割浇铸硅的固体主体以形成至少一个晶片，通过掺杂至少一个晶片的表面 而形成p-n结，并在晶片的至少一个表面上形成表面中和层和/或背面电场并形成导电触 点。 根据一些实施方案，经过所述层的热通量从熔融硅的步骤到形成固体主体的步骤 是不同的，从而提供了不对称的熔融并使浇铸过程最佳化。优选在熔融期间发生向吸热器 的最小传热，从而仅仅足以在坩埚底部上保持固体硅籽晶材料。然而，在熔融期间，热传递 区域尽可能宽以助长扁平的熔体/固体界面。在冷却或固化期间，吸热器经历更高的热通 量以引起锭料的固化，但是热绝缘区域被升高以至少部分地使石墨支撑壁和坩埚的侧壁与 热传导材料和/或吸热器隔离。这种配置的效果是保持侧面是温热的并且保持圆顶形的熔 体/固体界面，使得从侧壁发生的多晶硅生长最小化。 任选地，排除热的步骤在固化期间扩大籽晶的侧向区域。所述实施方案还可包括 将固体硅原料布置在坩埚内位于至少一个籽晶的上面并将固体硅原料熔融并同时冷却坩 埚的底部以保持至少一个籽晶至少部分地为固态。 或者，布置熔融硅的步骤还包括在与坩埚分离的熔体容器内熔融硅原料，将坩埚 加热到硅的熔融温度，控制加热以便坩埚中的至少一个籽晶不完全熔融，和将熔融硅从熔 体容器转移到坩埚中。 根据一些实施方案，热传导材料接触坩埚的底表面面积的约5%到约99%，优选 接触至少约90 % 。或者，热传导材料与坩埚中的至少一个籽晶的尺寸和形状对应，诸如热传 导材料的面积与籽晶的面积的比率为约0. 5到约2. O，并优选为约0. 9到约1。
所述制造方法还包括通过例如加入和/或除去热绝缘区域的至少一部分来减少 和/或扩大接触坩埚底部的热传导材料和/或热传导区域。 优选但不一定，吸热器包括辐射吸热器，其将热辐射到水冷式容器的壁。根据一些 实施方案，热绝缘区域形成包围热传导材料的周边或边界。或者，所述周边包括与轮廓相符 的(contoured)形状，该形状在所述层的一侧的中部的宽度比在所述层的角内的宽度宽。 周边可使坩埚的石墨侧支撑壁与吸热器热隔离，以便减少冷却和减缓从壁的多晶生长。所 述周边有时可被称为热环。 根据一些实施方案，本发明包括用于硅的浇铸的装置，该装置包括任选的坩埚，任 选的位于坩埚底部上的至少一个籽晶，与坩埚热连通的电阻加热器，和层。所述层包括热传 导材料、吸热器和热绝缘区域，其中所述层的热传导部分在一侧上用于接触坩埚的底表面 的一部分并且在相对一侧上接触吸热器。优选热绝缘区域形成包围热传导材料的周边。任 选地，热绝缘区域是可移动的，诸如包括四个或更个离散的垫或滑块，以便热绝缘区域通过 相对于热传导材料移动而升高、降低和/或改变通过层被传导的热。 根据一些实施方案，热传导材料与热绝缘区域的热导率的比为至少约20 : 1。在 其它实施方案中，热传导材料的面积与籽晶的面积的比率为约0. 5到约2. 0。
本发明还包括制造浇铸硅的方法，该方法包括以下步骤一起装晶硅的籽晶层与
固体原料；使固体原料和籽晶层的一部分熔融，保持固体/液体界面在籽晶层的中心上方
实质上扁平，但是在籽晶层的边缘处的固体部分中凸起，通过籽晶层排除热形成硅的固体
主体，同时保持固体/液体界面在籽晶层的中心上方实质上扁平，但是在籽晶层的边缘处
的固体部分内凸起，使固体主体达到第一温度和将固体主体冷却到第二温度。 第一温度诸如约141(TC到约130(TC通常包括跨越和/或穿过固体主体的温度梯
度。第二温度诸如平均约135(TC通常包括跨越和/或穿过固体主体的降低温度梯度和/或
