CN101755077A - 从籽晶制造浇铸硅的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

提供了可用于光伏电池和其它应用的硅的浇铸方法和装置。使用这些方法，可以生长出低碳含量的锭料，其晶体生长受到控制，从而增加了浇铸过程中作为籽晶的材料的横截面积。

Description

从籽晶制造浇铸硅的方法和装置
本申请要求于2007年7月20日提交的美国临时申请60/951,155的优先权。美国临时申请60/951,155的全部公开内容在此作为参考被并入本文。
说明书
技术领域
本发明概括地涉及光致电压领域和涉及用于制造用于光致电压(photovoltaics)应用的浇铸硅的方法和装置。本发明还涉及新型浇铸硅，其可用于制造器件，诸如光伏电池和其它半导体器件。新型硅可具有单晶、近似单晶、双晶或几何学多晶结构并且可通过利用籽晶的浇铸过程来制造。
背景信息
本发明概括地涉及光致电压领域和涉及用于制造用于光致电压(photovoltaics)应用的浇铸硅的方法和装置。本发明还涉及新型浇铸硅，其可用于制造器件，诸如光伏电池和其它半导体器件。新型硅可具有单晶、近似单晶、双晶或几何学多晶结构并且可通过利用籽晶的浇铸过程来制造。
背景技术
光伏电池将光转化为电流。光伏电池最重要的特征之一是其将光能转化为电能的效能。尽管光伏电池可以从各种各样的半导体材料制造，但是一般使用硅，因为硅可以合理的成本被容易地获得，并且因为硅具有供制造光伏电池使用的电性质、物理性质和化学性质之间的适当平衡。
在制造光伏电池的已知过程中，将硅原料掺杂具有正或负电导率类型的掺杂物，熔融，然后如下进行结晶：将结晶的硅从熔区拉出形成单晶硅的锭料(经由柴氏单晶生长法(Czochralski，CZ)或悬浮区熔(FZ)法)，或浇铸形成根据单个硅晶粒粒径的不同而异的多晶硅(multi-crystalline silicon)或多晶体硅(polycrystalline silicon)的块或“砖形块”。本文使用的术语“单晶硅”是指单晶硅主体，遍及整个主体具有一个一致的结晶取向。另外，常规的多晶硅是指具有厘米级粒度分布的晶硅，有多个随机取向的结晶位于多晶硅主体内。然而，本文使用的术语“几何学有序的(geometrically ordered)多晶硅”(在下文中缩写为“几何学多晶硅”)是指根据本发明实施方案的晶硅，其具有几何学有序的厘米级粒度分布，有多个有序的结晶位于多晶硅主体内。例如，在几何学多晶硅中，晶粒的粒度一般平均为约0.5厘米到约5厘米，并且在几何学多晶硅主体内的晶粒取向根据预定方向受到控制。另外，本文使用的术语“多晶体硅”是指具有微米级粒径的晶硅并有多个晶粒取向位于被给出的晶硅主体内。例如，晶粒的粒度一般平均为约亚微米到约微米(例如，单个晶粒是肉眼不可见的)，并且晶粒取向遍及整个主体随机分布。在上述过程中，锭料或块通过已知的切或锯的方法被切割成薄的衬底，也被称作晶片(wafer)。这些晶片然后可被加工成光伏电池。
供制造光伏电池使用的单晶硅一般通过CZ或FZ法制造，二种方法都是其中产生圆柱型晶硅棒(boule)的方法。对于CZ法，使籽晶接触熔融硅池并且从该池中缓慢地拉出晶棒并同时通过晶棒的固体部分排除热。本文使用的术语“籽晶”是指一块(a piece of)结晶材料，其与液体硅接触从而使得在固化期间液体硅适合于籽晶的结晶度。对于FZ法，使固体物料通过熔区，在进入熔区一侧时熔融，并在熔区的另一侧再固化，一般地通过接触籽晶进行。
最近，已经发明了在浇铸站中生产单晶或几何学多晶材料的新技术，如于2007年1月18日提交的美国专利申请11/624,365和11/624,411以及美国专利申请公报20070169684A1和20070169685A1。用于生产多晶硅锭料的浇铸过程是光致电压技术领域中已知的。简而言之，在这些方法中，将熔融硅包含在坩埚诸如石英坩埚中，并以受控方式将其冷却，从而使被包含在其中的硅结晶。一般将得到的浇铸晶硅块切割成具有的横截面与要用于制造光伏电池的晶片的大小相同或接近的砖形块，以及将该砖形块锯成或以其它方式切割成这种晶片。以这种方式产生的多晶硅是晶粒的聚结物，其中，在由其制造的晶片中，晶粒相对于彼此的取向实际上是随机的。单晶硅或几何学多晶硅具有经过特别选择的晶粒取向和(在后一种情况即几何学多晶硅中)具有晶粒边界，并且可以通过在上述的专利申请中所公开的新的浇铸技术，通过使液体硅接触在所述工艺期部分地保持是固体的较大的籽晶层并在固化期间通过籽晶层排除热而被形成。本文使用的术语“籽晶层”是指形成连续层的结晶或具有所需结晶取向的结晶组。可使它们与坩埚的一侧相适形(conform with)，用于浇铸目的。
为了生产优质的浇铸锭料，应该满足几个条件。首先，尽可能多的锭料具有所需的结晶度。如果锭料要是单晶，则锭料的整个可用部分应该是单晶，对于几何学多晶材料同样如此。其次，硅将含有尽可能少的缺陷。缺陷可以包括个别的杂质，杂质聚结物，硅晶格内的固有晶格缺陷和结构缺陷诸如错位和堆垛层错。这些缺陷中有许多缺陷可以在从晶硅制造的执行机能的光伏电池中引起电荷载流子的快速复合。这可以导致电池效能降低。
许多年的开发已经实现在充分生长的CZ硅和FZ硅中的缺陷的量达最小。无位错单晶可以通过首先生长薄颈来实现，其中使在籽晶处被并入的所有的错位向外生长。通过保持籽晶相对于熔体的反时针方向转动，避免了内含物和二次相(例如，氮化硅，氧化硅或碳化硅粒子)的并入。就本工业目前已知的，使用FZ技术或磁CZ技术，可以使氧的并入最小化。金属杂质一般地在棒完成后通过被保留在锅底料或柄脚(tang)末端中而被减至最小。
