[发明专利]改进的晶体硅的制造

说明书

技术领域

本发明涉及制造用于太阳能电池的晶体硅。具体而言，本发明涉及通过定向凝固工艺来制造晶体硅。

背景技术

大多数用于光伏电池的硅晶片是采用定向凝固工艺如布里奇曼(Bridgman)法制造的。在这样的工艺中，将固态硅原料引入坩埚中，随后使其熔融以形成熔融硅。为获得晶体硅，随后在定向工艺中使所述熔融硅逐渐凝固，这使得晶体结构形成于固态硅锭中。

在传统定向凝固工艺中形成的硅通常是多晶硅。因此，所述硅具有包含多个晶粒形成物的复杂结构。材料中的晶粒边界、以及由于应力在生长过程中或之后而产生的位错通常导致性能降低。结果，发现由基本上没有位错的单晶硅所形成的光伏电池提供了比由多晶硅形成的光伏电池更好的性能。

因此研究了制造低成本的单晶硅晶片的可行性。用于形成单晶硅的一个方法称为提拉(Czochralski)法。在该方法中，将细长的籽晶在旋转的同时逐渐从熔融硅的坩埚中移出，从而在该籽晶上形成单晶硅。结果是获得了圆柱状的单晶硅棒。然后可以将其切割以形成用于光伏电池的晶片。

与由通过定向凝固工艺形成的多晶材料制成的光伏电池相比，包含通过提拉法形成的单晶硅的光伏电池可以提供提高的效率。具有这些优点主要是因为晶体硅的固有性质，并且还因为其适合用于后续的处理步骤。例如，为了提高光吸收性质，对硅晶片的表面施用刻蚀或纹理化步骤是很常见的。

具体而言，已经开发了用于单晶硅的特定的湿法刻蚀工艺。在该工艺中，将碱性溶液，如氢氧化钾(KOH)，涂抹到单晶硅晶片的{100}表面上。这导致形成包含规则的微锥体阵列的表面。已经发现该规则的图案表现出优良的光吸收性能。

上述湿法刻蚀工艺起作用的机理是基于晶片上的碱性溶液的各向异性效应。这意味着晶片的不同晶面以不同的速率被该溶液刻蚀，从而导致上述规则的锥形表面。为了生成这种结构，晶片的表面必须平行于{100}晶面。

上述各向异性刻蚀工艺对于表现出晶体结构取向不一致的多晶晶片不能体现这些益处。因此，通常将各向同性刻蚀工艺应用于多晶晶片。这往往会产生不规则的表面纹理，其与通过对{100}晶面进行各向异性刻蚀而得到的规则的锥形结构相比在光吸收方面效率较低。

所以，由提拉法制造的单晶晶片有明显的优势。然而，发现通过该工艺制造大体积的用于光伏电池的晶片相对比较昂贵，因为在实践中单次运行该工艺所能够制造的晶体硅的体积相对较小。相反，定向凝固工艺所用的坩埚在每一次运行中都能够处理明显更大量的硅。

因此，由定向凝固工艺制造的多晶硅远比由提拉法制造的单晶硅便宜。而且，相比于通过提拉法形成的晶体硅，在定向凝固过程中通过使用坩埚内表面上的氮化硅涂层，能够降低晶体硅中氧的含量。已知氧杂质有损硅太阳能电池的性能。因此人们一直期望将单晶硅的性能优势与定向凝固工艺的经济优势和加工优势结合起来。

近年来，通过在定向凝固工艺中使用单晶晶种材料已经在这方面取得了进步。在这种技术的一个例子中，在引入常规的硅原料之前，将单晶硅晶种材料放置在坩埚底部。然后使所述硅原料熔融，之后使其逐渐凝固，所述凝固从只有部分熔融的单晶晶种材料开始。单晶晶种材料的作用是作为硅锭中的晶体结构的基础。以这种方式，所形成的硅锭包含至少一个实质上为单晶的区域。如上所述，当以这种方式形成的硅被用于其最终目的(例如用于光伏电池)时，产生了重要的性能优势。

硅晶片由贯穿硅锭的水平薄片形成。为了确保它们呈现出各向异性刻蚀工艺所要求的{100}晶面，提供晶种材料使得{100}面垂直于其纵向方向。

虽然已经发现在定向凝固工艺中使用晶种材料在生长单晶材料这方面获得了一些成功，但其并不是完全有效或具有吸引力。特别是，发现随着凝固过程的进行，所形成的单晶硅的比例下降。特别是，多晶区域从坩埚的外壁逐渐进一步向锭的中心延伸。结果，最终得到的锭含有被多晶区域包围的中央单晶区域，并且沿着该锭向上的方向，该多晶区域的面积进一步增加。