CN101370969A - 制造几何多晶铸硅的方法和装置及用于光电池的几何多晶铸硅实体 - Google Patents

Abstract

提供了用于光电池及其它应用中的铸硅的方法及装置。采用这种方法及装置，可以形成几何规则多晶硅的铸造实体，其不含或基本上不含径向分布的杂质和缺陷，并且具有各自为至少约10cm的至少两个尺寸。

Description

制造几何多晶铸硅的方法和装置及用于光电池的几何多晶铸硅实体

说明

本发明是在美国政府的支持下完成的，能源部(DOE)授予的DOE合同号为DE-AC36-98GO10337，国家可再生能源实验室(NREL)的转包合同号为ZDO-2-30628-03。美国政府拥有本发明的某些权利。

相关申请

本申请要求2006年1月20日提交的美国临时申请60/760453、2006年5月30日提交的美国临时申请60/808954、2006年8月24日提交的美国临时申请60/839672和2006年8月24日提交的美国临时申请60/839670的优先权益，这些内容整体都明确地全文引入到本文中以供参考。

技术领域

本发明一般涉及光电领域，以及涉及制造用于光电应用的铸硅(cast silicon)的方法及装置。本发明进一步涉及新形式的铸硅，其可用于制造诸如光电池以及其它半导体器件的器件。该新型硅可以具有几何规则的多晶结构并可以通过铸造方法制造。

背景技术

光电池将光转换成电流。光电池最重要的量度标准之一就是其将光能转换成电能的效率。虽然可以由多种半导体材料制造光电池，但硅是普遍使用的，因为它易于以合理的成本获得，并且因为它在适合于制造光电池的电、物理及化学性能方面取得了平衡。

在制造光电池的已知步骤中，使硅原料与诱导正或负导电类型的材料(或掺杂剂)混合，熔融，然后通过将结晶硅从熔体区中拉出成单晶硅锭(通过直拉(CZ)或浮区(FZ)法)，或者铸造成多晶硅(multi-crystallinesilicon)或多结晶硅(polycrystalline silicon)的块或“砖(bricks)”来结晶，这取决于单个硅晶粒的晶粒尺寸。在上述步骤中，通过已知的片切或锯切法将锭或块切成薄基片，也称晶片。然后可以将这些晶片加工成光电池。

一般通过CZ或FZ法生产用于光电池制造的单晶硅，两种方法都是产生晶体硅的圆柱状晶棒(boule)的方法。对于CZ法，晶棒从熔融硅池中缓慢拉出。对于FZ法，通过熔融区送入固体材料并在熔融区的另一侧重新固化。按这些方式制造的单晶硅晶棒包含径向分布的杂质和缺陷，例如氧致堆垛层错(OSF)环和间隙或空位团的“漩涡”缺陷。即使存在着这些杂质和缺陷，单晶硅一般也为生产光电池的优选硅源，因为它可以用来生产高效率的太阳能电池。然而，采用诸如上文所述技术的已知技术生产单晶硅比常规的多晶硅成本高。

一般是通过铸造法生产用于光电池制造的常规多晶硅。用于制备常规多晶硅的铸造法在光电技术领域中是已知的。简单来说，在这种方法中，熔融硅被容纳在诸如石英坩埚的坩埚中，以受控的方式被冷却，从而容许包含在其中的硅的结晶。通常将得到的多晶硅块切成截面与用来制造光电池的晶片尺寸相同或接近的砖，用锯切或其它方式将砖切成这种晶片。以这种方式生产的多晶硅为晶粒的团聚，其中在由此制成的晶片之内，晶粒彼此间的取向实际上是随机的。

常规的多晶或多结晶硅中的晶粒的随机取向使得难以对所得到的晶片表面进行纹饰(texture)。纹饰是用于通过减少光反射和提高透过电池表面光能的吸收来提高光电池的效率。此外，在常规的多晶硅晶粒之间的边界上形成的“扭折(kink)”往往以簇或位错线的形式成为结构缺陷的核。据信，是这些位错以及往往被它们所吸引的杂质引起了由常规多晶硅制成的运作的光电池中的电荷载体的快速复合。这可以造成电池效率的降低。即使考虑到由已知技术生产的单晶硅中存在着径向分布的缺陷，与同样的由单晶硅制成的等价光电池相比，由这种多晶硅制成的光电池的效率一般也较低。然而，由于制造常规的多晶硅相对简单且成本较低，以及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的使用形式。

一些以前的铸造技术涉及将“冷壁”坩埚用于晶体生长。术语“冷壁”指的是这样的事实，即，存在于坩埚壁上或坩埚壁中的感应线圈是水冷式的，并且也可以开槽(slotted)，因而通常会保持在100℃以下。坩埚壁可以位于紧密靠近线圈和原料之间。坩埚壁的材料并不特别是热绝缘的，因此可以与冷却线圈保持热平衡。因此硅的加热并非基于来自坩埚壁的辐射，因为坩埚中硅的感应加热意味着硅被其中流动的感应电流直接加热。这样一来，坩埚壁保持在硅的熔融温度以下，相对于熔融的硅来说被视为是“冷”的。在感应加热的熔融硅的固化期间，这些坩埚冷壁起到散热器(heat sink)的作用。锭快速冷却，这是由对冷壁的散发决定的。因此，初始固化前沿迅速变得基本上弯曲，晶核在锭侧面出现并向着锭中心对角生长，干扰了任何保持垂直和几何规则的引晶过程(seeding process)或基本上平的固化前沿的企图。

鉴于上述情况，需要一种可以用来制造光电池的改进形式的硅。还需要这样的硅，与迄今用于生产单晶硅的方法相比，其制造方法更快，成本更低。本发明就提供这种硅以及这种方法。

发明内容

本文中所采用的术语“单晶硅”是指单个的晶体硅的实体(body)，具有一个全部一致的晶体取向。此外，常规的多晶硅是指具有厘米尺度的粒度分布的结晶硅，多重随机取向的晶体位于硅的实体内。

此外，本文中所采用的术语“多结晶硅”是指具有微米量级晶粒尺寸和位于给定的硅实体内的多重晶粒取向的结晶硅。例如，晶粒通常为约亚微米至亚毫米的平均尺寸(例如，单个晶粒不能被肉眼所见)，且晶粒取向完全随机分布。

更进一步，本文中所采用的术语“近单晶硅”是指这样的晶体硅实体，其在遍及超过50％体积的实体上具有一致的晶体取向，其中例如，这种近单晶硅可以包含与多晶区邻接的单个晶体硅的实体，或者它可以包含大的连续一致的硅晶体，该硅晶体部分或整体含有其它晶体取向的较小的硅晶体，其中较小的晶体所占不超过总体积的50％。优选地，近单晶硅可以含有所占不超过总体积25％的较小的晶体。更优选地，近单晶硅可以含有所占不超过总体积10％的较小的晶体。还更优选地，近单晶硅可以含有所占不超过总体积5％的较小的晶体。

然而，本文中所采用的术语“几何规则多晶硅”(以下简称“几何多晶硅”)是指这样的结晶硅，根据本发明的实施方案，其具有几何规则的厘米尺度的粒度分布，多重规则的晶体位于硅的实体内。例如，在几何多晶硅中，每个晶粒通常具有大小为约0.25cm²至约2500cm²的平均截面面积，其中截面是在垂直于晶粒的高度或长度的平面上，及具有可以如硅的实体一样大的高度，例如，该高度可以与垂直于截面平面的硅实体的尺寸一样大，几何多晶硅实体内的晶粒取向按预定的取向控制。垂直于几何多晶硅晶粒的高度或长度的晶粒截面的形状通常与其上形成它的籽晶或部分籽晶的形状相同。优选地，晶粒截面的形状为多边形。优选地，多边形晶粒的角对应于三个不同晶粒的接合处。虽然几何多晶硅实体内的每个晶粒优选在整个该晶粒中包含具有一个连续一致晶体取向的硅，但一个或多个晶粒也可以包含少量的不同取向的较小硅晶体。例如，每个这种晶粒都可以部分或整体地包含其它晶体取向的较小的硅晶体，其中这种较小的晶体所占不超过晶粒总体积的25％，优选不超过晶粒总体积的10％，更优选不超过晶粒总体积的5％，还更优选不超过晶粒总体积的1％，而又更优选不超过晶粒总体积的0.1％。

根据本发明的实施方案和概况描述，提供了一种铸硅制造方法，包括：在坩埚的至少一个表面上放置几何排列的许多单晶硅籽晶，所述坩锅具有一个或多个被加热到至少硅的熔融温度的侧壁和至少一个冷却壁；放置与几何排列的单晶硅籽晶接触的熔融硅；以及通过冷却熔融硅以控制结晶，形成几何规则多晶硅的固体实体，其任选具有各自为至少约10cm的至少两个尺寸，其中该形成包括在冷却期间控制熔融硅边缘处的固-液界面，以便在增大熔融硅与所述至少一个冷却壁之间的距离的方向上移动。可以考虑坩埚壁之一可以为坩埚的底部。

根据本发明的实施方案，还提供了一种铸硅制造方法，包括：按预定的图案在坩埚的至少两个表面上布置许多单晶硅籽晶，所述坩埚具有一个或多个被加热到至少硅的熔融温度的侧壁和至少一个冷却壁；放置与所述许多单晶硅籽晶接触的熔融硅；以及通过从坩埚的该至少两个表面冷却熔融硅以控制结晶，形成几何规则多晶硅的固体实体，其任选具有各自为至少约10cm的至少两个尺寸，其中该形成包括在冷却期间控制熔融硅边缘处的固-液界面，从而在增大熔融硅与坩埚中的单晶硅籽晶之间的距离的方向上移动界面。

根据本发明的另一实施方案，还提供了一种铸硅制造方法，包括：在坩埚的至少一个表面上放置几何排列的许多单晶硅籽晶；放置与该至少一个表面上的所述许多单晶硅籽晶接触的硅原料；将所述硅原料和所述许多单晶硅籽晶加热到硅的熔融温度；控制加热，使得所述许多单晶硅籽晶不完全熔融，该控制包括在坩埚中别处达到硅的熔融温度后，使在坩埚的外表面上测量的ΔT保持在约0.1℃/分钟或更小；以及，一旦所述许多籽晶部分熔融，通过冷却所述硅形成几何规则多晶硅的固体实体。