发明简述
按照某些实施方案，本发明涉及用于改进太阳能电池材料、例如硅的浇铸的方法和装置。理想情况下，本发明利用盖子和/或惰性气体的流动来改进浇铸硅的纯度，例如具有非常低的碳浓度的硅。较少的杂质减少了包含在锭料中的外来颗粒(被称为夹杂物)的数量，增加了晶片和/或太阳能电池的产率。具有增加纯度的硅的其他优点包括同样的锭料中更多和/或更大的单晶材料。硅中较少的杂质也使晶体生长更快。此外，低碳含量也使得可以使用更多种类的热工艺方法将晶片转变成太阳能电池。
常规的硅浇铸工艺导致碳的过饱和。相比之下，本发明的某些实施方案的碳含量低于饱和限度，理想情况下远低于饱和限度。熔炉的和/或其中的碳部件的运行寿命可以增加，因为惰性气体排出了SiO分子，并且受控的排出路径可以较少碳部件暴露于SiO气体。
本文使用的术语“近似单晶硅”是指晶硅主体的大于50体积％中具有一个一致的结晶取向，其中，例如，这种近似单晶硅可包括紧挨着多晶区域的单晶硅主体，或者这种近似单晶硅可包括较大的、连续一致的硅结晶，其部分或全部地包含具有其它结晶取向的较小的硅结晶，但是该较小的硅结晶占总体积的不到50％。优选地，近似单晶硅可包含占总体积不到25％的较小结晶。更优选地，近似单晶硅可包含占总体积不到10％的较小结晶。仍更优选地，近似单晶硅可包含占总体积不到5％的较小结晶。
本文使用的术语“双晶硅”是指硅主体的大于或等于50体积％中具有一个一致的结晶取向，而该主体体积的其余部分具有另一个一致的结晶取向。例如，这种双晶硅可包括具有一个结晶取向的单晶硅主体，该单晶硅主体紧挨着另一个具有不同结晶取向并构成晶硅体积的其余体积的单晶硅主体。优选地，双晶硅可在相同的硅主体内包含两个离散的区域，所述区域仅在它们的结晶取向上是不同的。
根据本发明，正如具体和概括描述的，提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括：将填充硅的坩埚布置在层上，所述层包括：接触吸热器的热传导材料，和热绝缘区域，其中所述层的热传导部分接触坩埚底表面的约5％到约99％；和通过排除经过热传导层热使硅固化。热排除可发生在部分或所有的硅熔融之后，以便通过使浇铸硅达到第一温度、然后将其冷却到第二温度来指导用籽晶进行的生长。
根据本发明，还提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括：将硅布置在具有朝着坩埚中心向内呈锥形(tapered)的壁的坩埚中，将硅熔融，通过坩埚底部排除热使硅固化，使浇铸硅达到第一温度，将硅冷却到与第一温度不同的第二温度，从坩埚抽出浇铸硅并然后将浇铸硅切成片。
根据本发明，还提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括：将硅布置在具有远离坩埚中心向外呈锥形的壁的坩埚中，将硅熔融，通过坩埚底部排除热使硅固化，使浇铸硅达到第一温度，将硅冷却到与第一温度不同的第二温度，从坩埚抽出浇铸硅并然后将浇铸硅切割。
根据本发明，还提供了用于硅的浇铸的坩埚，所述坩埚具有底表面和多个侧壁，其中多个侧壁中的至少一个，以相对于与坩埚底表面垂直的平面成约1°到约25°的角度并在从底表面向上延伸的方向上看，朝着坩埚的中心向内呈锥形。呈锥形的一个或多个侧壁可减少在远离底表面的方向上所取的容器的横截面。
根据本发明，还提供了用于硅的浇铸的坩埚，其具有底表面和多个侧壁，其中多个侧壁中的至少一个，以相对于与坩埚底表面垂直的平面成大于约2°的角度并在从底表面向上延伸的方向上看，从坩埚的中心向外呈锥形。呈锥形的一个或多个侧壁可增加在远离底表面的方向上所取的容器的横截面。
根据本发明，还提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括：用脱模涂层涂覆坩埚的内侧壁，留下无涂层的底壁；布置硅籽晶使其接触无涂层的底壁，将硅原料布置在坩埚中，将原料熔融同时保持籽晶处于至少部分固态，通过籽晶排除热使硅固化，使硅达到第一温度并将硅冷却到第二温度。
根据本发明，还提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括：将先前的浇铸锭料切成厚片(slabs)，对厚片进行化学处理以除去杂质，将厚片布置在坩埚中用作籽晶层，然后用用于浇铸的原料填充坩埚。
根据本发明，还提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括：将单晶硅籽晶层布置在坩埚的至少一个表面上，以便在该层的中心区域中的籽晶具有一个与该表面垂直的结晶极方向并且覆盖该层面积的约50％到约99％，同时该层的边缘上的剩余的籽晶具有至少一个不同的、与该表面垂直的结晶极(crystal pole)方向并覆盖剩余的层面积；加入原料硅并使该原料和籽晶层的一部分达到熔融状态；通过籽晶层排除热使硅固化；使硅达到预定的例如均匀的第一温度，然后优选将硅均匀地冷却到均匀的第二温度。
根据本发明，还提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括：将至少一个具有至少约10cm×约10cm面积的单晶籽晶放置在被搁在部分绝缘底板上的坩埚的底表面上；引入固体或液体硅原料并使籽晶部分地熔融，以凸起的固体边界增加单晶生长的横截面的方式通过籽晶排除热；使硅达到第一温度并将其冷却，优选均匀地将其冷却到第二温度；从浇铸硅的与籽晶相对的一侧切割厚片；使用化学方法清洁厚片；并使用该大厚片作为新的籽晶层用于随后的浇铸过程。
