[发明专利]用于制造包括多个竖向结的单块硅晶圆的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制造具有竖向p-n多结的单块硅晶圆的新方法。

背景技术

在创造光伏电池和模块的环境中，这样的晶圆是特别有利的。

目前，光伏模块(PV)大多数是用单晶硅电池或多晶硅电池的组装制造的，通常用具有电导率p的晶圆生产这些电池。

在尺寸合理的PV模块(达到m²的程度)中，对于晶圆的尺寸标准(156mm×156mm)意味着PV模块的开路电压(V_oc)被限制为几十伏。

已经研究各种途径，以试图增大PV模块的电压V_oc。

第一选择可以在于使用除晶体硅(Si)以外的材料，尤其是呈现大于硅的1.1eV(电子伏)的带隙幅度的半导体，例如，从所谓的异质结技术获得的晶体Si上非晶Si类型的材料，或者甚至CdTe(碲化镉)类型的材料。遗憾的是，在开路电压方面的改善受到限制，这是因为具有过高带隙(>2eV)的半导体的使用导致所吸收的光子的量的显著减少和能量转换效率的损失。

另一可能的将是，相比于当前的156mm×156mm的标准，减小电池的尺寸，这使得通过串接形成模块的更大数量的电池，可以增大电压V_oc的值。然而，该解决方案会使处理模块创造的操作更加困难。此外，保持形成PV模块的电池之间用以连接的空间的需求导致有用表面面积的损失(即允许电载流子的光生作用)。伴随更大数量的较小尺寸的电池的实施，表面面积的这种损失更大。

为了试图降低有用表面面积的这种损失，可以考虑生产标准尺寸156mm×156mm的单块晶圆，并且凭经验地蚀刻沟槽(例如通过激光消融)，这会具有有效地创造多个更小尺寸的电池的效果。然而，蚀刻工艺很可能引起晶圆的脆化，从而引起机械强度问题。此外，子电池之间的隔离问题是复杂的，尤其是如果针对目标应用需要显著的绝缘电阻。

Gatos等人(US 4,320,247)提出了利用根据切克劳斯基(Czochralski)方法通过定向性凝固所获得的p型硅晶体中本身存在的氧浓度波动，以在晶体的切割和通过基于氧气的热施主的热焙烧的激活之后获得p/n结构的晶圆。热施主(通过在400℃-500℃的温度的热焙烧而可在硅晶圆中生成的氧气的小的附聚物)充当电子供体，因此可以引起材料的补偿及其导电性的变化。遗憾的是，氧浓度波动且因此最终晶圆中的n区和p区的尺寸(通常达到大约一百微米的程度)难以控制。

最近，Pozner等人(“Progress in Photovoltaics”，20(2012),197)已经通过建模设想出具有竖向p-n结平面的电池的串接，与结平面是水平的传统晶圆的配置不同。该方法的益处是能够设想出在单块衬底上用于生产电池的集合类型的工艺。然而，关于这种结构的实际生产、其成本以及非常高的风险的几个技术问题仍未得到解决。

发明内容

因此，依然需要一种可用于制造适于生产具有高开路电压的PV模块且使不活跃的表面(即不允许光生载流子的聚集的表面)最小化的晶圆的方法。

本发明恰好旨在解决该需要。

更特别地，本发明提出了一种用于制造具有竖向p-n多结的单块硅晶圆的方法。

因此，根据本发明的第一方面，本发明涉及一种用于制造具有竖向多结的单块硅晶圆的方法，上述竖向多结呈现n掺杂区和p掺杂区的交替，该方法至少包括如下步骤：

(i)提供液浴，所述液浴包含硅、至少一种n型掺杂剂和至少一种p型掺杂剂；

(ii)通过改变对流-扩散参数以使n掺杂硅层和p掺杂硅层的生长交替，以在方向I上定向地凝固所述硅；以及

(iii)平行于所述方向I，切割在步骤(ii)完成时所获得的多层结构的薄片，从而获得预期的所述晶圆。

在该文本中的下文中，通常包括一种或多种p型掺杂剂(或一种或多种n型掺杂剂)的硅层或硅区将被更简化地称为“p掺杂”(或“n掺杂”)层或区。

与文献US 4,320,247中所描述的方法不同，n掺杂区因此在硅的定向凝固期间形成，并且绝不源于基于间隙氧的热施主的通过焙烧的后续激活。

在该文本中的下文中，除了另有指示外，否则当在其水平位置上观察时，描述晶圆的特征。

因此，特别地，该晶圆被限定成在水平定位的晶圆的竖向切割平面上呈现“竖向”结。