根据本发明进一步的实施方案，还提供了一种铸硅制造方法，包括：按预定的图案在坩埚的至少两个表面上布置许多单晶硅籽晶；放置与该至少两个表面上的所述许多单晶硅籽晶接触的硅原料；将所述硅原料和所述许多单晶硅籽晶加热到硅的熔融温度；控制加热，使得所述许多单晶硅籽晶不完全熔融，该控制包括在坩埚中别处达到硅的熔融温度后，使在坩埚的外表面上测量的ΔT保持在约0.1℃/分钟或更小；以及，一旦所述许多籽晶部分熔融，通过冷却所述硅形成几何规则多晶硅的固体实体。

根据本发明的实施方案，还提供了一种铸硅制造方法，包括：在坩埚的至少一个表面上放置至少一个几何多晶硅籽晶，所述坩埚具有一个或多个被加热到至少硅的熔融温度的侧壁和至少一个冷却壁；放置与该至少一个籽晶接触的熔融硅；以及通过冷却熔融硅以控制结晶，形成几何规则多晶硅的固体实体，其任选具有各自为至少约10cm的至少两个尺寸，其中该形成包括在冷却期间控制熔融硅边缘处的固-液界面，以便在增大坩埚中熔融硅与所述至少一个几何多晶硅籽晶之间的距离的方向上移动。

根据本发明的另一实施方案，还提供了一种铸硅制造方法，包括：在坩埚的至少一个表面上放置几何排列的许多单晶硅籽晶，该许多单晶硅籽晶布置成覆盖该坩埚的所述至少一个表面的整个或基本上整个区域；放置与该几何排列的单晶硅籽晶接触的熔融硅；以及通过冷却熔融硅以控制结晶，形成几何规则多晶硅的固体实体，其任选具有各自为至少约10cm的至少两个尺寸。

根据本发明的另一实施方案，还提供了一种铸硅制造方法，包括：放置与容器中的至少一个几何多晶硅籽晶接触的熔融硅，所述容器具有一个或多个被加热到至少硅的熔融温度的侧壁，该至少一个几何规则多晶硅籽晶布置成覆盖该容器表面的整个或基本上整个区域；以及通过冷却熔融硅以控制结晶，形成几何规则多晶硅的固体实体，其任选具有各自为至少约10cm的至少两个尺寸。

根据本发明进一步的实施方案，还提供了一种具有预定排列的晶粒取向的连续几何规则多晶硅的实体，该实体任选进一步具有各自为至少约10cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸。

根据本发明的又一实施方案，还提供了一种具有预定排列的晶粒取向的连续铸造几何规则多晶硅的实体，该实体任选具有各自为至少约10cm的至少两个尺寸。

根据本发明还进一步的实施方案，还提供了一种具有预定排列的晶粒取向的连续几何规则多晶硅晶片，该晶片进一步具有各自为至少约50mm的至少两个尺寸。

根据本发明还进一步的实施方案，还提供了一种太阳能电池，包括：由连续的几何规则多晶硅的实体形成的晶片，该实体具有预定排列的晶粒取向，优选共极方向(common pole direction)垂直于该实体的表面，该实体进一步具有各自任选为至少约10cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸；晶片中的p-n结；晶片表面上任选的抗反射涂层；任选选自背面电场和钝化层的至少一层；以及晶片上的导电触点。

根据本发明还进一步的实施方案，还提供了一种太阳能电池，包括：由连续的铸造几何规则多晶硅的实体形成的晶片，该实体具有预定排列的晶粒取向，优选共极方向垂直于该实体的表面，该实体进一步具有各自任选为至少约10cm的至少两个尺寸；晶片中的p-n结；晶片表面上任选的抗反射涂层；任选选自背面电场和钝化层的至少一层；以及晶片上的导电触点。

根据本发明还进一步的实施方案，还提供了一种太阳能电池，包括：具有预定排列的晶粒取向的连续几何规则多晶硅晶片，优选共极方向垂直于该晶片的表面，该晶片进一步具有各自为至少约50mm的至少两个尺寸；晶片中的p-n结；晶片表面上任选的抗反射涂层；任选选自背面电场和钝化层的至少一层；以及晶片上的导电触点。

根据本发明还进一步的实施方案，还提供了一种晶片，包括：由连续的几何规则多晶硅的实体形成的硅，该实体具有预定排列的晶粒取向，优选共极方向垂直于该实体的表面，该实体进一步具有各自任选为至少约10cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸。

根据本发明还进一步的实施方案，还提供了一种晶片，包括：由连续的铸造几何规则多晶硅的实体形成的硅，该实体具有预定排列的晶粒取向，优选共极方向垂直于该实体的表面，该实体进一步具有各自任选为至少约10cm的至少两个尺寸。

根据本发明还进一步的实施方案，还提供了一种晶片，包括：具有预定排列的晶粒取向的连续几何规则多晶硅晶片，优选共极方向垂直于该晶片的表面，该晶片进一步具有各自为至少约50mm的至少两个尺寸。

根据本发明还进一步的实施方案，还提供了一种太阳能电池，包括：从连续的几何规则多晶硅的实体上切下来的晶片，该实体具有预定排列的晶粒取向，优选共极方向垂直于该实体的表面，该实体进一步具有各自任选为至少约10cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸；晶片中的p-n结；晶片表面上任选的抗反射涂层；选自背面电场和钝化层的至少一个任选的层；以及晶片的至少一个表面上的许多导电触点。

根据本发明还进一步的实施方案，还提供了一种太阳能电池，包括：从连续的铸造几何规则多晶硅的实体上切下来的晶片，该实体具有预定排列的晶粒取向，优选共极方向垂直于该实体的表面，该实体进一步具有各自任选为至少约10cm的至少两个尺寸；晶片中的p-n结；晶片表面上任选的抗反射涂层；选自背面电场和钝化层的至少一个任选的层；以及晶片的至少一个表面上的许多导电触点。

根据本发明还进一步的实施方案，还提供了一种太阳能电池，包括：具有预定排列的晶粒取向的连续几何规则多晶硅晶片，优选共极方向垂直于该晶片的表面，该晶片进一步具有各自为至少约50mm的至少两个尺寸；晶片中的p-n结；晶片表面上任选的抗反射涂层；选自背面电场和钝化层的至少一个任选的层；以及晶片的至少一个表面上的许多导电触点。

根据本发明的另一实施方案，根据本发明制备的近单晶硅可以包含多达5体积％的其它晶体取向的较小的硅晶体。优选地，根据本发明的另一实施方案，根据本发明制备的近单晶硅可以包含多达1体积％的其它晶体取向的较小的硅晶体。还更优选地，根据本发明的另一实施方案，根据本发明制备的近单晶硅可以包含多达0.1体积％的其它晶体取向的较小的硅晶体。

本发明的附加特征及优点将在下面的描述中给出，这些可以从描述中显而易见，或者由本发明实施方案的实施可以知晓。由在书面说明书和权利要求书以及附图中具体指出的半导体器件结构以及制造方法和装置将实现和达成本发明的特征及其它优点。

应该理解，无论是前面的一般描述还是后面的详细描述都是示意和说明性的，旨在对所要求权利的本发明作进一步的解释。本发明还包括通过在本文中描述的和所要求权利的方法制备的硅，以及由这种硅制成的晶片和太阳能电池。

附图说明

并入本说明书中并构成本说明书一部分的附图举例说明了本发明的实施方案，并与说明书一起用于解释本发明的特征、优点及原理。在附图中：

图1举例说明根据本发明的一个实施方案在坩埚底表面上硅籽晶的示例性排列；

图2举例说明根据本发明的一个实施方案在坩埚的底表面和侧表面上硅籽晶的另一示例性排列；

图3A-3C举例说明根据本发明的一个实施方案在坩埚中用于铸造几何规则多晶硅的铺展(tiling)的例子；

图4举例说明根据本发明的一个实施方案在坩埚中用于铸造几何规则多晶硅的铺展的另一个例子；

图5举例说明根据本发明的一个实施方案的六边形籽晶铺展的紧密堆积排列的例子；

图6举例说明根据本发明的一个实施方案的具有菱形或三角形间隙的多边形形状的示例性排列；

图7举例说明根据本发明的一个实施方案的示例性方法；以及

图8A-8G和9举例说明根据本发明实施方案的单晶或几何规则多晶硅的示例性铸造方法。

具体实施方式

现在将详细地参考本发明的实施方案，附图中举例说明其实施例。在任何可能的地方，在全部的附图中用相同或类似的附图标记表示相同或类似的部件。

在根据本发明的实施方案中，通过采用一个或多个籽晶的铸造法实施熔融硅的结晶。如本文所披露的那样，可以这样实施这种铸造过程，使得可以控制结晶硅的铸造实体中的晶粒的尺寸、形状和取向。本文中所采用的术语“铸造”表示通过在用于容纳熔融硅的模具或容器中冷却熔融硅来形成硅。由于诸如熔融硅的流体将呈现出盛放它的容器的形状，因此本文中还可以考虑的是，还可以在采用任何装置，而不只是在模具或容器中承纳熔融硅的同时，实施熔融硅的冷却。举例来说，可以通过在坩埚中的固化来形成硅，其中固化是从坩埚的至少一个壁，而不是通过引入到熔体中的冷却的外部物体引发的。坩埚可以具有任意适当的形状，例如杯、圆筒或盒。因此，根据本发明的熔融硅结晶方法不是通过“拉”晶棒或晶带来进行控制。此外，与本发明实施方案一致，模具、容器或坩埚包括与熔融硅接触的至少一个“热侧壁”表面。本文中所采用的术语“热侧壁”指的是与它所接触的熔融硅等温或比它更热的表面。优选地，热侧壁表面在硅的加工过程中保持固定。

与本发明实施方案一致，结晶硅可以为连续单晶、近单晶硅或具有受控晶粒取向的连续几何多晶。本文中所采用的术语“连续单晶硅”指的是单个的晶体硅，其中硅实体为一个单晶硅的均匀实体，不是由较小硅片结合到一起形成的较大硅片。此外，本文中所采用的术语“连续几何多晶硅”指的是这样的几何多晶硅，其中硅实体为一个几何多晶硅的均匀实体，不是由较小硅片结合到一起形成的较大硅片。