根据本发明，还提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括：将晶硅的籽晶层与固体硅原料一起装载到具有盖或覆盖物的坩埚中，使硅熔融和固化，同时保持籽晶层的一部分为固体并同时使氩气和氮气中的至少一种气体流过盖或覆盖物中的至少一个孔而至少另一个孔排放所述气体；优选均匀地使硅冷却。
根据本发明，还提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括：将晶硅的籽晶层装载到坩埚中，用盖覆盖坩埚；将液体硅引入到坩埚中，液体硅优选经过过度加热；使籽晶层的一部分熔融；使硅固化，同时使氩气和氮气中的至少一种气体流过盖中的至少一个孔而至少一个另外的孔排放所述气体；和使所述硅冷却。
根据本发明，还提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括：一起装载晶硅的籽晶层与固体原料；使原料和籽晶层的一部分熔融，同时保持固体/液体界面在籽晶层的中心部分上是实质上扁平的，和在籽晶层的边缘处是凸起的；通过籽晶层排除热并同时至少最初保持相同的固体/液体界面形状使硅固化；使硅达到第一温度并将硅冷却到第二温度，加热和冷却优选均匀地进行。
根据本发明，还提供了制造浇铸硅的方法，该方法包括：一起装载晶硅的籽晶层与固体原料；使原料和籽晶层的一部分熔融，同时保持固体/液体界面在整个籽晶层上是实质上扁平的；通过籽晶层排除热并同时至少最初在包括籽晶层边缘的区域内提供额外的热使硅固化；使硅达到第一温度并优选将硅均匀地冷却到第二温度，加热和冷却优选均衡地进行。
根据本发明，还提供了用于硅的浇铸的装置，该装置包括：用于包围被搁在吸热器上的坩埚的加热器，该加热器被提供用于硅的熔融；用于通过吸热器进行热的受控排除的机构；用于引入气体的端口；和至少一个隔热的水冷管回路，其与主加热器一起存在(residing with)并用于环绕坩埚，其中该回路可被通电以在坩埚内的不同区域处提供感应加热。
附图说明
整合在本发明中并构成本发明的一部分的随附的图，图示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、优点和原理。在图中：
图1A-1B图示了根据本发明的实施方案，其中在浇铸站中在坩埚下方热绝缘层与热传导层组合的示例性系统；
2A-2D图示了根据本发明的实施方案，锥形坩埚的两个实施例以及对其中硅的浇铸的所需影响的图解；
图3图示了根据本发明的实施方案，被装载到被部分涂覆的坩埚中的硅原料的实施例；
图4图示了根据本发明的实施方案，用于再循环籽晶层材料的方法的实施例；
图5图示了根据本发明的实施方案，用于形成籽晶层的单晶硅的示例性设置；
图6图示了根据本发明的实施方案，用于产生大的单晶籽晶层的示例性方法；
图7A-7B图示了根据本发明的实施方案，用于浇铸低碳单晶硅或多晶硅的示例性装置；
图8图示了根据本发明的实施方案，用于浇铸单晶硅或多晶硅的示例性装置；
图9显示了根据本发明的实施方案，用于浇铸单晶或多晶硅的示例性装置；
图10显示了根据本发明的实施方案，示例性的硅浇铸锭料；以及
图11、11A和11B显示了根据本发明的实施方案，用于浇铸单晶或多晶硅的示例性盖子。
实施方案的描述
现在将详细描述本发明的实施方案，其实施例在附图中进行图示，只要可能，相同或相似的附图标记将用在整个附图中，用来指相同或相似的部件。
在根据本发明的实施方案中，熔融硅的结晶化通过使用籽晶的浇铸过程来进行。本文公开的这种浇铸过程可被实施，以便使结晶的硅的浇铸体内的晶粒的尺寸、形状和晶粒取向受到控制。本文使用的术语“浇铸”是指通过在用于容纳熔融硅的模具或容器中冷却熔融硅而形成的硅。例如，硅可通过在坩埚中固化而形成，其中固化由坩埚的至少一个壁引发，而不是通过将硅拉出坩埚以外的冷却的外来物体引发。因此，熔融硅的结晶化不受通过移动籽晶或移动模具、容器或坩埚而“拉出”棒的控制。另外，根据本发明的实施方案，模具、容器或坩埚包含至少一个热的侧壁表面，用于固化熔融硅。本文使用的术语“热的壁”是指其与熔融硅等温或比熔融硅更热的表面。优选地，热的壁表面在硅的加工期间保持固定。
根据本发明的实施方案，结晶的硅可以是连续的单晶硅，或是连续的具有受控的晶粒取向的多晶硅。本文使用的术语“连续的单晶硅”是指单晶硅，其中硅主体是单晶硅的一个均匀主体，而不是连接在一起形成更大硅块的较小硅块。另外，本文使用的术语“连续的多晶硅”是指多晶硅，其中硅主体是多晶硅的一个均匀主体，而不是连接在一起形成更大硅块的较小硅块。
根据本发明的实施方案，硅的浇铸可以通过将所需的晶硅“籽晶”的集合布置在例如可以容纳熔融硅的容器诸如石英坩埚的底部来完成。籽晶可覆盖坩埚底部的全部、或大部分、或基本上全部。本文使用的术语“籽晶”是指具有所需晶体结构并具有几何学形状的硅块，其具有与其中可放置该硅块的容器的表面相适形的侧。该籽晶可以是单晶硅块或几何学有序的多晶硅块。根据本发明，籽晶可具有与其底表面平行的上表面，尽管并不必需如此。例如，籽晶可以是尺寸为约2毫米-约10毫米到约100毫米-约1000毫米变化的硅块。硅块可具有约1毫米到约1000毫米、优选约10毫米到约50毫米的厚度。籽晶的合适的尺寸和形状可为了方便和铺贴(tiling)起见来进行选择。铺贴，其在下文更详细地被描述，是其中硅籽晶横跨坩埚的底部或坩埚的侧面和底表面以预定的几何学取向或图案被设置。
然后可将硅原料引入到坩埚内位于籽晶上方，然后使原料熔融。或者，可将熔融硅直接倾入到坩埚内并位于籽晶上方。当熔融硅被倾入时，坩埚优选首先达到非常接近于硅的熔融温度或高达硅的熔融温度的温度，然后将熔融硅倾入到其中。根据本发明的实施方案，可以在固化开始之前使籽晶薄层熔融。
