CN101467234B - 生产固相片的方法和使用固相片的光电池 - Google Patents

Abstract

在基体(101)的表面上生产半导体材料的固相片(105)的过程中，通过将基体(101)接触半导体材料熔液，基体(101)具有表面(111)，其被周缘槽(102)分隔成周边部和被所述周缘槽(102)包围的内侧部，或者基体(101)中周边部和所述内侧部的一部分彼此连接，从而解决固相片(105)被在其表面上出现存液导致裂缝，从而导致产率降低的问题。在基体(101)的表面中制备狭缝(103)。优选地，狭缝(103)制备在基体(101)的表面(S11)接触半导体材料熔液时的移动方向的尾端。更优选地，制备多个狭缝(103)，沿基体(101)的表面(S11)接触半导体材料熔液的移动方向，从周缘槽(102)到内侧部。

Description

生产固相片的方法和使用固相片的光电池

技术领域

本发明涉及一种通过沉积熔化于基体表面上的半导体来生产固相片的方法，及使用所述固相片的光电池。 

背景技术

一种生产固相片典型方法包括形成由半导体材料制成的晶锭和将所述晶锭切为薄片的步骤，所述固相片例如用于光电池的多晶硅晶片。然而，切片要求高度先进的技术，使得所述半导体材料不会损失超过与在切片中使用的切丝或圆锯片的厚度对应的量。 

作为替代，可以使用在专利文件1(日本特开公报No.2002-237465)中描述的生产固相片的方法。在专利文件1中描述的生产固相片的所述方法通过下述步骤完成。首先，每个具有被周缘槽分隔成周边部和被所述周缘槽包围的内侧部的表面的基体，在惰性气氛中以规律的间隔连续地浸入到坩埚中，在所述坩埚中存储有加热并熔化的半导体材料。所述半导体材料为掺杂有如磷或硼等掺杂剂的高纯度硅材料。由所述半导体材料制成的固相片形成于基体的内侧部的表面上。然后形成的所述固相片从所述基体分开，并通过激光、切片机等依照应用切割成期望的尺寸来提供产品，如光电池使用的晶片。 

上述使用基体生产固相片的方法，允许直接从半导体材料的熔液高效产生高尺寸精度的平固相片，并且减少材料损耗。然而，此方法引起一种称为“残留熔液”的状态，在该状态，当所述基体移动并从基体已经浸入的半导体材料的熔液中取出的时候，半导体材料的熔液沿着其移动方向尾端在形成于内侧部中的固相片上由表面张力而凝结。所述残留熔液基本沿所述尾端线性形成。 

与围绕所述残留熔液的所述固相片的区域相比，所述残留熔液有更大的热容量和不同的凝固速率。因此，半导体材料的熔液在固化到固态半导体时经历固化膨胀，由此其体积在固体状态大于在在熔化状态。当所述残留熔液开始固化，围绕所述残留熔液的固相片的区域已经固化。所述残留熔液延迟的固化膨胀将导致其周围固相片区域的裂纹。已经指出，此不利导致作为产品形成于被周边部包围的内侧部中的固相片的缺陷，导致了产率的降低并且增加的产品成本。 

专利文件1：日本特开公报No.2002-237465 

发明内容

本发明要解决的问题 

根据前述的问题，本发明提供了一种生产均匀并且无缺陷固相片的方法，其防止在所述固相片部分中可能由于上述残留熔液而导致的裂纹。本发明也提供一种改善产率的固相片生产方法。本发明进一步提供一种使用所述改善产率的固相片的便宜的光电池。 

解决问题的手段 

本发明涉及一种通过将基体接触半导体材料的熔液，在基体表面上生产半导体材料固相片的方法。所述基体的表面被周缘槽分隔成周边部和被所述周缘槽包围的内侧部，或者所述基体具有彼此部分连接的周边部和内侧部。在所述内侧部的表面设置狭缝。 

依照本发明，所述狭缝优选设置在所述基体的表面与所述半导体材料的熔液接触的移动方向上的尾侧。而且，优选多个狭缝从所述周缘槽延伸到所述内侧部中狭缝，在基体的表面与所述半导体材料的熔液接触的移动方向上。 

此外，依照本发明，所述狭缝优选具有不小于1mm并且不大于5mm的宽度。所述狭缝优选具有不小于5mm并且不大于20mm的长度。所述狭缝优选具有不小于1mm并且不大于所述基体的厚度的深度。 