与本发明实施方案一致，可以通过例如在能盛放熔融硅的诸如石英坩埚的容器的底部布置所需的结晶硅“籽晶”集合体来完成结晶。本文中所采用的术语“籽晶”指的是具有所需晶体结构的优选几何形状的硅片，优选其中至少一个截面具有优选为多边形的几何形状，且优选一个侧面适合可能放置它的容器的表面。这种籽晶可以为单晶硅片或几何规则多晶硅片，例如从几何规则多晶硅锭上切下或以其它方式获得的平板或水平段。根据本发明，籽晶的顶表面可以与其底表面平行，但事实并不一定如此。例如，籽晶可以为截面尺寸在约2mm至约3000mm之间变化的硅片。例如，籽晶截面可以为约10mm至约300mm。硅片的厚度可以为约1mm至约1000mm，优选为约5mm至约50mm。可以根据方便性及铺展来选取籽晶的合适尺寸及形状。下面将要更详细描述的铺展是将硅籽晶按预定的几何取向或图案布置在例如坩埚的底表面或者一个或多个侧壁以及底表面上。优选地，籽晶覆盖其位置旁边的整个坩埚表面，以便当使籽晶晶体生长固化前沿离开籽晶移动时，坩埚截面上的全部尺寸可以保持为一致的几何晶体。

然后在籽晶的存在下使熔融硅冷却并结晶，优选按这样的方式，即进行熔融硅的冷却，使得熔融硅的结晶始于固体籽晶初始顶部的水平面或该水平面以下，并远离籽晶，优选向上远离籽晶而进行。熔融硅边缘处的固-液界面将优选最初与容器的冷却表面一致，例如在其中铸造它的坩埚中的表面。根据本发明的实施方案，熔融硅与结晶硅之间的液-固界面在整个部分，例如在固化进程的起始部分，或全部的铸造过程中可以保持基本上平坦。在本发明的一个实施方案中，在冷却期间控制熔融硅的每个边缘处的固-液界面，以便在增大熔融硅与坩埚的冷却表面之间的距离的方向上移动，同时优选保持基本上平坦的固-液界面。

因此，根据本发明，固化前沿可以平行于容器的冷却表面的形状。例如，对于平底坩埚，固化前沿可以保持基本上平坦，固-液界面具有受控的外形。可以控制固-液界面，使得当其从边缘向中心移动时其曲率半径减小。作为选择，可以控制固-液界面，从而保持至少为容器宽度的一半的平均曲率半径。此外，可以控制固-液界面，从而保持至少为容器宽度两倍的平均曲率半径。固体可以具有稍微凸起的界面，曲率半径为容器宽度的至少约四倍。例如，在0.7m见方(square)坩埚中固-液界面可以具有通常大于2m的曲率半径，超过了坩埚水平尺寸的两倍，优选为坩埚水平尺寸的约8倍至约16倍。

根据本发明的实施方案，可以形成单晶硅或近单晶硅的固体实体，优选是铸造的，优选具有各自为至少约20cm的至少两个尺寸，例如在一侧上至少约20cm，和至少约10cm的第三尺寸。优选地，可以形成单晶硅或近单晶硅的固体实体，优选是铸造的，具有各自为至少约30cm的至少两个尺寸，例如在一侧上至少约30cm，和至少约10cm的第三尺寸。更优选地，可以形成单晶硅或近单晶硅的固体实体，优选是铸造的，具有各自为至少约35cm的至少两个尺寸，例如在一侧上至少约35cm，和至少约10cm的第三尺寸。还更优选地，可以形成单晶硅或近单晶硅的固体实体，优选是铸造的，具有各自为至少约40cm的至少两个尺寸，例如在一侧上至少约40cm，和至少约20cm的第三尺寸。还更优选地，可以形成单晶硅或近单晶硅的固体实体，优选是铸造的，具有各自为至少约50cm的至少两个尺寸，例如在一侧上至少约50cm，和至少约20cm的第三尺寸。还更优选地，可以形成单晶硅或近单晶硅的固体实体，优选是铸造的，具有各自为至少约60cm的至少两个尺寸，例如在一侧上至少约50cm，和至少约20cm的第三尺寸。还更优选地，可以形成单晶硅或近单晶硅的固体实体，优选是铸造的，具有各自为至少约70cm的至少两个尺寸，例如在一侧上至少约70cm，和至少约20cm的第三尺寸。

根据本发明实施方案制成的铸硅锭的水平尺寸的上限仅由铸造及坩埚的制造技术所确定，不是由发明方法本身所确定。根据本发明可以制造出截面面积为至少1m²及至多4-8m²的锭。类似地，锭高度的上限可能与较长的周期时间有关，而不是与铸造过程的基础有关。至多约50cm至约80cm的锭高度是可能的。因此，根据本发明，可以成功地将连续单晶硅或近单晶硅的实体生长到截面为约66cm×66cm，连续单晶硅的长方形固体片体积为至少33750cm³。此外，根据本发明，可以形成铸造连续单晶硅或近单晶硅的固体实体，优选具有各自与铸造容器的内部尺寸一样大的至少两个尺寸和与锭等高的第三尺寸。例如，如果单晶硅的铸造实体为立方形状或长方形状的固体，则上述这些尺寸指的是这种实体的长度、宽度和高度。

类似地，可以形成几何多晶硅的固体实体，优选为铸造几何多晶硅，优选具有各自为至少约10cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸。优选地，可以形成几何多晶硅的固体实体，优选为铸造几何多晶硅，并具有各自为至少约20cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸。更优选地，可以形成几何多晶硅的固体实体，优选为铸造几何多晶硅，并具有各自为至少约30cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸。还更优选地，可以形成几何多晶硅的固体实体，优选为铸造几何多晶硅，并具有各自为至少约35cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸。还更优选地，可以形成几何多晶硅的固体实体，优选为铸造几何多晶硅，并具有各自为至少约40cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸。还更优选地，可以形成几何多晶硅的固体实体，优选为铸造几何多晶硅，并具有各自为至少约50cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸。还更优选地，可以形成几何多晶硅的固体实体，优选为铸造几何多晶硅，并具有各自为至少约60cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸。还更优选地，可以形成几何多晶硅的固体实体，优选为铸造几何多晶硅，并具有各自为至少约70cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸。因此，根据本发明，可以成功地将连续几何多晶硅的实体生长到截面为约66cm×66cm，连续几何多晶硅的长方形固体片体积为至少33750cm³。此外，根据本发明，可以形成几何多晶硅的固体实体，优选为铸造几何多晶硅，优选具有各自与铸造容器的内部尺寸一样大的至少两个尺寸。例如，如果几何多晶硅的铸造实体为立方形状或长方形状的固体，则上述这些尺寸指的将是这种实体的长度、宽度和高度。

通过按与本发明实施方案一致的方式进行熔融硅的结晶，可以制备出具有特定的而不是随机的晶界和特定晶粒尺寸的铸硅。此外，通过按所有籽晶以彼此同样的相对方向定向的方式排列籽晶，例如(100)极方向垂直于坩埚的底部，(110)极方向与长方形或方形截面的坩埚的一侧平行，可以得到大的铸硅实体，其为单晶硅或几乎是单晶硅，其中这种铸硅的极方向与籽晶的相同。类似地，其它极方向可以垂直于坩埚的底部。此外，与本发明的一个实施方案一致，籽晶可以这样布置，使得任何共极方向垂直于坩埚的底部。

当通过从熔融硅池中拉圆柱形状晶棒的常规方法，例如根据CZ或FZ法制备单晶硅时，所得到的单晶硅包含径向分布的杂质和缺陷，例如漩涡缺陷(由诸如空位及自间隙原子的本征缺陷形成)和OSF环缺陷。漩涡缺陷是单个或簇形式的间隙硅原子或空位。可以通过X射线形貌图检测这种漩涡缺陷，它们显示为硅中的“漩涡”。它们也可以在用于缺陷描绘的硅优先酸蚀之后被检测到。

根据常规的CZ或FZ法，硅内部的氧原子分布以及由这种氧原子造成的硅中的缺陷是位于径向的。这意味着它们往往排列成围绕中心轴对称的环、螺旋或条纹。OSF环缺陷就是这样的一种具体的例子，其中纳米尺度的氧沉淀物使在拉出的单晶硅锭或硅晶棒内的圆柱带中的堆垛层错成核，导致由这种硅制成的晶片上的环形缺陷带。这种带可以在优先酸蚀刻后的硅样品中观察到。

例如根据常规的CZ或FZ法，通过从熔融硅池中拉出圆柱形状的晶棒，由于拉动过程的旋转对称性、轴向热梯度以及过程中的固有旋转，漩涡缺陷和OSF环缺陷均出现在单晶硅的晶棒中。相反，可以通过根据本发明实施方案的铸造法制备硅，其不会表现出这种漩涡缺陷和OSF环缺陷。这是因为，在不具有圆柱对称性的硅实体中，在整个固化和冷却过程中穿过锭的等温线基本上是平坦的过程中，铸造过程期间所引入的缺陷可以基本上随机地分布到不受旋转影响的生长界面上。

关于通过不同的方法在硅中生长的轻元素杂质的浓度，表1中所示的以下水平被认为是特征性的。

表1

目前生产的部分CZ锭可以具有低至5×10¹⁷原子/cm³的氧，但不会更低。通过有意的掺杂可以提高FZ和CZ锭中的碳和氮的浓度，但在这些技术中的掺杂不超过固溶度的限制(如其在铸造材料中那样)，而且还没有制备出直径尺寸大于20cm的掺杂锭。相比之下，铸造锭由于剥离涂层和炉内热区的设计原因而是碳和氮过饱和的。结果，由于液相成核及生长的原因，沉淀的氮化物和碳化物是普遍存在的。此外，根据本发明的实施方案，已经制造出具有上述的杂质水平及尺寸大到50×50×20cm³和60×60×5cm³的铸造的单个晶锭。这些尺寸只是示意性的，不视为本发明的铸造法的上限。

