[发明专利]硅的受控的定向凝固

说明书

相关申请

本申请要求2012年6月25日提交的第61/663,940号美国临时申请的优先权，其通过引用方式将其全部内容并入本文。

背景技术

太阳能电池通过利用其将太阳光转化为电能的能力而是可行的能源。硅是在制造太阳能电池中使用的半导体材料；然而，对硅使用的限制涉及将其纯化至太阳能级(SG)的成本。

已知一些用来制备用于太阳能电池的硅晶体的技术。这些技术中的大部分基于以下原则来操作：当硅从熔融溶液中凝固时，不期望的杂质倾向于保留在熔融溶液中。例如，浮区(float zone)技术可以用于制作单晶锭块，并在固体材料中使用移动的液体区域，将杂质移动到材料的边缘。在另一实例中，Czochralski技术可以用于制作单晶锭块，并使用缓慢地从溶液中拉出的晶种，使得能够形成硅的单晶柱，同时将杂质留在溶液中。在又一实例中，Bridgeman方法或热交换器技术可以用于制作多晶锭块和单晶锭块，在凝固的方向上使用朝向锭块的中心轴的温度梯度来产生定向凝固。这类技术采用高度绝热的锭块侧面。由于在凝固期间缺少硅与坩埚的接触，锭块的尺寸和生产成本与Bridgeman技术相当。

利用用于定向凝固硅的温度梯度的多种技术可以采用许多冷却或加热机制。这类温度控制机制可以涉及定向凝固坩埚内的相对昂贵并难以维护的冷却或加热导管。

附图的简要说明

在不一定按比例绘制的附图中，在数个视图中相同的数字描述基本上相似的部件。具有不同字母后缀的相似数字表示基本上相似的部件的不同实例。举例来说而非限制地，附图通常示出本文件中讨论的各种实施方案和设计。

图1为根据至少一个实施方案所构建的可以用于纯化硅的定向凝固坩埚的一个实例的横截面图。

图2示出了根据至少一个实施方案所构建的用于定向凝固硅的设备的立体图(prospective view)。

图3示出了根据至少一个实施方案所构建的用于定向凝固硅的冷却平台的一个实例。

图4示出了根据至少一个实施方案所构建的用于定向凝固硅的设备的3D投影，所述设备包括放置在坩埚顶部上的加热器。

图5示出了根据至少一个实施方案所构建的用于定向凝固硅的设备的底部的等距视图。

图6为根据至少一个实施方案所构建的可以用于定向凝固硅的顶部加热器的一个示例的横截面图。

图7为示出了在硅的示例性定向凝固期间，凝固的硅的百分比关于时间的图。

图8为示出了在硅的示例性定向凝固期间，硅结晶前沿的速度关于时间的图。

图9为示出了在硅的示例性定向凝固期间，凝固的硅的百分比关于时间的图。

图10为示出了在硅的示例性定向凝固期间，硅结晶前沿的速度关于时间的图。

图11为关于硅的示例性定向凝固，对于多个加热和冷却循环而言，工艺温度分布和在定向凝固坩埚的底部处测量的温度关于时间的图。

发明内容

考虑到当前的能量需求和供应限制，本发明人已经认识到亟需将冶金级(MG)硅(或比太阳能级硅具有更大量的杂质的任何其他硅)纯化至太阳能级硅的更有成本效率的方式。该方法可以用于其他材料，如蓝宝石。

在各种实施方案中，本发明提供了用于定向凝固的设备。该设备包括定向凝固坩埚。定向凝固坩埚包括底部。该设备还包括冷却平台。冷却平台包括第一表面。第一表面限定了孔，所述孔配置为接收定向凝固坩埚的底部的一部分。冷却平台还包括冷却管道。冷却管道配置为将一部分的强制空气提供到定向凝固坩埚的底部的一部分。

在一个实例中，定向凝固坩埚的多个侧壁包含热面耐火材料。

在一个实例中，定向凝固坩埚的底部包含传导性耐火材料。

在一个实例中，定向凝固坩埚的底部的一部分利用强制空气以每小时约10％的速率散热。

在一个实例中，定向凝固坩埚的底部的至少一部分包括配置为散热的多个传热片。

在一个实例中，多个传热片中的至少一部分沿着定向凝固坩埚的底部向外延伸。

在一个实例中，传热片包括扁钢条。

在一个实例中，传热片包含不锈钢。

在一个实例中，定向凝固坩埚的底部的至少一部分包括配置为位于孔内的凸面。

在一个实例中，孔基本上接收定向凝固坩埚的底部的中心。

在一个实例中，孔配置为通过允许坩埚基本上水平地支撑在冷却平台上来接收定向凝固坩埚的底部的一部分。