均匀温度模式。减小温度梯度在本公开的背景下有时被称作退火。退火可包括例如关闭绝缘。 本发明还包括制造浇铸硅的方法，该方法包括一起装载晶硅的籽晶层与固体原 料，通过保持固体/液体界面在整个籽晶层上方是实质上扁平的而使固体原料和籽晶层的 一部分熔融，通过排除经过籽晶的热而形成硅的固体主体，同时至少最初在籽晶层的至少 一个边缘附近的局部区域内提供额外的热，使固体主体达到第一温度，并将固体主体冷却 到第二温度。 根据一些实施方案，本发明包括用于浇铸硅的装置，该装置包括至少一个用于熔 融硅的主电阻加热器，用于包围被搁在吸热器上的坩埚，用于通过吸热器进行热的受控排 除的机构，用于引入气体的端口 ；和用于环绕坩埚以在坩埚内的不同区域处提供感应加热 的附加加热器。优选附加加热器包括与至少一个主电阻加热器存在的一个隔热的、水冷式 的导电管的回路。还优选附加加热器相对于坩埚的壁移动。所述装置还可包括在坩埚底部 上的至少一个籽晶。 以下实施例是根据本发明的实施方案的实验结果。提供这些实施例只是为了列举
和说明本发明，而不以任何方式对本发明的范围构成任何限制。 实施例1 坩埚准备将坩埚布置在由两层组成的支撑结构上。支撑结构的底层是 80cmX80cmX2. 5cm的固体isomolded石墨板，其支撑复合层。上面的复合层具有内区域， 该内区域是60cmX60cmX1. 2cm的热传导isomolded石墨板并且在所有侧被1. 2cm厚的热 绝缘石墨纤维板的10cm周边包围。以这种方式，复合层完全覆盖底层。
籽晶准备使用涂覆金刚石的带锯将得自MEMC， Inc.并具有0. 3卯ma硼的纯的 Czochralski (CZ)硅(单晶)的棒沿其长度进行裁减，从而使其具有每侧为140mm的正方 形截面。使用相同的锯经过其横截面切割单晶硅块，将其切成厚度为约2cm到约3cm的厚 片。这些厚片用作单晶硅籽晶或"籽晶"。保持硅棒的(100)晶体学极取向。然后将得到的 单晶硅厚片设置在石英坩埚的底部内以便厚片的(100)方向面向上，并且(110)方向被保 持平行于的坩埚另一侧。石英坩埚具有正方形截面，在一侧上为68cm并且深度为约40cm。 将厚片设置在坩埚的底部，使得厚片的长尺寸平行于坩埚的底部并且它们的侧边接触以在 坩埚的底部上形成这些厚片的单一 的完整层。 浇铸将坩埚装载籽晶板，然后在室温下填充总质量最多为265kg的固体硅原料。 加入几个高度掺杂硼的硅的晶片以提供足够的硼用于 0. 3ppma的总的锭料掺杂。首先将 被填充的坩埚用石墨支撑板包围，该石墨支撑板被搁在支撑结构的热绝缘部分上，然后将 其装载在用于浇铸多晶硅的原地熔融/定向固化浇铸站内。通过将电阻加热器加热到约155(TC进行熔融方法，并且加热器被构造为使得加热来自顶部并同时通过打开总共6cm的 绝缘材料使热辐射到底部以外。这一构造导致熔融在从上向下的方向上朝着坩埚的底部进 行。通过底部的被动冷却引起籽晶在熔融温度下保持为固态，这通过热电偶进行监控。熔 融程度通过被降入到熔体内的石英浸量尺每隔十分钟进行测量。比较浸量尺的高度与从 站内变空的坩埚测得的量度相比，以确定剩余的固体材料的高度。通过浸量尺测量，首先 使原料熔融，然后使熔融相继续进行直到只剩余约1. 5厘米高度的籽晶。此时，将热能降 低到150(TC的温度设置，同时通过开放绝缘材料到12cm来增加从底部的辐射。在固化开 始之前，通过浸量尺测量观察到另外有一个或两个毫米的籽晶发生熔融。然后进行用籽晶 进行的单晶生长直到固化步骤结束。使用其中从顶部到底部的热梯度是平坦的正常参数 进行浇铸循环的生长阶段和其余阶段，然后将整个锭料缓慢地冷却到室温。浇铸硅产品是 66cmX66cmX 24cm的锭料。结晶度与籽晶一致的区域在底部开始并与未熔融的材料的边缘 适形，并且当生长开始时从该边缘侧向向外朝着坩埚壁生长，并且朝着结晶化结束的方向 稳定化达到恒定的尺寸。单晶硅结构通过目视检查从所述锭料切取的砖形块的面而是显而 易见的。 实施例2 根据实施例1实现籽晶生长，并得到含有较大的单晶体积的浇铸锭料。冷却后，使 锭料在其一侧站立并被装载进具有固定金刚石研磨剂的带锯中用于切割。切掉锭料的底部 作为厚度为2cm的单层。然后将该层水平地固定在切割台上。在相同的带锯中，对该层的 边缘进行修剪，以便从每一侧除去约1. 5cm。然后将厚片进行喷砂处理以除去胶和外来物 质，然后将其在热的氢氧化钠浴中蚀刻，漂洗，并浸在HC1浴中以除去金属。然后将所述厚 片置于与先前锭料具有相同尺寸的标准坩埚的底部上。将硅原料装载达到265kg的总质量 并重复进行浇铸过程，得到第二个添加籽晶的锭料。