然后使熔融硅冷却并在籽晶存在下结晶，优选进行的方式使得进行熔融硅的冷却以便熔融硅的结晶化在固体籽晶的最初顶部的水平处或低于该水平处开始结晶化并继续远离、优选向上远离该籽晶。这可通过籽晶将熔融热排除到吸热器来完成。本文使用的术语“吸热器”是指用于从另一个材料主体排除热的材料主体。吸热器可借助于从更高温度区域向更低温度区域传导热、通过与更低温度的流体进行对流或通过直接对更低温度的物体照射能量来进行热排除。热梯度一般被保持横跨吸热器以便一侧与待冷却的物体平衡而另一侧与更冷的区域交换能量。
第一温度，例如大约1410℃到大约1300℃之间的温度范围，通常包括了跨过和/或通过固体主体的温度梯度。第二温度，例如平均大约1250℃到大约1380℃之间的温度范围，通常包括了跨过和/或通过固体主体的降低的温度梯度和/或均匀的温度分布情况。或者，第一温度包括大约1410℃到大约1450℃之间的温度范围，第二温度包括1200℃到大约1400℃之间的温度范围。降低温度梯度的步骤，在本发明的上下文中有时可以被称为退火。退火可以包括例如关闭隔热。
根据本发明的实施方案，在熔融硅和结晶的硅之间的液体-固体界面，在熔融或固化期间，不必被保持为在浇铸过程中自始至终都是实质上扁平的。也就是说，在冷却期间在熔融硅的边缘处的固体-液体界面受到控制，以便在增加在熔融硅和硅籽晶之间的距离的方向上移动。当熔融硅的固化开始时，固化前沿最初是实质上扁平的，优选在正生长的硅固体物质的水平边缘处具有强曲率。固体-液体界面的形状从而可在浇铸过程自始至终都具有受控的轮廓。
通过与本发明的实施方案相符合的方式进行熔融硅的结晶化，可以产生具有特定的、而非随机的晶粒边界和特定的晶粒粒径的浇铸硅。另外，通过使得所有的籽晶被取向为相同的彼此相对的方向的方法来排列籽晶，例如，与坩埚底部垂直的(100)极方向和与矩形或正方形横截面坩埚的一侧成45°的(110)极方向，可以获得较大的浇铸硅主体，其是、或基本上是、其中该浇铸硅的极方向与籽晶的极方向相同的单晶硅。类似地，其它的极方向可与坩埚的底部垂直。另外，一个或多个籽晶可设置为使得任何共用极方向与坩埚底部垂直。另外，根据本发明的实施方案，可以一起使用具有两个或更多个不同的极方向的籽晶以使得结晶生长的有效性最大化，获得具有所需结晶取向的尽可能大的硅体积。
用于浇铸过程的籽晶，根据本发明的实施方案，可以具有任何所需的尺寸与形状，但是，是具有适当的几何学形状的单晶硅块或几何学有序的多晶硅块，诸如正方形、矩形、六角形、菱形或八角形的硅块。它们可以具有有助于铺贴的形状，从而它们可进行边对边的布置或“铺贴”并以所需图案与坩埚的底部适形。还根据本发明的实施方案，籽晶可被布置到坩埚的一侧或多侧上。这种籽晶可通过例如将晶硅来源诸如单晶硅的棒锯切成具有所需形状的块而被获得。籽晶还可通过将其从根据本发明实施方案的方法制得的硅样品上切割下来而被形成，以便用于随后的浇铸过程的籽晶可从最初的浇铸过程被制得。例如，可使用小块的无位错籽晶材料来生长较大的无位错单晶，足以覆盖坩埚的整个底部，用作新的籽晶层。
现在将描述用于制造本发明实施方案的硅的方法和装置。然而，可理解，这些不是形成本发明实施方案的硅的唯一方式。
参见图1A和1B，浇铸站热区的横截面如图1A所示，显示了在用籽晶进行的浇铸过程的熔融阶段的结尾时的液体硅100和固体硅101。硅被布置在有底和壁的坩埚110中，所述坩埚可以是例如熔融石英坩埚或硅质坩埚。此时，坩埚110内的固体硅101完全由之前被装载在坩埚底部的硅的籽晶层组成。原料硅(未示出)被引入到籽晶层的上方。原料硅可以作为固体被装载在坩埚内并然后熔融，或者在单独的容器中被熔融并作为液体被引入到籽晶的上方。在任一种情况中，原始的硅籽晶层被部分地熔融并且固体硅101完全由剩余的硅籽晶层组成。优选地，坩埚110具有脱模涂层诸如由二氧化硅、氮化硅或液体密封剂制成的一个涂层，以帮助从坩埚110中取出结晶的硅。
仍然参见图1A，在该熔炉热区的绘图中，电阻加热器120提供能量以保持熔融硅所需的温度，而绝缘体130防止热散逸到外部室(未示出)。根据本发明的实施方案，坩埚110受到许多层的支撑，这许多层还用来以受控方式传导热远离硅。例如，热传导块140将热放射到水冷室(未示出)，从而冷却其上方的热区组件。石墨支撑板142，如图1A中的横截面和图1B中的三维图所示，从热传导层141传导热，热传导层141又传导热远离坩埚110和硅100及101。热绝缘层150可以示例性的构造包围热传导层141，以便改变除热路径并因此改变固化前沿的形状。固体石墨侧板143包围坩埚110并为坩埚提供结构支撑。根据本发明的实施方案，浇铸站可具有石墨支撑板142，尽管不要求通过热传导层141和热绝缘层150来控制定制的热传导路径。
仍参见图1A和1B，石墨侧板143可被搁在石墨支撑板142上，并且将热直接传导到板142，这可在坩埚的底部边缘处产生冷部位。然而，定制的热传导面对面的层141和150的效果，可以改变冷却参数，并因此，通过例如保持坩埚110的角更热来改变液体/固体界面的形状，导致只发生少量的侧向熔融。例如，如图1A所示，固体硅101在其左边缘和右边缘由于在坩埚110下方的材料中发生的热交换而具有高曲率。这种曲率可以导致固体的侧向膨胀和籽晶结构的向外生长。在图1A中，固体硅101的结晶生长方向由黑色箭头表示。
