[发明专利]由籽晶制造铸造硅的方法

说明书

本申请主张2007年7月20日提交的美国临时申请60/951151号的利益。在此通过参考将美国临时申请60/951151号的全部内容并入本说明书中。本申请还主张2007年7月20日提交的美国临时申请60/951155号的利益。在此通过参考将美国临时申请60/951155号的全部内容并入本说明书中。

技术领域

本发明总体上涉及光电(photovoltaic)领域，并涉及用于制造光电应用的铸造硅的方法和设备。本发明还涉及新形式的铸造硅，其能够用于制造诸如光电池和其它半导体装置的装置。新型硅具有单晶、近似单晶或双晶结构，且能够通过利用籽晶的铸造工艺制造。

背景技术

光电池将光转换成电流。光电池最重要的量度之一是其将光能转换成电能的效率。尽管能够由各种半导体材料制造光电池，但是通常使用硅，因为其容易以合理的成本获得，且因为其在用于制造光电池中具有合适的电、物理和化学性能平衡。

在制造光电池的已知方法中，将硅原料与用于诱导正或负导电类型的材料(或掺杂剂)进行混合，熔化，然后通过将结晶硅拉出熔融区域而结晶成为单晶硅的晶锭(借助于Czochralski(CZ)或浮动区域(FZ)方法)，或铸造成多晶硅或聚晶硅(polycrystalline silicon)的块或“砖”，这取决于各种硅晶粒的粒度。在上述方法中，通过已知的切片或锯切方法将所述晶锭或块切割成薄的基片，也称作晶片。然后，可以将这些晶片加工成光电池。

一般通过CZ或FZ法制造用于光电池制造的单晶硅，两种方法均为制造结晶硅的圆柱形晶锭的方法。对于CZ方法，将晶锭从熔融硅的池子中缓慢拉出。对于FZ方法，通过熔融区域供应固体材料并在所述熔融区域的另一侧上重新凝固。以这些方式制造的单晶硅的晶锭包含杂质和缺陷的径向分布，如氧诱导堆垛层错(OSF)的环和空隙或空位团的“漩涡”缺陷。即使在这些杂质或缺陷存在下，单晶硅也通常是制造光电池的硅的优选源，因为能够将其用于制造高效的太阳能电池。然而，使用诸如上述的那些已知技术制造单晶硅比常规多晶硅更昂贵。

通常通过铸造法制造用于制造光电池的常规多晶硅。用于制备常规多晶硅的铸造方法，在光电技术领域中是已知的。简短地，在这类方法中，将熔融硅包含在坩埚如石英坩埚中并以受控方式进行冷却，使得包含在其中的硅结晶。通常将制得的多晶硅块切割成横截面与用于制造光电池的晶片尺寸相同或接近的砖，且将所述砖锯切或以其它方式切割成这类晶片。以这种方式制造的多晶硅为晶粒的附聚体，其中在由其制成的晶片中，晶粒相互之间的取向实际上是随机的。

在常规的多晶硅中，晶粒的随机取向使得难以对所得的晶片表面进行织构。通过降低光反射并提高通过电池表面的光能吸收，利用织构提高光电池效率。另外，在常规多晶硅晶粒之间的边界中形成的“扭折”，往往使位错的簇或线形式的结构缺陷成核。这些位错以及它们往往吸引的杂质，据信造成了由常规多晶硅制成的功能光电池中电荷载流子的快速复合。这能够导致电池效率降低。由这类多晶硅制成的光电池通常比由单晶硅制成的等效光电池的效率低，即使考虑了在由常规技术制造的单晶硅中所存在的缺陷的径向分布。然而，因为制造常规多晶硅相对简单且成本更低，以及在电池加工中有效的缺陷钝化，多晶硅是用于制造光电池的硅的更广泛使用的形式。

一些现有的铸造技术涉及将“冷壁”坩埚用于晶体生长。术语“冷壁”是指将坩埚壁上或壁中存在的感应线圈进行水冷且还可以开槽，从而通常保持低于100℃的事实。可以将所述坩埚壁设置紧邻线圈和原料之间。所述坩埚壁的材料不是特别绝热的，因此能够与冷却的线圈保持热平衡。因此，未断定硅的加热基于来自坩埚壁的辐射，因为对坩埚中的硅进行感应加热是指通过感应而流入其中的电流对硅进行直接加热。以这种方式，坩埚壁保持低于硅的熔化温度，且相对熔融硅认为“冷”。在感应加热的熔融硅的凝固期间，坩埚的这些冷壁充当吸热。晶锭快速冷却，这是由对冷壁的辐射确定的。因此，最初凝固前沿基本上快速变弯，使得在晶锭侧产生晶核并斜对着晶锭中心生长，从而使保持垂直和几何有序引晶方法或基本上平坦的凝固前沿的任何努力都中断了。

发明内容

根据某些实施方案，本发明涉及使用籽晶制造铸造硅的方法和设备。典型地，在硅晶锭凝固期间，在不同速率下生长不同取向的硅晶体。用于硅单晶太阳能电池制造所期望的取向为(100)方向，因为利用刻蚀方法方便地形成光捕获表面(light-trapping surface)。不幸的是，在(100)取向的晶粒与随机成核的晶粒竞争的结晶期间，如在其它取向的晶粒生长更快的单晶铸造工艺期间，(100)取向的晶粒表现差。