[發明專利]改進的晶體硅的制造

有效

• 申請號: 201380038161.3
• 申請日: 2013-05-15
• 公開（公告）號: CN104736746B
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發明（設計）人: 奧列格·費費洛夫;埃里克·紹爾;葉戈爾·弗拉基米羅夫
• 申請（專利權）人: REC光能普特有限公司
• 主分類號: C30B11/14
• 分類號: C30B11/14;C30B29/06
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司11112
• 代理人: 丁業平,金小芳

技術領域

本發明涉及制造用于太陽能電池的晶體硅。具體而言，本發明涉及通過定向凝固工藝來制造晶體硅。

背景技術

大多數用于光伏電池的硅晶片是采用定向凝固工藝如布里奇曼(Bridgman)法制造的。在這樣的工藝中，將固態硅原料引入坩堝中，隨后使其熔融以形成熔融硅。為獲得晶體硅，隨后在定向工藝中使所述熔融硅逐漸凝固，這使得晶體結構形成于固態硅錠中。

在傳統定向凝固工藝中形成的硅通常是多晶硅。因此，所述硅具有包含多個晶粒形成物的復雜結構。材料中的晶粒邊界、以及由于應力在生長過程中或之后而產生的位錯通常導致性能降低。結果，發現由基本上沒有位錯的單晶硅所形成的光伏電池提供了比由多晶硅形成的光伏電池更好的性能。

因此研究了制造低成本的單晶硅晶片的可行性。用于形成單晶硅的一個方法稱為提拉(Czochralski)法。在該方法中，將細長的籽晶在旋轉的同時逐漸從熔融硅的坩堝中移出，從而在該籽晶上形成單晶硅。結果是獲得了圓柱狀的單晶硅棒。然后可以將其切割以形成用于光伏電池的晶片。

與由通過定向凝固工藝形成的多晶材料制成的光伏電池相比，包含通過提拉法形成的單晶硅的光伏電池可以提供提高的效率。具有這些優點主要是因為晶體硅的固有性質，并且還因為其適合用于后續的處理步驟。例如，為了提高光吸收性質，對硅晶片的表面施用刻蝕或紋理化步驟是很常見的。

具體而言，已經開發了用于單晶硅的特定的濕法刻蝕工藝。在該工藝中，將堿性溶液，如氫氧化鉀(KOH)，涂抹到單晶硅晶片的{100}表面上。這導致形成包含規則的微錐體陣列的表面。已經發現該規則的圖案表現出優良的光吸收性能。

上述濕法刻蝕工藝起作用的機理是基于晶片上的堿性溶液的各向異性效應。這意味著晶片的不同晶面以不同的速率被該溶液刻蝕，從而導致上述規則的錐形表面。為了生成這種結構，晶片的表面必須平行于{100}晶面。

上述各向異性刻蝕工藝對于表現出晶體結構取向不一致的多晶晶片不能體現這些益處。因此，通常將各向同性刻蝕工藝應用于多晶晶片。這往往會產生不規則的表面紋理，其與通過對{100}晶面進行各向異性刻蝕而得到的規則的錐形結構相比在光吸收方面效率較低。

所以，由提拉法制造的單晶晶片有明顯的優勢。然而，發現通過該工藝制造大體積的用于光伏電池的晶片相對比較昂貴，因為在實踐中單次運行該工藝所能夠制造的晶體硅的體積相對較小。相反，定向凝固工藝所用的坩堝在每一次運行中都能夠處理明顯更大量的硅。

因此，由定向凝固工藝制造的多晶硅遠比由提拉法制造的單晶硅便宜。而且，相比于通過提拉法形成的晶體硅，在定向凝固過程中通過使用坩堝內表面上的氮化硅涂層，能夠降低晶體硅中氧的含量。已知氧雜質有損硅太陽能電池的性能。因此人們一直期望將單晶硅的性能優勢與定向凝固工藝的經濟優勢和加工優勢結合起來。

近年來，通過在定向凝固工藝中使用單晶晶種材料已經在這方面取得了進步。在這種技術的一個例子中，在引入常規的硅原料之前，將單晶硅晶種材料放置在坩堝底部。然后使所述硅原料熔融，之后使其逐漸凝固，所述凝固從只有部分熔融的單晶晶種材料開始。單晶晶種材料的作用是作為硅錠中的晶體結構的基礎。以這種方式，所形成的硅錠包含至少一個實質上為單晶的區域。如上所述，當以這種方式形成的硅被用于其最終目的(例如用于光伏電池)時，產生了重要的性能優勢。

硅晶片由貫穿硅錠的水平薄片形成。為了確保它們呈現出各向異性刻蝕工藝所要求的{100}晶面，提供晶種材料使得{100}面垂直于其縱向方向。

雖然已經發現在定向凝固工藝中使用晶種材料在生長單晶材料這方面獲得了一些成功，但其并不是完全有效或具有吸引力。特別是，發現隨著凝固過程的進行，所形成的單晶硅的比例下降。特別是，多晶區域從坩堝的外壁逐漸進一步向錠的中心延伸。結果，最終得到的錠含有被多晶區域包圍的中央單晶區域，并且沿著該錠向上的方向，該多晶區域的面積進一步增加。