参见图2A-2D，硅的结晶生长可通过改变坩埚的形状而改变。例如，结晶生长可以在如图2A和2B中所示的向外呈锥形的坩埚200中实现，其中液体硅220对固体硅221的曲率促进了籽晶的侧向膨胀(未示出)，其生长方向在图2B中用箭头表示。在另一个实施例中，结晶生长可以在如图2C和2D中所示的向内呈锥形的坩埚210中完成，其与图2A中的坩埚200类似，也具有以下的优点，即，在将浇铸硅锭料(222+223)切割成砖形块(由虚线所示)期间，使得可用的浇铸硅222的量最大化，且使得要被除去的不可用的或不希望的硅223的量最小化。在浇铸硅侧壁上的不希望的硅223的锥形形状(在图2D的横截面中可看见)是由于在坩埚底部的硅在固化和结晶生长期间在高温状态下与在锭料顶部的硅相比所花费的额外时间所致，其更迅速地被冷却。
图3图示了被装载进坩埚310内用于浇铸的硅(原料300和结晶籽晶301)的横截面。脱模涂层320，诸如氮化硅或碳化硅，可被施用于坩埚310的其中原料300接触坩埚310的区域，这对应于硅300的在浇铸期间将变得完全熔融的区域。在结晶籽晶301下方未施用涂层。籽晶301不会完全熔融，因此不会粘附于坩埚110。
图4图示了用于晶硅籽晶层的再利用的方法。如图4所示，从籽晶层401生长的浇铸锭料400首先沿着虚线被切成片以除去含有籽晶层401的厚片材料。该厚片材料然后在虚线边缘处进行修剪以除去可能妨碍其在另一个坩埚中放置的过剩材料。经过修剪的厚片402，其已被修剪成具有最初籽晶层401的尺寸和形状，然后，可能与其它类似的硅片一起，在容器410中进行处理，所述容器410为诸如含有合适的液体或其它材料的槽或管，以从层401(和可能的其它的硅片)上除去污染物和碎片，然后将其置于新的坩埚420中用作随后浇铸过程中的籽晶层。
图5图示了被设置以形成籽晶层的单晶硅块的示例性布置。(001)结晶取向已经显示出具有用于制造硅太阳电池的有利性质。(001)硅可经过化学蚀刻，蚀刻方式为使得产生覆盖其整个表面的图案棱锥，其可通过既降低反射又增加光在材料内的通路长度而改善硅的光陷能力。化学浸蚀可通过已知方法完成。然而，(001)硅的浇铸由于其在紧挨着硅的多晶区域时倾向于在与其(001)极方向成锐角处生长晶粒边界而变得困难。为了抵抗多晶硅的生长，可将几何学排列的多个单晶硅籽晶布置在坩埚内的至少一个表面(未示出)上，例如，布置在坩埚的底表面上，其中所述几何学排列包括密堆积的多边形。如图5所示，一块(001)硅500被(111)硅501的矩形周边包围。周边硅501的极取向显示为(111)，但是其可以是当紧挨着多晶区域生长时被竞争性地促进的任何结晶取向。以这种方式，大多数的得到的浇铸锭料(未示出)将由(001)硅组成，并且从硅501生长的被竞争性地促进的(111)晶粒将限制多晶硅在硅500内被(001)硅所占据的区域内生长。类似地，通过浇铸多晶硅主体产生的硅晶粒，根据本发明的实施方案，可以柱状方式生长。另外，这些晶粒的横截面可以是、或接近于、籽晶(从该籽晶形成所述晶粒)形状，而不是具有当固化进行时收缩的(001)横截面积。当制造具有经过特别选择的晶粒边界的硅时，优选晶粒边界接合点只具有三个在角处相遇的晶粒边界，如图5中所示配置中满足的条件。
图6图示了制造用作籽晶层的大面积的、无位错单晶的方法。在该方法中，在横截面中进行描述，将多晶原料600与单晶籽晶601一起装载，所述单晶籽晶601可具有面积为约25cm2到约10,000cm2的侧向尺寸和约3mm到约1000mm的厚度。原料600被布置在坩埚610中，然后将坩埚610布置在站(未示出)上，该站位于层620、621和630上面，由热传导(620)和热绝缘(630)部件组成。热传导部件620的面积优选与坩埚610的底部具有大约相同的形状，具有的侧向面积是籽晶601的侧向面积的约50％到150％。在熔融期间，通过热传导区域620将热排除到支撑板621上，同时防止热穿透热绝缘层630。甚至在浇铸的熔融阶段过程中也通过热传导区域620带走热，以免籽晶601完全熔融。当所有的原料600和小部分的籽晶601熔融成液体硅602时，剩余的固体硅603则用作固化过程的成核层。绝缘层630的存在帮助控制在成核和生长期间固体硅603的形状，以及固化方向(在图6中用箭头表示)。在固化表面中的强曲率引起固体硅603的向外生长，同时使多晶区域605最小化。当浇铸成锭料604后，可从该锭料的上部切割(虚线)多个水平层，以用作新的籽晶厚片606。再次使用刚刚描述的方法，可对厚片606进行清洁、修剪并在新的坩埚610中用作完整的籽晶层用于新的锭料，或作为甚至更大的单晶的起始点。
图7A和7B是用于在用籽晶形成的锭料中进行低碳单晶硅或多晶硅的浇铸的装置的横截面的绘图。如图7A所示，将籽晶700与原料701一起装载在坩埚710中，坩埚710位于熔炉热区(未作标记的)中。坩埚710，尽管图解为被陶瓷盖711(也如图7B所示)覆盖，也可未被覆盖或对周围的大气完全开放。在浇铸中，可以从石墨绝缘层720的分开的部分而向锭料中引入碳(该碎片可能落入坩埚710内)，或者通过气相反应(在该气相反应中，得自坩埚710的氧溶解在硅熔体中并然后作为SiO分子蒸发(未示出))而向锭料中引入碳。这些分子可粘附于熔炉的石墨部件720、750、760并通过以下反应SiO+2C→SiC+CO发生反应。
CO气体分子进入液体，在其中形成SiC并再次将O释放以重复循环。通过向坩埚710引入陶瓷盖711(如图7B所示)，并小心地控制生产气体730(其可为例如氩气)，可有效地终止或严格地限定上述的两种碳引入机制。陶瓷盖711可由许多材料制成，包括例如熔凝硅石，石英，碳化硅，氮化硅等等。希望这样一种设计，该设计使得惰性气体诸如氩气的新鲜供应气体经由通道740进入并经由另一个通道(未示出)离开，以防止上述的碳气体反应。