此外，依照本发明，被所述狭缝分开的部分优选具有不小于5mm并且不大于50mm的宽度。所述狭缝优选具有带曲率的端部，所述端部与交叉所述周缘槽侧相对。 

一种根据本发明生产方法，涉及一种采用作为产品的固相片的固相片生产方法，从其切除设置有狭缝的区域。 

一种根据本发明的光电池，涉及采用通过所述生产固相片的方法形成的、作为产品的固相片的光电池。

本发明的效果 

本发明能够提供一种可以从半导体材料熔液中直接生产平整并且均匀的固相片的方法，其改善产率并且减少所述半导体材料损耗。 

附图说明

图1为依照本发明，在被周缘槽包围的内侧部设置狭缝的基体实施例的透视图。 

图2为为了形成固相片，将依照本发明在被周缘槽包围的内侧部设置有狭缝的基体实施例浸入到半导体材料的熔液中的示意透视图。 

图3为依照本发明，在被周缘槽包围的内侧部设置有狭缝的基体的实施例的放大剖视图。 

图4为依照本发明，在被周缘槽包围的内侧部设置有狭缝的基体的实施例的平面图。 

图5为依照本发明的一种生产固相片方法的示例的示意剖视图。 

图6为依照本发明，在被周缘槽包围的内侧部设置有狭缝的基体的实施例的透视图。 

参考符号描述 

101、201、301、401、505和601基体；102、403和602周缘槽；103、207、302、402和603狭缝；104和206残留熔液；202浸渍机构臂部分；203熔液；204和501坩埚；105、205、303和507固相片；404和604狭缝端部；502室；503硅熔化加热器；504浸渍机构；506硅熔液；508运输传送装置；509装置副室；510闸式阀；S11表面；S21箭头方向；S61内侧部。 

具体实施例

<基体的基本结构> 

一种依照本发明生产固相片的方法使用改进的基体，在生产固相片方法中通过将所述基体接触半导体材料熔液使所述半导体材料均匀沉积在所述基体的表面上。使所述基体接触半导体材料熔液的手段，可以将所述基体移动以与坩埚内的半导体材料熔液接触，或者将所述基体固定而移动装 有半导体材料熔液的坩埚。使用的所述基体为如上所述的表面被周缘槽分隔成周边部和被所述周缘槽包围的内侧部的基体，或者为表面的所述周边部与所述内侧部彼此部分连接的基体。如图2所述的实施例生产固相片的情况下，所述固相片形成于所述基体的背面。在此情况下，优选使用所述周边部与所述内侧部彼此部分连接的基体，从而防止所述固相片脱落。使用的基体在所述内侧部提供狭缝。特别优选提供大量的在垂直于所述周缘槽方向线性延伸的这样的狭缝。然而，任何与所述周缘槽成45到90度角的狭缝都可以被使用而没有任何问题。所述狭缝可以成波浪状，例如替代成线性。优选狭缝形成于对应所述基体接触半导体材料熔液的移动方向尾端对应的一边。所述基体接触半导体材料熔液的速度优选300到1000cm/min。尽管所述基体本身的材料没有特别限制，考虑到半导体材料熔液的温度为1420到1500℃，优选具有高热阻的材料。同样优选具有优良热导性的材料。为了便于处理，更优选高纯度石墨。为了防止半导体材料对所述基体表面并在基体表面上的附着和凝集来减少所述残留熔液，优选石墨作为所述基体的材料。另外，所述基体也可以使用例如碳化硅、石英、氮化硼、氧化铝和氧化锆。 

在下文中将基于图1所示的在被周缘槽包围的内侧部中提供狭缝的基体的实施例进行详细描述。从其生产固相片105的基体101的特征为，狭缝103形成于基体101的表面S11被周缘槽102分隔的所述内侧部上。当使得基体101接触半导体材料熔液，发生一种残留熔液104的状态，其中半导体材料熔液由于表面张力而凝聚在形成于内侧部的固相片的移动方向尾端。通过在基体101的内侧部提供狭缝103，形成于基体101内侧部的固相片105(阴影部分)被在基体101移动方向的尾端区域的狭缝103分开，因此所述残留熔液被分开。 

于此，与传统生产方式形成的残留熔液相比，残留熔液104的体积减小。残留熔液104与其周围区域相比有更大的热阻，与没有残留熔液104的区域相比有更低的冷却速度。一个需要考虑的是因为冷却速度的不同，在生产的固相片105中更易发生裂纹。然而，部分分开固相片105的狭缝103不仅起到分开残留熔液104的作用，而且起到释放因为残留熔液的固化膨胀而产生的固相片应力的作用。这样可以防止裂纹延伸到内侧部，并且得到200到400μm厚度的作为产品的无缺陷固相片。