实施例3 籽晶准备从18kg的正方形(100)板入手制备了籽晶层，所述板用于衬在坩埚的 底部，提供58cmX58cm的覆盖区域和2-3cm的厚度。将这些板布置在一起形成更大的正方 形，其位于坩埚内的中心。然后，将该正方形用2cm厚的(111)取向籽晶层包围，从而得到 63cmX63cm正方形的总籽晶层。 浇铸将包含籽晶的坩埚填充硅达到265kg的总质量并将其置于浇铸站中。根 据实施例1所述进行浇铸，监控所述过程以确保籽晶层在熔融的结尾到固化开始时完整无 损。得到的锭料被切成12. 5cm砖形块的5X5方格。对砖形块的晶体结构进行的光学检验 表明(111)结晶用作缓冲层，防止随机成核的晶粒进入(100)体积内。
实施例4 坩埚准备将标准的69cm2坩埚置于由两层组成的支撑结构上。所述层的组 成如实施例l所述，不同之处是复合层的尺寸不相同。底部固体石墨层具有如前所述的 80X80X2. 5cm3的尺寸，但是复合层的热传导部分的尺寸仅为20X20X 1. 2cm 位于底层 顶部的中心处。其余的底层被热绝缘石墨纤维板所覆盖。 籽晶准备在坩埚底部的中心处放置一块尺寸为21cmX21cmX2cm的(100)-取向 单晶硅。然后向坩埚填充剩余的硅原料以达到265kg的总质量。 浇铸将坩埚和支撑板置于浇铸站内并根据实施例1所述进行循环，不同之处使用额外的时间允许硅固化，这是因为考虑到热排除区域更小。冷却后，将锭料切成片。被切
片的锭料的外观检查证实了结晶从受控热排除的强烈的向外生长。 实施例5 坩埚准备将标准的69cm2坩埚置于石墨支撑板上并如实施例1所述向其装载籽 晶层、原料和掺杂物，不同之处是所述原料不含从先前的锭料再循环得到的硅。然后将尺寸 为69X69X12cm3的熔凝二氧化硅盖放在坩埚上。对浇铸站进行修改，以便使望远镜筒附 着于顶部绝缘材料的孔，在所述孔中生产气体被引入。然后将装料装载到站内并抬高以接 合望远镜。运行浇铸站，使用经过修改的方法以便可进行更好的气体控制以及使用改变的 固化设置以弥补坩埚盖的影响。得到的锭料经测量发现，其碳浓度是典型锭料的碳浓度的 1/10，另外具有类似镜子的上表面，并且比典型的锭料包含更少的外来粒子。
因此，根据本发明的实施方案和上述的实施例，从根据本发明的实施方案的硅制 造的晶片适当地薄并可用于光伏电池。例如，晶片可为约10微米厚到约300微米厚。另外， 用于光伏电池的晶片优选具有大于晶片厚度(t)的扩散长度(Lp)。例如，Lp与t的比率适当 地为至少0.5。 Lp与t的比率可以为例如至少约l. 1，或至少约2。扩散长度是少数载流子 (诸如在P型材料中的电子)在与大多数载流子(在P型材料内的空穴)复合之前可以扩散 的平均距离。Lp与少数载流子寿命t相关，所述关系为Lp二 (DO"2，其中D是扩散常数。
扩散长度可以通过许多技术测量，诸如光子-光束_感应电流技术或表面光伏电压技术。 例如，参见，"Fundamentals of Solar Cells，，， A. Fahrenbruch禾口 R. Bube， AcademicPress， 1983， pp. 90-102，其作为参考被并入本文，用于说明如何测量扩散长度。