例如，关于杂质水平，在根据本发明的硅铸造中，约1-5×10¹⁷原子/cm³(表示约1×10¹⁷原子/cm³至约5×10¹⁷原子/cm³)的溶解碳浓度、约2-3×10¹⁷原子/cm³的溶解氧浓度和约1-5×10¹⁵原子/cm³的溶解氮浓度是优选的。根据本发明的实施方案，可以形成几何多晶硅的固体实体，优选为铸造几何多晶硅，并优选具有各自为至少约10cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸，具有约1-5×10¹⁷原子/cm³的溶解碳浓度、约2-3×10¹⁷原子/cm³的溶解氧浓度和约1-5×10¹⁵原子/cm³的溶解氮浓度。优选地，可以形成几何多晶硅的固体实体，优选为铸造几何多晶硅，并具有各自为至少约20cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸，具有约1-5×10¹⁷原子/cm³的溶解碳浓度、约2-3×10¹⁷原子/cm³的溶解氧浓度和约1-5×10¹⁵原子/cm³的溶解氮浓度。更优选地，可以形成几何多晶硅的固体实体，优选为铸造几何多晶硅，并具有各自为至少约30cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸，具有约1-5×10¹⁷原子/cm³的溶解碳浓度、约2-3×10¹⁷原子/cm³的溶解氧浓度和约1-5×10¹⁵原子/cm³的溶解氮浓度。还更优选地，可以形成几何多晶硅的固体实体，优选为铸造几何多晶硅，并具有各自为至少约35cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸，具有约1-5×10¹⁷原子/cm³的溶解碳浓度、约2-3×10¹⁷原子/cm³的溶解氧浓度和约1-5×10¹⁵原子/cm³的溶解氮浓度。还更优选地，可以形成几何多晶硅的固体实体，优选为铸造几何多晶硅，具有至少两个各自为至少约40cm的尺寸和至少约5cm的第三尺寸，具有约1-5×10¹⁷原子/cm³的溶解碳浓度、约2-3×10¹⁷原子/cm³的溶解氧浓度和约1-5×10¹⁵原子/cm³的溶解氮浓度。还更优选地，可以形成几何多晶硅的固体实体，优选为铸造几何多晶硅，并具有各自为至少约50cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸，具有约1-5×10¹⁷原子/cm³的溶解碳浓度、约2-3×10¹⁷原子/cm³的溶解氧浓度和约1-5×10¹⁵原子/cm³的溶解氮浓度。还更优选地，可以形成几何多晶硅的固体实体，优选为铸造几何多晶硅，并具有各自为至少约60cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸，具有约1-5×10¹⁷原子/cm³的溶解碳浓度、约2-3×10¹⁷原子/cm³的溶解氧浓度和约1-5×10¹⁵原子/cm³的溶解氮浓度。还更优选地，可以形成几何多晶硅的固体实体，优选为铸造几何多晶硅，并具有各自为至少约70cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸，具有约1-5×10¹⁷原子/cm³的溶解碳浓度、约2-3×10¹⁷原子/cm³的溶解氧浓度和约1-5×10¹⁵原子/cm³的溶解氮浓度。

根据本发明的实施方案制成的、具有上面提及杂质浓度的铸硅锭的水平尺寸的上限仅由铸造及坩埚制造技术决定，而不是由发明方法本身决定。因此，根据本发明，可以成功地将连续几何多晶硅的实体生长到截面为约66cm×66cm，连续几何多晶硅的长方形固体片体积为至少33750cm³。此外，根据本发明，可以形成几何多晶硅的固体实体，优选为铸造几何多晶硅，优选具有至少两个各自与铸造容器的内部尺寸一样大的尺寸。例如，如果几何多晶硅的铸造实体为立方形状或长方形状的固体，则上述这些尺寸指的是这种实体的长度、宽度和高度。

与本发明的实施方案一致，用于铸造过程的籽晶可以具有任何所需的尺寸和形状，但是合适的是具有几何形状的单晶硅、近单晶硅或几何规则多晶硅的片，例如方形、长方形、六边形、菱形或八边形形状的硅片。可以按有利于铺展的方式对它们进行成形，从而使得可以边靠边地放置或“铺展”它们，按照所需的图案使它们适应坩埚的底部。还与本发明的实施方案一致，可以在坩埚的一个或多个，包括所有侧面上放置籽晶。这种籽晶例如可以通过将诸如单晶硅晶棒的结晶硅源锯成具有所需形状的切片来获得。还可以通过从根据本发明的实施方案的方法制备的连续单晶、近单晶硅或连续几何多晶硅的样品上进行切割来形成籽晶，这样可以由初始的铸造过程制备用于随后的铸造过程的籽晶。因此，举例来说，从连续单晶或近单晶硅的锭上切下或以其它方式获得的连续单晶或近单晶硅的平板(slab)，可以起到作为后续铸造连续单晶或近单晶硅的模板的作用。这种籽晶的尺寸和形状可以为，或者基本上为，放置籽晶的坩埚或其它容器的一侧例如底部的尺寸和形状。对于单晶铸造的目的来说，为了避免缺陷的引入，优选用尽可能少的籽晶覆盖坩埚底部。因此，为实施根据本发明的铸造方法，籽晶的尺寸和形状可以为，或者基本上为，放置籽晶的坩埚或其它容器的一个或多个侧面例如底部的尺寸和形状。

现在将描述根据本发明的某些实施方案制备硅的方法及装置。然而，应该理解，这些不是用来形成与本发明的原理一致的硅的唯一方式。

参考图1，以这样的方式将籽晶100置于诸如石英坩埚的具有底和壁的坩埚110的底部，即它们任一个在相同的取向上紧密邻接，从而形成大的连续定向平板120。作为选择，使它们在预先选定的错取向上紧密邻接，从而在所得到的生成硅中产生特定的晶界，具有有意选择的晶粒尺寸。也就是说，对于几何多晶硅的铸造而言，所得到的结晶几何多晶硅的截面晶粒尺寸以及优选截面形状将与籽晶的尺寸和形状相等或近似，而晶粒的高度可以与垂直于截面的硅的尺寸一样长。如果使用几何多籽晶晶，例如从几何多晶硅锭上切下或以其它方式获得的几何多晶硅的平板作为铸造几何多晶硅的籽晶，则所得到的几何多晶硅晶粒的截面晶粒尺寸以及优选截面形状将与几何多晶籽晶中的晶粒近似。因此，从几何多晶硅锭上切下或以其它方式获得的几何多晶硅的平板可以为“几何多晶硅籽晶”(也称为“几何规则多晶硅籽晶”)，并且可以起到后续铸造几何多晶硅的模板的作用。这种籽晶的尺寸和形状可以为，或者基本上为，放置籽晶的坩埚或其它容器的一侧例如底部的尺寸和形状。当这种籽晶用于本发明的方法时，所得到的几何多晶硅的晶粒优选与籽晶中的晶粒具有相同或基本上相同的截面尺寸和形状。优选地，籽晶100是铺展放置的，从而基本上覆盖坩埚110的整个底部。还优选地，坩埚110具有诸如由二氧化硅、氮化硅或液体密封材料制成的脱离涂层，以协助从坩埚110上取下结晶硅。此外，籽晶可以包含约3mm至约100mm厚的所需晶体取向的单晶硅的平板。尽管图1中示出特定数目及尺寸的籽晶100，但是本领域的普通技术人员可以显而易见的是，根据应用情况，可以增加或减少籽晶的数目及尺寸。

参考图2，也可以将籽晶100放置到坩埚110的一个或多个侧壁130、140上。虽然这里仅为示例的目的，只在壁130、140上显示籽晶100，但是可以将籽晶100放置到坩埚110的所有四个壁上。优选地，放置到坩埚110的四个壁的任一个上的籽晶100是柱状的，从而有利于晶体生长。优选地，放置到坩埚110的四个壁的任一个上的每个柱状籽晶将具有与放置在它的紧下面在坩埚110的底表面上的籽晶相同的晶粒取向。在几何多晶硅生长的情况下，按这种方式放置柱状籽晶将有利于几何多晶硅晶粒生长到与坩埚110的高度一样大。

仍参考图2，这种排列的籽晶110的优点是，铸硅具有更快更简单的自传播过程，结晶度更高，生长速率更快。例如，硅可以在硅‘杯’中熔融，所述硅‘杯’由许多籽晶构成，所述许多籽晶堆叠在一起在坩埚110的内部形成空腔，例如，底部和四壁。作为选择，可以把熔融硅倒入硅‘杯’中，所述硅‘杯’由许多籽晶构成，所述许多籽晶堆叠在一起在坩埚110的内部形成空腔，例如，底部和四壁。在替代性的实施例中，首先将接收‘杯’提高到硅的熔融温度，但仍保持在固态，然后倒入熔融硅并允许达到热平衡。然后，在上面的每个实施例中，冷却坩埚110，由此例如通过向环境中散发热的固体散热材料(未示出)使热量从坩埚110的底部及侧壁散出，同时仍然向坩埚110的敞开的顶端施加热量。按此方式，所得到的硅的铸造锭可以是单晶的或几何多晶的(取决于所用籽晶100的类型以及它们的取向)，而且结晶进行得比已知的多晶铸造过程更快。为了重复这一过程，利用已知的技术移走一部分侧壁及底部的结晶硅锭，并可在随后的铸造过程中重新使用。优选地，这样放置很多的籽晶，例如籽晶100，使得籽晶100之间的共极方向垂直于坩埚110的底部及侧壁的每一个，从而在坩埚110的底部和侧壁之间没有晶界形成。

图3A-3C举例说明用于在坩埚110中铸造几何多晶硅的铺展实例。晶粒设计(crystal grain engineering)可以通过仔细造籽晶、定向、布置及晶体生长来实现。图3A和3B例如显示了两种单晶硅平板155、165，上面给出了不同的(110)方向。两种平板具有垂直于其表面的共同的(100)方向。然后切割每个单晶硅平板155、165，形成许多的硅片，这些硅片成为籽晶150、160。由于纹饰原因，表面类型可以是均匀的，例如(100)，或者可以根据意愿选择。如图3B所示，可以基于从单晶硅平板155和165上切割铺片来选择晶粒的形状和尺寸。片150、160的相邻铺片之间的相对定向角决定所得到的铸造几何多晶硅中的晶界类型(例如，高角度、低角度或孪晶)。例如在图3A中，显示了(100)极方向的两种晶粒取向。

图3C中所示的籽晶由铺展的单晶硅片150、160组成，这些片与相邻的铺片之间具有特定选取的定向关系。然后如图3C所示，将片150、160铺展在坩埚110的底部，使得两个(110)方向交替，如片150、160上所画的箭头所示。需要指出的是，只是为了示例的目的，将片150、160绘成大致的方块，而根据下面所讨论的原因，它们可以是其它的形状。

虽然没有在图3C中示出，但是也可以如在图2中那样将籽晶放置在坩埚的侧壁上。然后可以将硅原料(未示出)引入到坩埚110内的片150、160之上，然后熔融。作为选择，可以将熔融硅倒入到坩埚110中。在替代性的实施例中，首先使坩埚110达到非常接近或直到硅的熔融温度，然后倒入熔融硅。与本发明的实施方案一致，在固化开始之前可以熔融籽晶薄层。