半导体材料熔液通常有高粘性，并且与水或类似材料相比有更高的表面张力。因此优选为了分隔所述残留熔液，而设定每个狭缝的宽度、长度和深度和被狭缝分开区域的宽度的条件。所述条件设置将在下文中详细描述。 

<狭缝的宽度> 

上文提到的在所述固相片上分隔残留熔液的狭缝有适当的宽度。如果所述狭缝在宽度上过分狭窄，由于半导体材料熔液的表面张力，所述固相片将在狭缝上沉积为桥状形式，其阻止了分隔所述残留熔液的基本目标的实现。如果所述狭缝在宽度上过大，所述半导体材料熔液将进入狭缝，从而在狭缝中固化时填充各狭缝。这干扰所述固相片的热收缩，从而又导致裂纹形成于所述基体内侧部的固相片部分中。 

在下文中基于图2描述，图形化显示采用半导体材料熔液形成固相片的实施例。在浸渍机械臂部分202的前端上设置基体201。通过将基体201以箭头S21的方向浸渍到储存有半导体材料熔液203的坩埚204中，在基体201的表面形成固相片205(阴影部分)。于此，半导体材料熔液203具有粘性。因此，当狭缝207的宽度小于1mm时，固相片205可能开始沉积以覆盖过狭缝207，其阻止了分开固相片205尾端目标的实现。当狭缝207的宽度大于5mm时，半导体材料熔液203可能开始进入狭缝207并填充狭缝207，其阻止了分开固相片205尾端目标的实现。因而，试验结果表明，在上述内侧部设置的狭缝207优选宽度不小于1mm并且不大于5mm。为了通过狭缝207稳定的分开固相片205的尾端，其特别优选设定所述狭缝的宽度为3mm的附近，其是半导体材料熔液203开始覆盖狭缝207宽度的1mm和半导体材料熔液开始进入狭缝207宽度的5mm的中间值。 

<狭缝的长度> 

在图2中，当基体201被从半导体材料熔液203拖出时，留在基体201尾端的表面上的半导体材料熔液203通过表面张力凝聚，因此残留熔液206形成于分开的固相片205的尾端部分。在被所述周缘槽分隔的基体201内侧部上设置的狭缝207，需要有大于位于基体201内侧部的固相片上的残留熔液206的平均直径的长度。于此，关于确定残留熔液206的大小，众所周知依赖半导体材料熔液的表面张力，圆形残留熔液具有至少5mm并且至多约为20mm的直径，多数在大约7到8mm的范围。这显示基体201中 设置的狭缝207的长度需要至少5mm或更长。依照试验的结果，残留熔液206的最大直径不超过20mm。于此将在下文中进行的描述，将移除设置有狭缝的固相片区域以生产产品。因此，狭缝207长度比需要超过得越多，能够使用的固相片205的区域越小。由此，考虑到上述，设置于基体201的内侧部中的狭缝207优选具有不小于5mm和不大于20nm的长度。考虑到固相片205作为产品的有效区域和残留熔液206的尺寸，特别优选为约10mm的长度。 

<狭缝的深度> 

现将基于图3进行详细描述，图3显示在基体内侧部中设置的狭缝的放大剖视图。如果在基体301的内侧部中设置的狭缝302的深度小于1mm，狭缝302中的半导体材料熔液将接触狭缝302的底部，该处沉积固相片303。在狭缝302内沉积的固相片303阻止了通过狭缝302分开基体301内侧部上的固相片303的目标的实现。因而，在基体301内侧部中的狭缝302之间成的残留熔液引起的应力无法释放，使得固相片303更容易被损害，导致了产率降低。因此，在基体被所述周缘槽分隔的内侧部中提供的狭缝302深度优选不小于1mm，使得半导体材料熔液不会沉积在狭缝302内。此外，切穿基体301的狭缝302在固相片的生产中不存在特别问题。因此优选设置狭缝302的深度为不小于1mm并且不大于基体301的厚度。尽管狭缝302拥有不小于1mm的深度能够分隔半导体材料熔液，特别优选狭缝302的深度不小于3mm，因为不小于3mm的深度可以提供可靠的分隔。 