晶片可具有约100毫米到约600毫米的宽度。优选晶片在至少一个维度上为至少 约50mm。从本发明的硅制造的晶片，并因此通过本发明制备的光伏电池，可以具有例如约 100平方厘米到约3600平方厘米的表面积。晶片的正面优选经过结构化处理(textured)。 例如，晶片可使用化学蚀刻、等离子蚀刻、或激光或机械划刻进行适当的结构化处理。如果 使用单晶晶片，则该晶片可经过蚀刻，通过将晶片在含水的碱溶液中诸如在氢氧化钠中、在 高温下例如约7(TC到约9(TC下、处理约10到约120分钟，而形成经过各向异性结构化处理 的表面。所述含水溶液可包含醇诸如异丙醇。 因此，可使用由根据本发明实施方案的浇铸硅锭料制造的晶片来制造太阳能电 池，如下进行切割浇铸硅的固体主体以形成至少一个晶片；任选地在晶片的表面上进行 清洁过程；任选地在所述表面上进行结构化处理步骤；通过掺杂表面而形成p-n结；任选地 在所述表面上沉积防反射膜；任选地使用例如铝烧结步骤形成背面电场；和在晶片的至少 一个表面上形成导电触点。 在典型的和一般的使用例如p型硅片制造光伏电池的方法中，将晶片一侧暴露于 合适的n-型掺杂物下以形成发射极层并在该晶片的正面或吸光面上形成p-n结。通常， n-型层或发射极层如下形成首先，使用本领域常用的技术诸如化学沉积或物理沉积技术 在P型晶片的正面上沉积n型掺杂物，经过这种沉积后，将n型掺杂物例如磷驱动进入硅片 的正面以进一步将n型掺杂物扩散进入晶片表面。这一"驱动进入"步骤通常通过将晶片 暴露于高温下来完成。从而在n型层和p型硅片基底之间的边界区域处形成p-n结。在进 行磷掺杂或其它掺杂以形成发射极层之前，在晶片表面可以进行结构化处理。为了进一步 改善光吸收，通常向晶片的正面施用防反射膜诸如氮化硅，有时同时提供表面钝化和/或
18本体钝化。 为了利用由于将p-n结暴露于光能下所产生的电势，光伏电池一般配有在晶片正
面上的正面导电触点和在该晶片的背面上的背面导电触点，尽管这两个触点都可以位于晶
片的背面。这些触点一般由一种或多种高导电金属制成并且从而一般是不透明的。 因此，根据上述的实施方案的太阳能电池可包括从连续的单晶硅的主体切取的晶
片，其实质上不含放射状分布的缺陷，所述主体具有各自至少为约35cm的至少两个维度，
在晶片中的p-n结，在晶片表面上的防反射膜；和在晶片的至少一个表面上的多个导电触
点，其中所述主体实质上不含涡旋形缺陷并且实质上不含由氧诱导的堆垛层错缺陷。 另外，根据上述的实施方案的太阳能电池可包括从连续的多晶硅的主体切取的晶
片，其实质上不含放射状分布的缺陷，所述主体具有预定的晶粒取向排列，具有与该主体的
表面垂直的共用极方向，还具有各自至少为约10cm的至少两个维度，在晶片中的p-n结，在
晶片表面上的防反射膜；和在晶片的至少一个表面上的多个导电触点，其中所述的多晶硅
含有平均晶粒边界长度为约0. 5cm到约30cm的硅晶粒，并且其中该主体实质上不含涡旋形
缺陷并且实质上不含由氧诱导的堆垛层错缺陷。 本领域技术人员显然可在所公开的结构和方法内进行各种修改和改变而不背离 本发明的范围和精神。本发明的其它实施方案对于本领域技术人员而言鉴于本文所公开的 本发明的说明和实践而变得显而易见。本发明的说明书和实施例被认为只是示例性的，本 发明的真实的范围和精神通过以下的权利要求得以阐述。
权利要求
制造浇铸硅的方法，该方法包括将坩埚布置在包括以下的层上热传导材料；吸热器；和热绝缘区域，其中所述层的热传导部分接触坩埚的底表面的一部分；将至少一个籽晶放置在坩埚的底部上；放置熔融硅使其接触至少一个籽晶；和通过热传导材料排除热来形成硅的固体主体。
2. 制造太阳能电池的方法，该方法包括 提供根据权利要求1制造的浇铸硅的固体主体； 切割浇铸硅的固体主体以形成至少一个晶片； 通过掺杂至少一个晶片的表面形成p-n结；禾口 在晶片的至少一个表面上形成表面中和层和形成导电触点。
3. 权利要求l的方法，其中排除热在固化期间扩大籽晶的侧向区域。
4. 权利要求1的方法，其中布置熔融硅还包括将固体硅原料布置在坩埚内位于至少一 个籽晶上并将固体硅原料熔融并同时冷却坩埚的底部以保持至少一个籽晶至少部分地为 固态。
5. 权利要求4的方法，其中经过所述层的热通量从熔融硅的步骤到形成固体主体的步 骤是改变的。
6. 权利要求1的方法，其中布置熔融硅还包括 将硅原料在与坩埚分离的熔体容器中熔融； 将坩埚加热到硅的熔融温度；控制加热以便坩埚内的至少一个籽晶不完全熔融；禾口 将熔融硅从熔体容器转移进坩埚中。