仍参见图7A和7B，浇铸过程可以如下进行操作：将一个或多个籽晶700和原料701在将坩埚710安装在熔炉内之前装载，或者只装载一个或多个籽晶700并稍后将液体硅770从单独的熔体室引入到坩埚中。
图8图示了根据本发明实施方案用于改变浇铸期间的固体-液体界面的形状的装置。如图8所示，主加热器820和附加加热器840被置于浇铸站的热区(显示为被绝缘材料831所包围)中以向材料800、801引入目标加热。固体籽晶材料801上的液体材料800具有界面，该界面在靠近坩埚810侧壁的边缘处是弯曲的。主加热器820通常与主吸热器860一起工作以产生实质上扁平的固体-液体界面(未示出)。然而，附加加热器840将电流直接连接到材料800、801，对材料800、801的靠近坩埚810的壁的边缘导入感应加热，并从而使得在该边缘的附近区域中的固体物料801熔融。
附加加热器840，如图8所示，是导电金属的线圈，所述金属可为例如铜，其用循环液体850冷却并通过包围层830与主加热器820热绝缘。附加加热器840可以是以回路方式包围坩埚810的单匝线圈，如图8所示，或者其可具有形成螺线管的多个回路，该螺线管在构成螺线管的回路之间具有任何所需的距离。附加加热器840还可被构造为其相对于坩埚810的壁可以移动，以便影响固体-液体界面(未示出)。附加加热器840通过流过铜管的电流工作，而水将其冷却从而通过铜管的电流形成强磁场，该强磁场与液体硅连接，在硅内诱导相应的电流。在硅内的和/或经过硅的得自电流的电阻热以局部方法和/或方式提供加热作用。
或者，电阻加热器可被用作附加加热器840，但是电阻加热器在对准特定体积的材料诸如材料800、801供应热方面不是那么有效。在用图8所示的装置进行浇铸期间，附加加热器840只在接近熔融期的末期被激活，以便不过度熔融籽晶材料801。附加加热器840在固化过程的至少大约前20％过程期间继续施加热到坩埚810。附加加热器840还可在整个固化过程期间继续施加热到坩埚810直到实施冷却阶段为止。
如图9中所示，并根据一个实施方案，单晶硅和/或双晶硅的体积可以通过使用侧面籽晶板和/或厚片进一步增加。籽晶900也可以放置在坩埚910的一个或多个侧壁930、940上。籽晶900可以放置在坩埚910的所有四个壁上，尽管仅仅是为了说明的目的，显示的籽晶只在壁930、940上。优选情况下，放置在坩埚910的4个壁的任何一个上的籽晶900是柱状和/或单块的，以便于晶体生长。优选情况下，放置在坩埚910的4个壁的任何一个上的每个柱状籽晶，将与放置在坩埚910的底部表面上它的紧下方的籽晶，具有相同的晶粒取向。在几何学多晶硅生长的情况下，以这种方式放置柱状籽晶，将促进与坩埚910的高度一样大的几何学多晶硅晶粒的生长。或者，单晶厚片用在侧面上，产生了增加的单晶材料
仍然参见图9，籽晶900的这种排列的优点，是更快速、更简单、自我扩展的浇铸硅的工艺方法，具有更高的结晶度和更高的生长速度。例如，可以将硅熔融在硅“杯”中，硅杯由许多籽晶构成，它们堆积在一起，在坩埚910内部形成穴洞，例如底面和四壁。或者，首先使接受“杯”达到硅的熔融温度但维持在固态，然后倒入熔融的硅并允许达到热平衡。然后，在上述任何一种实施例中，将坩埚910冷却，其中通过例如向周围辐射热的固体散热材料(未显示)将热从坩埚910的底部和侧面排出，同时仍然向坩埚910的开放的顶部施加热。通过这种方式，获得的硅的浇铸锭料可以是单晶或几何学多晶的(取决于使用的籽晶900的类型以及它们的取向)，并且结晶进行得比自身多晶浇铸工艺更快。为了重复该过程，使用已知技术取出结晶硅锭料的一部分侧面和底面，可以将其重复用于随后的浇铸过程中。优选情况下，将多个籽晶、例如籽晶900进行排列，使得籽晶900中共同的极方向垂直于坩埚910的每个底面和侧面，使得在坩埚910的底部和侧面之间不行成晶粒边界。
根据一个实施方案，并如图11、11A和11B所示，用于浇铸硅的盖子1111包括多个成型的孔1112，相对于中心注射孔1113放置。理想情况下，但不是必需的，成型孔1112包括位于中央的通常狭长的部分，以及位于和/或靠近狭长部分末端的通常圆形的部分。成型孔1112的这种构造有时可以被称为“八字试块(dog bone)”和/或“哑铃”。狭缝和/或圆圈可以具有任何适合的尺寸和/或定位。理想情况下，一个成型孔1112对应于盖子1111的每个侧面以及盖子1111的每个角，例如总共8个成型孔1112。角上的成型孔可以比侧面成型孔短一些，例如长度为一半。理想情况下，成型孔1112是锥形的，例如在盖子1111的内部较窄，在盖子1111的外部较宽。成型孔可以减少逆向混合和/或碎片和/或污染物夹带到硅中。
正如本文所公开的，本发明的实施方案可通过简单的和成本有效的浇铸过程来生产单晶硅、近似单晶硅、双晶硅、或几何学多晶硅的大型本体。根据本发明实施方案的方法使用的硅原料以及由此生产的硅，可以包含一种或多种选自下列的掺杂物：硼，铝，锂，镓，磷，锑，砷和铋。这些一种或多种掺杂物的总量为以原子％计约0.01百万分之一(ppm)(ppma)到约2ppma。优选地，在硅中的一种或多种掺杂物的量为使得由所述硅制造的晶片具有约0.1到约50欧姆-厘米电阻率、优选约0.5到约5.0欧姆-厘米电阻率的量。或者，可以使用本文所公开的方法和装置来浇铸其它的具有合适的液相的材料。例如，锗，砷化镓，硅锗，蓝宝石和许多的其它的III-V或II-VI材料，以及金属和合金，可根据本发明的实施方案浇铸。