<被狭缝分开部分的宽度> 

在下文中将基于图1进行描述。位于基体101内侧部的每个被狭缝103分开的部分的宽度，也与保留于此的残留熔液104的尺寸相关。因为形成的残留熔液104尺寸如前文所述，至少5mm并且至多约20mm，被狭缝103分隔的每一部分需要至少5mm或更大的宽度。试验结果表面，当被狭缝103分隔的每个区域的宽度超过50mm时，因为所述残留熔液的热收缩，所述固相片被残留熔液包围的区域更容易出现裂缝。即，当被狭缝103分隔的每个部分的宽度超过50mm时，狭缝103分隔的效果被减少，从而由于残留熔液104的不同固化速率而产生的应力影响遍布于固相片105，造成例如破裂的缺陷并且降低产品产率。因此，被狭缝103分开的部分优选具有不小于5mm并且不大于50mm的宽度。考虑到前文所述的残留熔液104 的尺寸范围大多从约7mm到8mm，并且应该最小化应力的影响，特别优选被基体101内侧部中设置的狭缝103分开部分的宽度为约10mm。 

<狭缝端部的形状> 

在下文中将基于显示基体的俯视图的图4进行描述。残留熔液将形成于被基体401设置的狭缝402分开的部分。所述残留熔液固化时的不同的固化速率导致应力集中在每个狭缝端部404，端部404与交叉基体401的周缘槽403侧相对，从端部404裂缝容易延伸到所述固相片中。在这个阶段，如果狭缝端部404有角，应力进一步集中在那个部分，使得所述固相片更容易被破坏。因此，提供具有曲率的狭缝端部404能够避免应力集中在一点，导致产品产率的改善。在该情形，所述曲率越小，从线性段到曲线段的过渡就越平滑。因为当曲率为半圆时应力最小，优选狭缝402的一半宽度的曲率。就加工而言，同样优选该曲率。 

<产品(固相片)和光电池> 

通过上述本发明的方法生产的固相片，因为其均匀并且没有例如裂纹的缺陷，能够作为光电池的晶片。在该情形，生产光电池的方法包括通过众所周知的生产光电池的方法来形成掺杂层、抗反射涂层、光接收电极、背面电极等，以及将固相片切割为用作光电池的晶片的期望尺寸。与使用由传统基体生产的固相片的光电池相比，本发明的所述光电池能够提供增加的产品产率。 

于此，从具有设置有狭缝的区域(后文中也描述为狭缝区域)的固相片在该固相片上生产产品，特别是光电池的情况下，优选切断并且移除所述狭缝区域。将在下文中基于使用所述固相片作为光电池晶片的情形来描述原因。 

移动基体到与掺杂有例如磷或硼的高纯度硅材料熔液接触，在狭缝区域中形成残留熔液，在所述狭缝区域中光电池的晶片由设置于所述基体的内侧部中的狭缝分开。因为所述残留熔液处于在半导体材料熔液通过表面张力凝结以从其周围平面区域突出的状态，存在残留应力和形状缺陷。这将导致问题，例如在生产光电池过程中损伤。因此，为了使用包括狭缝区域的固相片作为产品，需要对残留熔液进行特殊处理，导致成本增加。此外考虑作为使用所述狭缝区域作为光接收面的光电池的晶片的组件的模块的转化效率，假设转化效率减小，则为了获得额定输出所需的光电池的晶 片数量增加。在此情况下，光电池增加了不必要的重量和尺寸，导致了整体成本的增加。因此，切除所述狭缝区域来生产产品可以避免上述的问题。此外，不能用于产品中的所述固相片的狭缝区域能够通过在被切断和移除后重新熔化来重新使用，因此其改善了产率。 

在下文中，将描述本发明更多细节示例，然而，本发明不局限于这些示例。 

示例 

将参考图5描述本发明实施例中使用的一种生产固相片的方法。调整硼浓度使得得到的固相片有2Ω·cm的电阻率的一种硅原料，供给到由高纯度石墨制成的坩埚501中，该坩埚501被放置到室502中。随后将室502抽真空。随后在保持800hPa的情况下以100L/min速率从室502上面持续引入氩气。 

位于坩埚501附近的控制硅熔化加热器503的热电偶设置在1500℃的设置温度，使硅处于完全熔化状态以得到硅熔液506。因为最初供给的硅由于熔化而体积变小，所以另外供给硅，使得硅熔液506的表面保持在预设的水平。随后将控制温度设置成1430℃并且持续30分钟来稳定硅熔液506的温度。由高纯度石墨制成的基体505设置在浸渍机构504的前端，在基体505上将形成固相片。 

基体505以500cm/min的速度浸渍到硅熔液506中，使得固相片507在基体505的表面上沉积。基体505和形成于其上的固相片507随后通过运输传送装置508转移到装置副室509，并且关闭分隔装置副室509和室502的闸式阀510。随后，通过旋转式泵给装置副室509抽真空。在引入大气之后，基体505和其上形成的固相片507被从装置副室509中取出。形成于基体505上的固相片507能够容易的分开。从被周缘槽包围的内侧部取得的固相片507随后被激光切割装置切割成126mm×126mm的尺寸。 