然后，在上述的每个例子中，冷却坩埚110，由此例如通过向环境中散发热的固体散热材料使热量从坩埚110的底部散出(以及，只有当籽晶还在侧表面上铺展时，还从侧壁上散出)，同时仍然向坩埚110的敞开的顶端施加热量。因此，在保持籽晶为固体的同时引入熔融硅，熔体的定向固化造成柱状晶粒向上生长。按此方式，所得到的几何多晶硅铸造锭将效仿铺展硅籽晶150、160的晶粒取向。一旦适当地实施此方法，可以例如将所得到的锭切成水平的平板，作为其它铸造过程的籽晶层。平板可以具有例如为，或者基本上为用于铸造的坩埚或其它容器的表面例如底部的尺寸和形状。例如，铸造过程可以只使用一种这样的平板。

图4举例说明图3C中所示的铺展的一种变化形式。作为铸造几何多晶硅晶粒取向的一个例子，籽晶片150、160铺展，共极方向(001)垂直于坩埚110的底部。在图4中，(110)组方向的所有变化都表示在片150、160的铺展上，如方向箭头所示。虽然在这个特定的图中没有显示，但籽晶也可以处在坩埚110的一个或多个侧壁上。

因此，可以选择坩埚中用于形成硅的籽晶的取向，使得在铸造几何多晶硅中形成特定的晶界，且其中这种晶界包围出几何形状。与本发明的实施方案相反，已知的铸造法涉及通过由完全熔融的硅物质的定向固化而以不受控的方式进行的多晶晶粒的铸造。所得到的晶粒具有基本上随机的取向和粒度分布。随机的晶粒取向使得难以对硅表面进行有效的纹饰。此外，业已表明，作为一般生长技术的自然产物，晶界中的扭折往往形成结构缺陷的核，这些结构缺陷涉及位错的簇或线。这些位错以及往往被它们所吸引的杂质引起电载体的快速复合和作为光电材料的性能劣化。因此，与本发明的实施方案一致，实现用于单晶或几何多晶硅铸造的规则晶界网络的平坦化和引晶，使得可以明确地选择晶粒的尺寸、形状和取向，从而使少数载体寿命和吸杂最大化，同时最大限度地减少结构缺陷。

为了最大限度地减少位错成核，同时保持其生长期间的垂直方向，可以选择晶界为平坦的平面。选择晶界类型以使吸杂及应力消除最大化。选择晶粒取向(以及尤其是表面取向)以容许纹饰，改善表面钝化并提高晶粒强度。选择晶粒尺寸以优化有效吸杂距离与大的吸收面积之间的平衡。例如，可以这样实施几何多晶硅的铸造，即几何多晶硅具有至少约0.5cm至约10cm的平均最小晶粒截面尺寸，共极方向垂直于铸造几何多晶硅的表面，例如如图3C和4所示。平均晶粒截面尺寸可以为约0.5cm至约70cm或更大。如上所述，几何多晶硅晶粒的截面尺寸被认为是垂直于晶粒高度或长度的晶粒截面的最长尺度。净结果就是所得到的光电材料效率的总体提高。

与本发明的实施方案一致，可以在坩埚的至少一个表面，例如坩埚的底表面上放置几何排列的许多单晶硅籽晶，其中几何排列包括紧密堆积的多边形。作为选择，可以这样放置几何排列的许多单晶硅籽晶，即几何排列包括紧密堆积的六边形或具有菱形或三角形间隙的多边形形状，例如，如图5和6所示。在另一种替代方案中，不是使用许多单籽晶晶，而是可以将从由现有技术中铸造几何规则多晶硅生产的锭上切下或以其它方式获得的硅段或平板当作单个籽晶，用于铸造根据本发明的几何规则的多晶硅。这种单个几何多晶硅籽晶的尺寸和形状与用于进行铸造的坩埚或其它容器的表面相同，或基本上相同。更具体地说，图5举例说明六边形170紧密堆积排列的例子。对比之下，图6举例说明具有菱形或三角形间隙180、190的多边形形状的排列的例子。下面要更详细地讨论到这两种排列。上面所讨论的任何排列也适用于铸造单晶硅固体实体、近单晶硅固体实体或几何多晶硅固体实体的实施方案，其中在坩埚的底面和侧表面上均如此放置了籽晶。

与本发明的实施方案一致，通过铸造几何多晶硅实体生产的硅晶粒可以按柱状的方式生长。此外，这种晶粒的截面可以为，或接近形成它的籽晶的形状。当制备具有这种特别选定晶界的硅时，优选晶界接合处只有在角处会合的三个晶界。如图5所示，籽晶170的六边形排列对于籽晶的铺展是理想的，其中晶体取向是这样的，即水平平面上的原子具有三重或六重对称性，例如硅的(111)。因此，图5举例说明排列在诸如图1和2中所示的适当的坩埚底部的六边形形状籽晶集合体的部分的俯视图。箭头表示籽晶中的硅晶体的(110)方向的取向。

作为选择，对于4重对称的取向，可以采用籽晶的不同几何构型在多晶粒间保持稳定对称的晶界，同时仍然满足三个晶界角的原则。例如，如果θ为(110)方向与具有(100)极的八边形主边之间的取向差(misorientation)，α为间隙菱形的顶角，如图6所示，如果α＝90°-θ，则所有的晶粒相对于(110)方向将具有对称的晶界。在此实施例中，所有的晶粒具有垂直于描绘图6的纸平面的(100)极方向。因此，图6为排列在诸如图1和2中所示的适当的坩埚底部的八边形形状的籽晶与菱形形状的籽晶180、190集合体的部分俯视图。箭头表示籽晶中的硅晶体(110)方向的取向。

图7是描述符合本发明的硅制造的示例性方法的流程图。与图7一致，方法700可以从选择用于单晶或几何多晶硅生长的单晶硅籽晶，以及在坩埚中放置单晶硅籽晶(步骤705)开始。作为选择，可以使用从单晶硅或几何规则的多晶硅锭上切下或以其它方式获得的单个平板作为单个籽晶。接下来，可以向坩埚中添加硅原料(步骤710)。然后从顶部加热坩埚，同时从底部冷却坩埚的底部(被动或主动地，见步骤715)。在熔融期间，监测硅的熔融阶段，用以追踪和控制固-液界面的位置(步骤720)。使熔融阶段进行到部分单晶硅籽晶被熔融(步骤725)。一旦所需部分的单晶硅籽晶熔融，熔融阶段结束，晶体生长阶段开始(步骤730)。使晶体生长在坩埚内单向和垂直地持续进行，直到完成硅结晶(步骤735)。如果籽晶是为几何多晶硅的生长而设置的，则步骤735的结晶将产生具有柱状晶粒的几何多晶硅锭(步骤740)。作为选择，如果籽晶是为单晶硅的生长而设置的，则步骤735的结晶将产生单晶硅锭(步骤745)。最后，取出在步骤740或745中产生的锭以作进一步处理(步骤750)。

如图8A所示，例如可以按两种方式之一将硅原料200引入到包含籽晶220的坩埚210中。在第一种方式中，坩埚210装满全部容量的固体硅原料200，所述的硅原料合适的形式为适当筛选的大块，将装满的坩埚210放置在铸造站上(未示出)。

如图8B所示，在坩埚210中建立起热分布，使得坩埚110中的硅填料的顶部受热熔融，而主动或被动地冷却底部，从而维持坩埚210底部的籽晶220的固相，即，使得它们在原料200熔融之时不发生浮动。固体散热材料230与坩埚210的底部接触，用于将热散发到水冷壁。例如，散热材料230可以为石墨固体块，优选可以具有与坩埚底部一样或更大的尺寸。例如根据本发明，当所利用的坩埚底表面为66cm×66cm时，散热材料可以为66cm×66cm×20cm。假如只在坩埚210的底部放置籽晶220，则优选不以任何方式对坩埚210的侧壁进行冷却。如果在坩埚210的底部及侧壁上放置籽晶220，则在坩埚210的底部及侧壁上均设置散热材料230，用以保持所需的热分布。

密切监测硅原料200的熔融阶段，从而追踪熔融硅与籽晶之间的界面的位置。优选地，熔体240(示于图8B)进行到除了籽晶220之外的所有原料硅200完全熔融，此后籽晶220部分熔融。例如，在坩埚中别处达到硅的熔融温度后，通过使在坩埚的外表面上测量的ΔT保持在约0.1℃/分钟或更小，可以对加热进行严密控制，使得籽晶220不完全熔融。优选地，在坩埚中别处达到硅的熔融温度后，通过使在坩埚的外表面上测量的ΔT保持在约0.05℃/分钟或更小，可以对加热进行严密控制。例如，根据本发明，可以在坩埚与大块石墨之间的坩埚外表面测量ΔT，可以将浸量尺插入到熔体240中，用以测量熔体的深度，以便计算已熔融的籽晶220的比例。

如图8C所示，250部分例示了熔体240之下的籽晶220总厚度的熔融部分。籽晶220的250部分在熔体240下面熔融后，熔融阶段则迅速结束，并开始进行晶体生长阶段，其中坩埚210顶部的加热减少，和/或在散热材料230处的底部的冷却增加。作为此方法的例子，图8D的图显示了作为时间函数的籽晶220的250部分的熔融。如图8D所示，初始厚度为5至6cm的籽晶部分逐渐熔融到只剩下不到2cm的固体籽晶。例如，在坩埚中别处达到硅的熔融温度后，通过使在坩埚的外表面上测量(例如，通过在冷却块中安装的热电偶)的ΔT保持在约0.1℃/分钟或更小，可以对加热进行严密控制，使籽晶220不完全熔融。优选地，在坩埚中别处达到硅的熔融温度后，通过使在坩埚的外表面上测量的ΔT保持在约0.05℃/分钟或更小，可以对加热进行严密控制。此时，则熔融阶段迅速终止，并开始进行晶体生长阶段，这可由图表纵坐标中测量的固体厚度的相对增加看出来。

然后，如图8E所示，籽晶晶体生长在坩埚210内单向和垂直地连续进行，直到硅结晶完成。当坩埚210内自上而下的热梯度平坦时，铸造周期结束。然后，将整个锭260缓慢冷却到室温。对于几何多晶硅的铸造，如图8E所示，该籽晶单向生长产生圆柱形状晶粒270，其通常具有形状如单个籽晶220的水平截面，晶粒270是在单个籽晶220之上形成的。按这种方式，可以预先选定铸造几何多晶硅的晶界。任何先前讨论的籽晶图案/铺展的任何一种适用于此铸造过程。