7. 权利要求l的方法，还包括形成固体主体的一部分以包含至少一个籽晶。
8. 权利要求1的方法，其中热传导材料接触坩埚的底表面积的约5%到约99%。
9. 权利要求l的方法，其中热传导材料与坩埚内的至少一个籽晶的尺寸和形状对应。
10. 权利要求1的方法，其中吸热器包括辐射吸热器，该辐射吸热器将热辐射到水冷式 容器的壁。
11. 权利要求l的方法，其中热绝缘区域形成包围热传导材料的周边。
12. 权利要求ll的方法，其中周边包括与轮廓相符的形状，该形状在所述层的一侧的 中部的宽度比在所述层的角内的宽度宽。
13. 权利要求11的方法，其中周边使坩埚的侧支撑壁与吸热器热隔离。
14. 权利要求l的方法，还包括通过增加或除去热绝缘区域的至少一部分而减小或扩 大与坩埚底部接触的热传导区域。
15. 用于硅的浇铸的装置，所述装置包括 与坩埚热连通的电阻加热器；禾口 包括以下的层热传导材料； 吸热器；和 热绝缘区域；其中所述层的热传导部分用于在一侧接触坩埚的底表面的一部分并在相对侧接触吸 热器。
16. 权利要求15的装置，其中热绝缘区域形成包围热传导材料的周边。
17. 权利要求15的装置，其中热绝缘区域通过相对于热传导材料移动而增加或降低通 过所述层被传递的热。
18. 权利要求15的装置，其中热传导材料与热绝缘区域的热导率的比为至少约20 : i。
19. 权利要求15的装置，其中热传导材料的面积与籽晶的面积的比为约0. 5到约2. 0。
20. 制造浇铸硅的方法，该方法包括 一起装载晶硅的籽晶层与固体原料；通过保持固体/液体界面在籽晶层的中心上方是实质上扁平的但是在籽晶层的边缘 处的固体部分是凸起的而使固体原料和籽晶层的一部分熔融；通过籽晶层排除热并同时保持固体/液体界面在籽晶层的中心的上方是实质上扁平 的但是在籽晶层的边缘处的固体部分是凸起的而形成硅的固体主体；使固体主体达到第一温度；禾口将固体主体冷却到第二温度。
21. 制造浇铸硅的方法，该方法包括 一起装载晶硅的籽晶层与固体原料；通过保持固体/液体界面在整个籽晶层上是实质上扁平的而使固体原料和籽晶层的 一部分熔融；通过籽晶层排除热并同时至少最初在籽晶层的至少一个边缘附近的局部区域内提供 额外的热来形成硅的固体主体； 使固体主体达到第一温度；禾口 将固体主体冷却到第二温度。
22. 用于硅的浇铸的装置，该装置包括至少一个用于硅熔融的主电阻加热器，用于包围被搁在吸热器上的坩埚； 用于通过吸热器受控排除热的机构； 用于引入气体的端口 ；禾口用于环绕坩埚以在坩埚内的不同区域处提供感应加热的附加加热器。
23. 权利要求22的装置，其中附加加热器包括与至少一个主电阻加热器一起存在的一 个隔热的、水冷式的导电管的回路。
24. 权利要求22的装置，其中附加加热器相对于坩埚的壁移动。
25. 权利要求22的装置，还包括在坩埚底部上的至少一个籽晶。
26. 制造浇铸硅的方法，该方法包括将至少一个约10cmX约lOcm面积的单晶籽晶放置在坩埚的底部上，该坩埚被搁在部 分绝缘底板上；放置液体硅使其接触至少一个籽晶；通过籽晶排除热形成硅的固体主体，形成方式为凸起的固体边界增加单晶生长的横截使固体主体达到第一温度，并将该固体主体冷却到第二温度； 从固体主体的与籽晶相对的一侧切取厚片； 使用化学方法清洁厚片；禾口 使用该厚片作为用于随后浇铸过程的籽晶层。
全文摘要
本发明提供了用于浇铸硅的方法和装置，所述浇铸硅用于光伏电池和其它应用。在这些方法中，锭料可以低碳方式生长并且其结晶生长受到控制以增加在浇铸期间的用籽晶进行生长的材料的横截面。
文档编号C30B11/00GK101755075SQ200880025411
公开日2010年6月23日 申请日期2008年7月16日 优先权日2007年7月20日
发明者内森·G·斯托达德, 吴蓓, 罗杰·F·克拉克, 詹姆斯·A·克利伯尔 申请人:Bp北美公司