于此，在本示例中使用类似于如图6所示的使用的基体。所述基体为每边长为150mm的方形，并且基体601的厚度为20mm。狭缝603设置于被周缘槽602包围的内侧部S61分隔的区域中被最后从硅熔液506中取出的一侧。此时，狭缝603具有3mm的宽度，10mm的长度并且3mm的深度。被狭缝603分开的部分具有10mm的宽度。狭缝603的与交叉周缘槽602侧相对的狭缝端部604有半径为1.5mm的半圆的曲率。

在如上所述的情况下，生产了1000个固相片。对于所述激光切割的固相片通过弯曲测试仪施加50N/mm²的负载来测试产率。获得了85.1％的满意结果。 

随后，使用通过激光切割得到的126mm×126mm尺寸的固相片作为光电池的晶片来生产光电池。本示例光电池的晶片将在下文中描述为p型基板。首先，使用硝酸和氢氟酸的混合物蚀刻获取的所述p型基板，随后经历采用氢氧化钠的碱性蚀刻。其后，通过POCl₃扩散在p型基板上形成一个n层。在采用氢氟酸移除了形成于将会是光学接收面的p型基板的表面上的PSG(磷硅酸盐玻璃)膜之后，通过等离子体CVD(化学气相沉积)在光电池的光学接收面侧的n层上形成氮化硅膜。随后通过使用硝酸和氢氟酸的混合物蚀刻来去除在光电池背面的表面上形成的n层，来暴露p型基板，在其上通过丝网印刷术印刷铝浆料并烧制，使得同时形成背电极和p+层。随后施加焊料涂层来完成所述光电池。 

在AM1.5(100mW/cm²)下，测量通过上述方法生产的100个光电池的电池性能，获得了的良好结果：580mV的平均开路电压、30.8mA/cm²的短路电流、0.736的平均填充系数和13.1％的平均转换效率。 

需要解释的是，这里公开的实施例和示例的目标为说明各个方面，而不是作为限制。本发明的范围由权利要求定义，而不是由上述描述定义，并且包含权利要求含义和范围内的所有等同修改。 

工业适用性 

提供一种不会导致裂缝的生产均匀并且无缺陷固相片的方法，能够提供改善的产率，有效利用资源。进一步，使用所述固相片作为光电池的晶片能够提供一种高性能光电池。

Claims (10)

1.一种在基体(101)的表面(S11)上生产半导体材料固相片(105)的方法，通过使得所述基体(101)与所述半导体材料的熔液接触，所述基体(10)的表面(S11)被周缘槽(102)分隔成周边部和被所述周缘槽(102)包围的内侧部，或者所述基体(10)具有彼此部分连接的所述周边部和所述内侧部，其中在所述内侧部的表面上设置狭缝(103)。

2.权利要求1中所述生产固相片(105)的方法，其中所述狭缝(103)设置于所述基体(101)的所述表面(S11)接触所述半导体材料熔液的移动方向的尾端。

3.权利要求1中所述生产固相片(105)的方法，其中所述狭缝(103)包括多个沿所述基体(101)的表面(S11)接触所述半导体材料熔液的移动方向，从所述周缘槽(102)延伸到所述内侧部中的狭缝。

4.权利要求1中所述生产固相片(105)的方法，其中所述狭缝(103)具有不小于1mm并且不大于5mm的宽度。

5.权利要求1中所述生产固相片(105)的方法，其中所述狭缝(103)具有不小于5mm并且不大于20mm的长度。

6.权利要求1中所述生产固相片(105)的方法，其中所述狭缝(103)具有不小于1mm并且不大于所述基体(101)的厚度的深度。

7.权利要求1中所述生产固相片(105)的方法，其中被所述狭缝(103)分开部分具有不小于5mm并且不大于50mm的宽度。

8.权利要求1中所述生产固相片(105)的方法，其中所述狭缝(103)具有带曲率的端部，所述端部与所述狭缝的与所述周缘槽(102)交叉的一侧相对。

9.一种生产固相片(105)的方法，从如权利要求1所述的形成于所述内侧部的表面的所述固相片(105)切除由所述狭缝(103)所分割的区域之后用作产品。

10.一种使用所述固相片(105)的光电池，其中所述固相片(105)使用通过权利要求1描述的生产固相片(105)的方法获得。

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