作为选择，对于单晶硅的铸造，可以使籽晶220排列成根本没有晶界，生成铸造单晶硅。如图8F所示，250部分例示了熔体240之下的籽晶220总厚度的熔融部分。籽晶220的250部分在熔体240下面熔融后，熔融阶段则迅速终止，并且开始进行晶体生长阶段，其中坩埚210顶部的加热减少，和/或在散热材料230处的底部的冷却增加。然后，如图8G所示，籽晶晶体生长在坩埚210内单向和垂直地连续进行，直到完成硅结晶。优选基本上平坦的固-液界面285自坩埚210的底表面向上传播。晶体生长完成后，铸造周期结束，这时坩埚210内自上而下的热梯度平坦。然后，将整个锭280缓慢冷却到室温。对于单晶硅的铸造，如图8G所示，该籽晶单向生长产生铸造单晶硅290的连续固体实体。

在图9所示的另一方法中，可以首先在单独的室或单独的熔融容器300中熔融硅原料200。在熔融原料305经熔体管310被送入或倒入到坩埚210中之前，籽晶220可以从顶部开始部分熔融，也可以不如此，此后如参照图8B-8G所示进行冷却及生长。在另一实施方案中，可以将硅籽晶放置到坩埚210的壁上(未示出)，如前所述，籽晶生长可以在坩埚210的侧壁以及底部上进行。作为选择，硅原料200在与坩埚210分开的熔融容器300中熔融，同时将坩埚210加热到硅的熔融温度，控制加热，使籽晶220不完全熔融。在籽晶220部分熔融的情况下，可以将熔融原料305从熔融容器300转移到坩埚210中，并且可以开始冷却和结晶。因此，与本发明的一个实施方案一致，结晶硅固体实体的部分可以包括籽晶220。作为选择，在熔体引入之前可以保持籽晶完全为固体。在这种情况下，熔融容器300中的熔融硅被加热到超过熔融温度，当引入过热液体时，使过热液体熔融某些籽晶的部分。

在诸如图9中所示的两段式铸造站中，熔融原料305从熔融容器300中向下倾倒，落于籽晶220上，在固化过程中呈现出它们的晶性。作为选择，熔融可以发生在中心熔融容器300中，所述中心熔融容器300向分布式布置的固化坩埚送料，例如一个或多个坩埚210的相同制品(未示出)。与本发明的实施方案一致，固化坩埚可以在坩埚的侧壁或底部一个或两个上衬以籽晶220。该方法的一些优点包括：熔融与固化系统的分离，便于更好地优化每一铸造步骤；硅的半连续熔融，其中如为了保持坩埚供应所需的那样，可以按有规则的方式发生新材料的熔融；在从熔体的中间供应固化站的同时，硅顶部的成渣(以及可能的底部的流失)，提高了起始硅材料的纯度；以及使熔融容器300与熔融原料305达成平衡，并且不再是杂质的重要来源。

因而，在已经通过上述的方法之一铸造锭260或280以后，可以对所得到的铸造锭进行进一步处理，例如通过切下锭的底部或另一段，用它作为后续铸造运行中的单个籽晶，用以形成根据本发明的单晶硅、近单晶硅或几何多晶硅的实体，并且其中这种单个籽晶的尺寸和形状与后续铸造运行中所用的坩埚的底部的尺寸和形状是一样的，其余的锭可以切成砖及晶片，用于加工成光电池。作为选择，例如可以将整个锭切成水平的平板，用作多重铸造站中的籽晶，用于后来的铸造运行。

在与本发明实施方案一致的方法中所用的硅原料可以包含一种或多种掺杂剂，例如选自包括如下所列的那些：硼、铝、锂、镓、磷、锑、砷和铋。这种掺杂剂的总量可以为0.01百万分之一原子％(ppma)至约2ppma。优选地，硅中掺杂剂的量是这样的量，使得由硅制成的晶片电阻率为约0.1至约50ohm-cm，优选为约0.5至约5.0ohm-cm。

因而，根据本发明，所述硅可以为铸造连续单晶硅、铸造近单晶硅或铸造连续几何多晶硅的实体，优选为基本上不含或不含诸如OSF和/或漩涡缺陷的径向分布缺陷，并且优选地，其中实体的至少两个尺寸优选为至少约10cm，优选为至少约20cm，更优选为至少30cm，还更优选为至少40cm，仍更优选为至少50cm，还更优选为至少60cm，最优选为至少约70cm。最优选地，这种硅实体的第三尺寸为至少约5cm，优选为至少约15cm，最优选为至少约20cm。硅实体可以是作为单个实体的单独的片，或者其可以全部或部分地包含在其它硅的内部，或者其可以全部或部分地被其它硅所包围。可以形成这样的硅实体，其优选具有各自与铸造容器的内部尺寸一样大的至少两个尺寸。如本文中披露的那样，本发明的实施方案可用于通过简单和节省成本的铸造方法生产单晶硅、近单晶硅或几何多晶硅的大型实体。

以下是与本发明实施方案一致的实验结果的实施例。给出这些实施例只是为了示例和说明本发明的实施方案，不应该被视为以任何方式对本发明范围的限制。

实施例1

籽晶制备：使用涂金刚石的带锯沿长度方向切下纯直拉(CZ)硅(单晶)晶棒，所述纯直拉硅购自MEMC，Inc.并具有0.3ppma的硼，使晶棒具有测量的每边为14cm的方形截面。使用相同的锯将所得到的单晶硅块从截面处切成厚度约2cm至约3cm的平板。这些平板用作单晶硅籽晶或“籽晶”。保持硅晶棒的(100)结晶的极取向。然后在石英坩埚的底部布置所得到的单个晶体硅平板，使平板的(100)方向朝上，并保持(110)方向平行于坩埚的一侧。石英坩埚具有方形截面，侧边68cm，深约40cm，壁厚约1.8cm。将平板布置在坩埚的底部，使它们的长尺寸平行于坩埚的底部，它们的侧面接触，从而在坩埚底部上形成这种平板的单个、完整的层。

铸造：然后在室温下用总质量为265kg的固体硅原料填充坩埚。然后将填充的坩埚加载到用于铸造多晶硅的原位熔融/定向固化铸造站。通过将电阻加热器加热至大约1550℃来实施熔融过程，这样设置加热器，使加热来自顶端，同时通过总共打开6cm的隔层(insulation)使热量散出底部。这种设置造成熔融沿自上而下的方向朝坩埚的底部进行。通过底部的被动冷却使籽晶在熔融温度下保持固态，这由热电偶监测。熔融程度用石英浸量尺测量，该浸量尺每隔10分钟下探到熔体中。使浸量尺高度与站上的空坩埚的测量值进行比较，从而确定剩余固体材料的高度。通过浸量尺测量，首先原料熔融，然后使熔融相持续下去，直到只剩下约1.5cm高度的籽晶。此时，将加热功率降低到1500℃的温度设定值，同时通过打开12cm隔层增加底部的散热。通过浸量尺测量观察，固化开始前另有一或两毫米的籽晶熔融。然后进行籽晶单个晶体生长，直到固化步骤结束。采用正常的参数实施生长阶段和铸造周期的其余步骤，其中自上而下的热梯度平衡下来，然后将整个锭缓慢冷却到室温。铸硅产品为66cm×66cm×24cm的锭，其具有测量为50cm×50cm水平方形截面的中心部分为自上而下的单晶硅。对锭的表面的目测检查，可以明显看出单晶硅结构。此外，用能够刻划晶界的腐蚀性制剂蚀刻硅也进一步确定了在材料中缺乏晶界。体掺杂平均为1.2ohm-cm，由此硅制造的光电池具有16.0％的电效率。

在根据此实施例进行的其它铸造运行中，已观察到，铸硅产品为包含较小的其它晶体取向的硅晶体的连续一致的硅晶体，或者为具有多晶硅相邻区域的单晶硅的实体。

实施例2

籽晶制备：如实施例1中的那样进行引晶，不同之处在于，切断单晶硅籽晶，使一半的籽晶其(110)方向与方形籽晶的侧面成45度，而另一半成约20度角。在坩埚的底部以方格的方式使方形片分层，两种不同的籽晶取向交替，即，(110)方向与坩埚侧壁的取向成45度和20度的角。彼此相对而言，籽晶具有25度或155度的取向差。然而，由于方形形状籽晶的尺寸错配，籽晶层中的一些空隙未被覆盖。坩埚在每个方形侧边上测量为大约33cm，大约有22cm高。

铸造：将包含籽晶的坩埚和包含总共56kg原料硅块的单独坩埚加载到泛铸造工艺(UCP)的两段式铸造站中。接收坩埚(内有籽晶)被加热到硅的熔融温度，但不给予完全熔融的能量。通过石墨电阻加热器在比硅的熔融温度高至少50℃的温度下熔融另一个坩埚中的硅，然后将其倒入到接收坩埚中。此时，固化立即开始，为了实现定向固化和籽晶晶体生长，要将热量从接收坩埚的底部散出。考虑到籽晶构成的已经固化的材料的质量，标准生长周期有所缩短。按这种方式，在冷却降温过程开始之前，无需考虑使所有66kg(10kg籽晶和56kg原料硅)固化所需的时间，只需提供56kg熔融硅所需的时间，从而避免加热能量的浪费。此过程的产物为具有大的、通常为圆柱状的晶粒的硅锭，所述晶粒具有方形截面，所述截面的形状和尺寸保持接近于形成它们的初始籽晶尺寸的顶面。在某些情况下，随着生长的进行，侧部晶界位置发生漂移。

实施例3

籽晶制备：采用用于内衬坩埚的底部23kg方形(100)板，实现引晶，提供出63cm×63cm的覆盖面积，厚度在从中心处的3cm到侧部的1.8cm的范围上变化。所有的板布置成其(110)方向与坩埚壁成45°。

铸造：用另外共242kg的原料硅块填充包含籽晶的坩埚，所述的原料硅块是指本征硅、从先前的锭中再循环的硅和双铸硅的混合，p型电阻率大于9ohm-cm。将坩埚中的硅填料加载到一段式定向固化炉中。将坩埚(内有籽晶)加热到1550℃的温度，同时通过打开12cm的隔层对底部进行冷却。在熔融期间固-液界面保持基本上平坦，使得在熔融结束时，没有部分籽晶熔穿。用石英浸量尺监测硅的厚度。当测量的中心厚度为2.5cm时，停止熔融阶段，加热器温度降到1440℃，隔层高度增加到15cm。从熔体相变开始，在坩埚中别处达到硅的熔融温度后，在坩埚的外表面上测量的温度增加的速率保持在0.1℃/分钟以下。然后，可以进行固化过程的其余步骤，加热器保持大致恒定的功率，直至观察到晶体生长的终点。生长结束后，结晶硅锭的温度平坦，然后均匀地降至室温。从坩埚中取出锭以后，从锭的底部切下一大片，用于在另一后续的加工中再次用作籽晶，把剩下的锭切成用于进一步加工的12.5cm方砖。这一方法成功地导致了基本上在整个籽晶层截面之上的单晶生长，并且一直进行到锭的顶部。对切削硅的检查明显可看出单晶性。