另外，尽管本文已经描述了硅的浇铸，但是可进行其它的半导体材料和非金属结晶材料的浇铸而不脱离本发明的范围和精神。例如，本发明人已经考虑到了根据本发明的实施方案进行其它材料的浇铸，所述材料为诸如锗，砷化镓，硅锗，氧化铝(包括其单晶形式的蓝宝石)，氮化镓，氧化锌，硫化锌，砷化镓铟，锑化铟，锗，氧化钇钡，镧系元素氧化物，氧化镁，氧化钙，和其它的液相的半导体、氧化物和金属间化物。另外，许多的其它的III-V族或II-VI族材料，以及金属和合金，可根据本发明的实施方案浇铸。
在某些实施方案中，制造浇铸硅的方法可以包括将晶硅的籽晶层装载入坩埚中，例如在坩埚的底部表面上。该方法可以包括将固态硅原料装载入坩埚中，例如在籽晶层的顶部。该方法可以包括在坩埚的开口、例如容器的嘴上放置盖子。方法可以包括通过盖子中的至少一个孔、例如中心端口通入惰性气体，其中惰性气体可以是氩气和/或氮气。可以使用任何其它对于硅来说是惰性的气体，例如氦气、氙气和/或任何其它适合的蒸气。
方法还可以包括通过盖子中的至少一个其它孔、例如多个径向分布的孔，将惰性气体排出坩埚。理想情况下，排气阻止了回流、夹带和/或逆向混合到坩埚中。方法可以包括熔融硅原料，同时维持一部分籽晶层在固态，并形成硅的固体主体。方法也可以包括冷却该固体主体。理想情况下，方法包括至少通过坩埚的底部表面排除热来形成固体主体。
在某些实施方案中，惰性气体的流动至少发生在硅原料熔融和固体主体形成的过程中。或者，惰性气体的施用在除了起始的干燥和/或脱气之外所有的时间中进行。理想情况下，惰性气体的流动使坩埚的压力增加到超过周围环境，例如几毫米水压。方法还可以包括在装载籽晶层和硅原料之后、惰性气体开始流动之前，向坩埚施加真空，以例如除去和/或减少水蒸气。
在某些实施方案中，惰性气体的流动和排出，至少部分降低或阻止了碳掺入到浇铸硅中，例如阻止来自石墨隔缘层碳尘落入硅中。流动和排出惰性气体，可以至少部分地减少坩埚中例如来自熔融硅的SiO。
在某些实施方案中，固体主体包含低碳硅，例如碳浓度为大约1x1016到大约4x1017，和/或大约为溶解极限。正如上面讨论的，一般来说，对于太阳能应用来说，低碳浓度是理想的。本发明的硅的低碳浓度，与其它浇铸硅方法以及CZ硅的较高的碳浓度形成对比。
在某些实施方案中，本发明包括了平均碳浓度低于大约4x1017个原子/cm3的溶解度极限、平均氧浓度低于大约8x1017个原子/cm3的浇铸硅主体。氧含量可以在例如大约1.2x1018到大约1x1017之间。
或者，制造浇铸硅的方法包括：任选地将晶硅的籽晶层装入坩埚；任选地用盖子覆盖坩埚；将液体硅导入坩埚；如果存在的话，熔融一部分籽晶层；形成硅的固体主体；热选地将惰性气体通入坩埚；任选地从坩埚排出惰性气体；以及冷却该固体主体。惰性气体可以在和/或通过盖子和/或坩埚的一个或多个洞和/或孔进入或通入。惰性气体可以在和/或通过盖子和/或坩埚的一个或多个洞和/或孔出去或排出。理想情况下，但不是必需的，进气端口和排气端口是不同的板孔。或者，单个贯穿孔可以既用于进气也用于排气，例如同心排列和/或构型。
除非明确陈述，否则在本文公开的本方法和所有方法中提出的步骤的次序，不应该被视作仅限于列出的步骤顺序和/或数量。
液体硅可以包括过热的液体硅，例如具有过多热的液体硅，在将过热液体导入坩埚后，过量的热熔融一薄层籽晶层。或者，过量的热包括比熔融硅的温度高大约1℃到大约100℃。过热的其它范围也是可能的。
在某些实施方案中，制造浇铸硅的方法包括：将底部晶硅的籽晶层装载在坩埚的底部上；靠近坩埚的至少一个侧壁装载至少一个晶硅的侧板籽晶层；用盖子覆盖坩埚；将液体硅导入坩埚；熔融一部分底部籽晶层或至少一个侧板籽晶层；形成硅的固体主体；通过盖子中的至少一个孔将惰性气体通入坩埚；通过至少一个其它孔排出惰性气体；以及冷却该固体主体。侧面籽晶层板和/或晶体，在理想情况下具有对应于坩埚底面上的籽晶层的取向。侧面籽晶板可以暂时附着在侧壁上，和/或可以与例如底部籽晶层联结和/或结合。
在题为“制造用于光伏应用的单晶浇铸硅和单晶浇铸硅本体的方法和装置”(Methods and Apparatuses for ManufacturingMonocrystalline Cast Silicon and Monocrystalline Cast Silicon Bodies forPhotovoltaics)的美国专利申请公开No.：20070169684A1中，公开了籽晶侧板的应用。在题为“制造用于光伏应用的几何学多晶浇铸硅和几何学多晶浇铸硅本体的方法和装置”(Methods and Apparatuses forManufacturing Geometric Multicrystalline Cast Silicon and GeometricMulticrystalline Cast Silicon Bodies for Photovoltaics)的美国专利申请公开No.：20070169685A1中，也公开了籽晶侧板的应用。共同转让的专利申请公开Nos.：2007/0169684和2007/0169685的全部内容，在此以其全文引为参考。
在某些实施方案中，固体本体的形成包括了通过坩埚的底部表面排除热。或者，固体主体的形成可以包括通过坩埚的底部表面和至少一个侧壁排除热。或者，可以通过顶部表面和/或盖子排除热。适合的冷却可以包括对流、传导和/或辐射机制。
在某些实施方案中，制造浇铸硅的方法包括：任选地将晶硅的籽晶层与固体硅原料一起装载入有盖子的坩埚；以及熔融硅原料并形成硅的固体主体，同时如果存在、维持一部分籽晶层在固态，并通过盖子或覆盖物中的至少一个孔通入惰性气体，同时通过盖子或覆盖物中的至少一个其他孔排出惰性气体；以及冷却该固体主体。