在根据此实施例进行的其它铸造运行中，已观察到，铸硅产品为包含较小的其它晶体取向硅晶体的连续一致的硅晶体，或者为具有多晶硅相邻区域的单晶硅实体。

由与本发明实施方案一致的硅制成的晶片是适宜的薄，并且可以用于光电池。此外，晶片可以是n型或p型。例如，晶片可以为约10微米厚至约700微米厚。此外，用于光电池的晶片优选具有大于晶片厚度(t)的扩散长度(L_p)。例如，L_p与t之比合适地为至少0.5。例如，其可以为至少约1.1或至少约2。扩散长度是指少数载体(例如p型材料中的电子)在与多数载体(p型材料中的空穴)复合之前能够扩散的平均距离。L_p通过关系式L_p＝(Dτ)^1/2与少数载体的寿命τ相关联，其中D是扩散常数。可以通过许多技术，例如光子束感生电流技术或表面光伏技术，测量扩散长度。例如可参见A.Fahrenbruch和R.Bube的“Fundamentals of Solar Cells”，Academic Press，1983，pp.90-102，其中描述了如何可以测量扩散长度。

晶片的宽度可以为约100毫米至约600毫米。优选地，晶片的至少一个尺寸为至少约50mm。例如，由本发明的硅制成的晶片，以及因此由本发明制备的光电池可以具有约50至约3600平方厘米的表面积。晶片的前表面优选是纹饰过的。例如，可以利用化学蚀刻、等离子体蚀刻或者激光或机械划片适当地纹饰晶片。如果使用具有(100)极取向的晶片，则可以通过在例如约70℃至约90℃的高温下，在诸如氢氧化钠的碱的水溶液中对晶片进行约10至约120分钟的处理，蚀刻晶片形成各向异性纹饰的表面。水溶液可以含有醇，如异丙醇。

因而，通过切割铸硅的固体实体形成至少一个晶片；任选在晶片表面上实施清洗步骤；任选在表面上实施纹饰步骤；形成p-n结，例如通过表面掺杂；任选在表面上沉积抗反射涂层；任选形成选自背面电场和钝化层的至少一层，例如通过铝烧结步骤；以及在晶片上形成导电触点，可以使用由根据本发明实施方案的铸硅锭生产的晶片，制造出太阳能电池。钝化层是与维系表面原子的悬空键的裸晶片表面具有界面的层。硅上的钝化层的例子包括氮化硅、二氧化硅和无定形硅。该层通常比1微米还要薄，或者对光是透明的，或者作为抗反射层。

在例如使用p型硅晶片制备光电池的典型和一般方法中，使晶片在一侧暴露于适当的n型掺杂剂，从而在晶片的前侧或受光侧形成发射体层和p-n结。通常，n型层或发射体层是这样形成的，首先利用本领域中普遍采用的技术如化学或物理沉积将n型掺杂剂沉积到p型晶片的前表面上，这种沉积之后，将例如磷的n型掺杂剂驱入硅晶片的前表面，从而进一步将n型掺杂剂扩散到晶片表面中。这种“驱入”步骤通常是通过使晶片暴露于高温来完成的。从而在n型层和p型硅晶片基板之间的边界区上形成p-n结。在磷或其它掺杂形成发射体层之前可以纹饰晶片表面。为了进一步改善光吸收，通常可以在晶片的前部施加任选的抗反射涂层，例如氮化硅，有时提供同时的表面和/或体相钝化。

为了利用通过p-n结暴露于光能所产生的电位，光电池通常在晶片的前表面提供导电的前电触点，在晶片的后表面提供导电的后电触点，当然两种触点均可以在晶片的后面。这种触点通常由一种或多种高度导电的金属制成，因此通常是不透明的。

因此，与上述实施方案一致的太阳能电池可以包含由不含或基本上不含径向分布缺陷的连续单晶硅或近单晶硅的实体形成的晶片，该实体可以如上文所述，例如，具有各自为至少约25cm的至少两个尺寸和至少约20cm的第三尺寸；晶片中的p-n结；晶片表面上任选的抗反射涂层；优选具有选自背面电场和钝化层的至少一层；以及晶片上的导电触点，其中该实体可以不含或基本上不含漩涡缺陷以及不含或基本上不含OSF缺陷。

此外，与上述实施方案一致的太阳能电池可以包含由连续几何多晶硅的实体形成的晶片，该实体具有预定排列的晶粒取向，优选共极方向垂直于实体的表面，该实体优选进一步具有各自优选为至少约10cm的至少两个尺寸；晶片中的p-n结；晶片表面上任选的抗反射涂层；优选具有选自背面电场和钝化层的至少一层；以及晶片上的导电触点，其中几何多晶硅包括具有约0.5cm至约30cm平均晶粒截面尺寸的硅晶粒，且其中该实体可以不含或基本上不含漩涡缺陷以及不含或基本上不含OSF缺陷。

本领域的技术人员显而易见，在不偏离本发明的范围或构思的情况下，可以对所披露的结构和方法作出各种修改和变形。例如，所披露的与形成单晶硅有关的过程及方法也适用于形成近单晶硅、几何多晶硅或其组合。此外，虽然本文中已经描述了硅的铸造，但在不偏离本发明的范围和构思的情况下，也可以铸造其它半导体材料和非金属晶体材料。例如，本发明人已经设想了与本发明实施方案一致的其它材料，例如砷化镓、硅锗、氧化铝、氮化镓、氧化锌、硫化锌、砷化铟镓、锑化铟、锗、钇钡氧化物、镧系元素氧化物、氧化镁以及其它半导体、氧化物和与液相的金属间化合物的铸造。考虑到说明书以及实践本文中披露的发明，本领域的技术人员可以显而易见本发明的其它实施方案。说明书和实施例只应视为示意性的，本发明的真正范围和构思由所附的权利要求书所确定。

Claims (60)

1.铸硅制造方法，包括：

在坩埚的至少一个表面上放置几何排列的许多硅籽晶，所述坩锅具有一个或多个被加热到至少硅的熔融温度的侧壁和至少一个冷却壁；

放置与几何排列的单晶硅籽晶接触的熔融硅；以及

通过冷却熔融硅以控制结晶，形成包含几何规则多晶硅的固体实体，其任选具有各自为至少约10cm的至少两个尺寸，其中该形成包括在冷却期间控制熔融硅边缘处的固-液界面，以便在增大熔融硅与所述至少一个冷却壁之间距离的方向上移动。

2.太阳能电池制造方法，包括：

提供根据权利要求1的铸硅实体；

由该实体形成至少一个晶片；

任选在晶片表面上实施清洗步骤；

任选在该表面上实施纹饰步骤；

形成p-n结；

任选在该表面上沉积抗反射涂层；

任选形成选自背面电场和钝化层的至少一层；以及

在晶片上形成导电触点。

3.铸硅制造方法，包括：

按预定的图案在坩埚的至少两个表面上布置许多硅籽晶，所述坩埚具有一个或多个被加热到至少硅的熔融温度的侧壁和至少一个冷却壁；

放置与该许多单晶硅籽晶接触的熔融硅；以及

通过从坩埚的该至少两个表面冷却熔融硅以控制结晶，形成包含几何规则多晶硅的固体实体，其任选具有各自为至少约10cm的至少两个尺寸，其中该形成包括在冷却期间控制熔融硅边缘处的固-液界面，以便在增大坩埚中熔融硅与单晶硅籽晶之间距离的方向上移动界面。

4.铸硅制造方法，包括：

在坩埚的至少一个表面上放置几何排列的许多硅籽晶；

放置与该至少一个表面上的该许多硅籽晶接触的硅原料；

将该硅原料和该许多硅籽晶加热到硅的熔融温度；

控制该加热，使得该许多硅籽晶不完全熔融，该控制包括在坩埚中别处达到硅的熔融温度后，使在坩埚的外表面上测量的ΔT保持在约0.1℃/分钟或更小；以及，一旦该许多籽晶部分熔融，

通过冷却所述硅来形成包含几何规则多晶硅的固体实体。

5.太阳能电池制造方法，包括：

提供根据权利要求4的铸硅实体；

由该实体形成至少一个晶片；

任选在晶片表面上实施清洗步骤；

任选在该表面上实施纹饰步骤；

形成p-n结；

任选在该表面上沉积抗反射涂层；

任选形成选自背面电场和钝化层的至少一层；以及

在晶片上形成导电触点。

6.铸硅制造方法，包括：

按预定的图案在坩埚的至少两个表面上布置许多硅籽晶；

放置与该至少两个表面上的该许多硅籽晶接触的硅原料；

将该硅原料和该许多硅籽晶加热到硅的熔融温度；

控制加热，使得该许多硅籽晶不完全熔融，该控制包括在坩埚中别处达到硅的熔融温度后，使在坩埚的外表面上测量的ΔT保持在约0.1℃/分钟或更小；以及，一旦该许多籽晶部分熔融，

通过冷却所述硅来形成包含几何规则多晶硅的固体实体。

7.太阳能电池制造方法，包括：

提供根据权利要求6的铸硅实体；

由该实体形成至少一个晶片；

任选在晶片表面上实施清洗步骤；

任选在该表面上实施纹饰步骤；

形成p-n结；

任选在该表面上沉积抗反射涂层；

任选形成选自背面电场和钝化层的至少一层；以及

在晶片上形成导电触点。

8.铸硅制造方法，包括：

在坩埚的至少一个表面上放置至少一个几何多晶硅籽晶，所述坩埚具有一个或多个被加热到至少硅的熔融温度的侧壁和至少一个冷却壁；

放置与该至少一个籽晶接触的熔融硅；以及

通过冷却该熔融硅以控制结晶，形成包含几何规则多晶硅的固体实体，其任选具有各自为至少约10cm的至少两个尺寸，其中该形成包括在冷却期间控制熔融硅边缘处的固-液界面，以便在增大坩埚中的该熔融硅与该至少一个几何多晶硅籽晶之间的距离的方向上移动。

9.太阳能电池制造方法，包括：

提供根据权利要求8的铸硅实体；

由该实体形成至少一个晶片；

任选在晶片表面上实施清洗步骤；

任选在该表面上实施纹饰步骤；

形成p-n结；

任选在该表面上沉积抗反射涂层；

任选形成选自背面电场和钝化层的至少一层；以及

在晶片上形成导电触点。

10.铸硅制造方法，包括：

在坩埚的至少一个表面上放置几何排列的许多硅籽晶，该许多硅籽晶布置成覆盖坩埚的该至少一个表面的整个或基本上整个区域；

放置与该几何排列的硅籽晶接触的熔融硅；以及

通过冷却该熔融硅以控制结晶，形成包含几何规则多晶硅的固体实体，其任选具有各自为至少约10cm的至少两个尺寸。

11.太阳能电池制造方法，包括：

提供根据权利要求8的铸硅实体；

由该实体形成至少一个晶片；

任选在晶片表面上实施清洗步骤；

任选在该表面上实施纹饰步骤；

形成p-n结；

任选在该表面上沉积抗反射涂层；

任选形成选自背面电场和钝化层的至少一层；以及

在晶片上形成导电触点。

12.铸硅制造方法，包括：

放置与容器中的至少一个几何规则多晶硅籽晶接触的熔融硅，所述容器具有一个或多个被加热到至少硅的熔融温度的侧壁，该至少一个几何规则多晶硅籽晶布置成覆盖该容器表面的整个或基本上整个区域；以及

通过冷却该熔融硅以控制结晶，形成包含几何规则多晶硅的固体实体，其任选具有各自为至少约10cm的至少两个尺寸。

13.太阳能电池制造方法，包括：

提供根据权利要求12的铸硅实体；

由该实体形成至少一个晶片；

任选在晶片表面上实施清洗步骤；

任选在该表面上实施纹饰步骤；

形成p-n结；

任选在该表面上沉积抗反射涂层；

任选形成选自背面电场和钝化层的至少一层；以及

在晶片上形成导电触点。

14.根据权利要求1、3、4、6、8、10或12中任一项的方法，包括通过使用浸量尺监测熔融进程。

15.根据权利要求1、3、4、6、8、10或12中任一项的方法制造的太阳能电池。

16.根据权利要求1、3、4、6、8、10或12中任一项的方法，其中该冷却包括使用将热散发到水冷壁的散热材料。

17.根据权利要求1、3、4、6、8、10或12中任一项的方法，包括形成不含或基本上不含漩涡缺陷以及不含或基本上不含氧致堆垛层错缺陷的实体。

18.根据权利要求1、3、4、6、8、10或12中任一项的方法，包括形成具有至少约50mm的至少一个尺寸的几何规则多晶硅的固体实体。

19.根据权利要求2、5、7、9、11或13中任一项的方法，包括形成具有至少约50mm的至少一个尺寸的晶片。

20.根据权利要求18的方法，包括形成不含或基本上不含漩涡缺陷以及不含或基本上不含氧致堆垛层错缺陷的几何规则多晶硅的固体实体。

21.根据权利要求19的方法，包括形成不含或基本上不含漩涡缺陷以及不含或基本上不含氧致堆垛层错缺陷的晶片。

22.根据权利要求1、3、4、6、10或12中任一项的方法，包括形成包含所述许多籽晶的一部分固体实体。

23.根据权利要求8的方法，包括形成包含所述至少一个籽晶的一部分固体实体。

24.根据权利要求1、3或10中任一项的方法，其中该放置熔融硅进一步包括在与坩埚分开的熔融容器中熔融硅原料，将所述坩埚和所述硅加热到硅的熔融温度，控制该加热使得坩埚中的所述许多籽晶不完全熔融，以及将熔融硅从熔融容器转移到坩埚中。

25.根据权利要求8或12中任一项的方法，其中该放置熔融硅进一步包括在与坩埚分开的熔融容器中熔融硅原料，将所述坩埚和所述硅加热到硅的熔融温度，控制该加热使得坩埚中的所述至少一个籽晶不完全熔融，以及将熔融硅从熔融容器转移到坩埚中。

26.根据权利要求1、3、4、6或10中任一项的方法，包括布置所述许多籽晶，使得籽晶之间的共极方向垂直于坩埚的底部。

27.根据权利要求1、3、4、6、8、10或12中任一项的方法，其中该形成包括形成具有约0.5cm至约50cm平均晶粒尺寸的几何规则多晶硅，使得共极方向垂直于几何规则多晶硅的表面。

28.根据权利要求1、3、4、6、8或10中任一项的方法，包括使用由所述方法先前铸造的连续几何规则多晶硅的实体得到的籽晶，形成几何规则多晶硅的另一固体实体。

29.根据权利要求1、3或10中任一项的方法，其中该放置熔融硅进一步包括将坩埚和硅加热到硅的熔融温度，以及控制该加热，使得在坩埚中别处达到硅的熔融温度后，在坩埚的外表面上测量的ΔT保持在约0.1℃/分钟或更小。

30.根据权利要求3或6中任一项的方法，包括布置所述许多籽晶，使得籽晶之间的共极方向垂直于坩埚的所述至少两个表面之，从而使得坩埚的所述至少两个表面之间没有晶界形成。

31.根据权利要求3或6中任一项的方法，包括布置所述许多籽晶，使得最大三个籽晶边缘在预定图案的任何角处会合。

32.根据权利要求3或6中任一项的方法，包括沿坩埚的所述至少一个表面布置六边形或八边形取向的预定图案。

33.根据权利要求3或6中任一项的方法，其中该坩埚的所述至少两个表面垂直。

34.根据权利要求1、3、4、6、8、10或12中任一项的方法，包括通过使用浸量尺或其它装置监测熔融进程。

35.根据权利要求1或4中任一项的方法，其中该放置几何排列的许多单晶硅籽晶包括布置籽晶以覆盖坩埚表面的整个或基本上整个区域。

36.连续几何规则多晶硅的实体，其具有预定排列的晶粒取向，该实体任选进一步具有各自为至少约10cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸。

37.根据权利要求36的实体，其中该几何规则多晶硅包括具有约0.5cm至约30cm平均晶粒截面尺寸的硅晶粒。

38.根据权利要求36的实体，其中该实体不含或基本上不含漩涡缺陷以及不含或基本上不含氧致堆垛层错缺陷。

39.连续铸造几何规则多晶硅的实体，其具有预定排列的晶粒取向，该实体任选具有各自为至少约10cm的至少两个尺寸。

40.根据权利要求39的实体，其中几何规则多晶硅包括具有约0.5cm至约50cm平均晶粒截面尺寸的硅晶粒。

41.根据权利要求39的实体，其中该实体不含或基本上不含漩涡缺陷以及不含或基本上不含氧致堆垛层错缺陷。

42.连续几何规则多晶硅晶片，其具有预定排列的晶粒取向，该晶片进一步具有各自为至少约50mm的至少两个尺寸。

43.根据权利要求42的晶片，其中该晶片包括具有约0.5cm至约50cm平均晶粒截面尺寸的硅晶粒。

44.根据权利要求39的晶片，其中该晶片不含或基本上不含漩涡缺陷以及不含或基本上不含氧致堆垛层错缺陷。

45.根据权利要求36或39中任一项的实体，其中该晶粒取向具有垂直于实体表面的共极方向。

46.根据权利要求42的晶片，其中该晶粒取向具有垂直于晶片表面的共极方向。

47.太阳能电池，其包含来自权利要求36或39中任一项的硅的实体的硅。

48.太阳能电池，其包含来自权利要求42的晶片的硅。

49.太阳能电池，其包括：

由连续几何规则多晶硅的实体形成的晶片，该实体具有预定排列的晶粒取向且共极方向垂直于实体的表面，该实体进一步具有各自任选为至少约10cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸；

晶片中的p-n结；

晶片表面上任选的抗反射涂层；

任选选自背面电场和钝化层的至少一层；以及

晶片上的导电触点。

50.根据权利要求49的太阳能电池，其中该几何规则多晶硅包括具有约0.5cm至约30cm平均晶粒截面尺寸的硅晶粒。

51.根据权利要求49的太阳能电池，其中该实体不含或基本上不含漩涡缺陷以及不含或基本上不含氧致堆垛层错缺陷。

52.太阳能电池，其包括：

由连续铸造几何规则多晶硅的实体形成的晶片，该实体具有预定排列的晶粒取向且共极方向垂直于实体的表面，该实体进一步具有各自任选为至少约10cm的至少两个尺寸；

晶片中的p-n结；

晶片表面上任选的抗反射涂层；

任选选自背面电场和钝化层的至少一层；以及

晶片上的导电触点。

53.根据权利要求52的太阳能电池，其中该几何规则多晶硅包括具有约0.5cm至约30cm平均晶粒截面尺寸的硅晶粒。

54.根据权利要求52的太阳能电池，其中该实体不含或基本上不含漩涡缺陷以及不含或基本上不含氧致堆垛层错缺陷。

55.太阳能电池，其包括：

连续的几何规则多晶硅晶片，该晶片具有预定排列的晶粒取向且共极方向垂直于晶片的表面，该晶片进一步具有各自为至少约50mm的至少两个尺寸；

晶片中的p-n结；

晶片表面上任选的抗反射涂层；

任选选自背面电场和钝化层的至少一层；以及

晶片上的导电触点。

56.根据权利要求55的太阳能电池，其中该几何规则多晶硅晶片包括具有约0.5cm至约30cm的平均晶粒截面尺寸的硅晶粒。

57.根据权利要求55的太阳能电池，其中该晶片不含或基本上不含漩涡缺陷以及不含或基本上不含氧致堆垛层错缺陷。

58.一种晶片，其包括：由连续几何规则多晶硅的实体形成的硅，该实体具有预定排列的晶粒取向且共极方向垂直于实体的表面，该实体进一步具有各自任选为至少约10cm的至少两个尺寸和至少约5cm的第三尺寸。

59.一种晶片，其包括：由连续铸造几何规则多晶硅的实体形成的硅，该实体具有预定排列的晶粒取向且共极方向垂直于实体的表面，该实体进一步具有各自任选为至少约10cm的至少两个尺寸。

60.一种晶片，其包括：连续几何规则多晶硅晶片，该连续几何规则多晶硅晶片具有预定排列的晶粒取向且共极方向垂直于晶片的表面，该晶片进一步具有各自为至少约50mm的至少两个尺寸。

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