在某些实施方案中，制造浇铸硅的方法包括：将晶硅的籽晶层装载入坩埚；用盖子覆盖坩埚；将液体硅导入坩埚，允许一部分籽晶层熔融；形成硅的固体主体，同时通过盖子中的至少一个孔通入惰性气体，通过至少一个其它孔排出惰性气体；以及冷却该固体主体。
在某些实施方案中，制造浇铸硅的方法包括：将晶硅的籽晶层装载入坩埚；用盖子覆盖坩埚；将过热液体硅导入坩埚；熔融一部分籽晶层；形成硅的固体主体；以及冷却该固体主体。方法还可以包括过热的量足以在过热液体导入坩埚后熔融一薄层籽晶。或者，在导入籽晶材料之前，坩埚可以加热到和/或高于硅的熔点，然后快速导入液体和/或熔融的硅。过热可以包括任何适合的量，例如在硅的熔点以上大约1℃到大约100℃之间。
根据某些实施方案，制造浇铸硅的方法包括：将液体硅导入坩埚，和/或将固体硅原料置于坩埚中并熔融硅原料；形成硅的固体主体；将惰性气体通入坩埚；从坩埚排出惰性气体；以及冷却该固体主体。方法还可以包括用盖子覆盖坩埚和/或坩埚的至少一部分或坩埚的开口。通入惰性气体可以包括通过盖子或坩埚中的一个或多个孔通入惰性气体。惰性气体的排出可以包括通过盖子或坩埚中的一个或多个孔排出惰性气体。用于通入和/或排出惰性气体的孔，可以包括任何适合的形状，例如圆形、正方形、长方形、三角形、狭长、成型的孔，和/或其它形状。惰性气体的通入和排出可以通过同样的和/或不同的孔进行。
下面的实施例是部分的实施方案的实验结果。这些实施例的提出只是为了示例和说明本发明的实施方案，不应该被解释为以任何方式限制了本发明的范围。
实施例1
坩埚准备：将坩埚布置在由两层组成的支撑结构上。支撑结构的底层是80cm×80cm×2.5cm的固体isomolded石墨板，其支撑复合层。上面的复合层具有内区域，该内区域是60cm×60cm×1.2cm的热传导isomolded石墨板并且在所有侧被1.2cm厚的热绝缘石墨纤维板的10cm周边包围。以这种方式，复合层完全覆盖底层。
籽晶准备：使用涂覆金刚石的带锯将得自MEMC，Inc.并具有0.3ppma硼的纯的Czochralski(CZ)硅(单晶)的棒沿其长度进行裁减，从而使其具有每侧为140mm的正方形截面。使用相同的锯经过其横截面切割单晶硅块，将其切成厚度为约2cm到约3cm的厚片。这些厚片用作单晶硅籽晶或“籽晶”。保持硅棒的(100)晶体学极取向。然后将得到的单晶硅厚片设置在石英坩埚的底部内以便厚片的(100)方向面向上，并且(110)方向被保持平行于的坩埚另一侧。石英坩埚具有正方形截面，在一侧上为68cm并且深度为约40cm。将厚片设置在坩埚的底部，使得厚片的长尺寸平行于坩埚的底部并且它们的侧边接触以在坩埚的底部上形成这些厚片的单一的完整层。
浇铸：将坩埚装载籽晶板，然后在室温下填充总质量最多为265kg的固体硅原料。加入几个高度掺杂硼的硅的晶片以提供足够的硼用于～0.3ppma的总的锭料掺杂。首先将被填充的坩埚用石墨支撑板包围，该石墨支撑板被搁在支撑结构的热绝缘部分上，然后将其装载在用于浇铸多晶硅的原地熔融/定向固化浇铸站内。通过将电阻加热器加热到约1550℃进行熔融方法，并且加热器被构造为使得加热来自顶部并同时通过打开总共6cm的绝缘材料使热辐射到底部以外。这一构造导致熔融在从上向下的方向上朝着坩埚的底部进行。通过底部的被动冷却引起籽晶在熔融温度下保持为固态，这通过热电偶进行监控。熔融程度通过被降入到熔体内的石英浸量尺每隔十分钟进行测量。比较浸量尺的高度与从站内变空的坩埚测得的量度相比，以确定剩余的固体材料的高度。通过浸量尺测量，首先使原料熔融，然后使熔融相继续进行直到只剩余约1.5厘米高度的籽晶。此时，将热能降低到1500℃的温度设置，同时通过开放绝缘材料到12cm来增加从底部的辐射。在固化开始之前，通过浸量尺测量观察到另外有一个或两个毫米的籽晶发生熔融。然后进行用籽晶进行的单晶生长直到固化步骤结束。使用其中从顶部到底部的热梯度是平坦的正常参数进行浇铸循环的生长阶段和其余阶段，然后将整个锭料缓慢地冷却到室温。浇铸硅产品是66cm×66cm×24cm的锭料。结晶度与籽晶一致的区域在底部开始并与未熔融的材料的边缘适形，并且当生长开始时从该边缘侧向向外朝着坩埚壁生长，并且朝着结晶化结束的方向稳定化达到恒定的尺寸。单晶硅结构通过目视检查从所述锭料切取的砖形块的面而是显而易见的。
实施例2
根据实施例1实现籽晶生长，并得到含有较大的单晶体积的浇铸锭料。冷却后，使锭料在其一侧站立并被装载进具有固定金刚石研磨剂的带锯中用于切割。切掉锭料的底部作为厚度为2cm的单层。然后将该层水平地固定在切割台上。在相同的带锯中，对该层的边缘进行修剪，以便从每一侧除去约1.5cm。然后将厚片进行喷砂处理以除去胶和外来物质，然后将其在热的氢氧化钠浴中蚀刻，漂洗，并浸在HCl浴中以除去金属。然后将所述厚片置于与先前锭料具有相同尺寸的标准坩埚的底部上。将硅原料装载达到265kg的总质量并重复进行浇铸过程，得到第二个添加籽晶的锭料。
实施例3
籽晶准备：从18kg的正方形(100)板入手制备了籽晶层，所述板用于衬在坩埚的底部，提供58cm×58cm的覆盖区域和2-3cm的厚度。将这些板布置在一起形成更大的正方形，其位于坩埚内的中心。然后，将该正方形用2cm厚的(111)取向籽晶层包围，从而得到63cm×63cm正方形的总籽晶层。
浇铸：将包含籽晶的坩埚填充硅达到265kg的总质量并将其置于浇铸站中。根据实施例1所述进行浇铸，监控所述过程以确保籽晶层在熔融的结尾到固化开始时完整无损。得到的锭料被切成12.5cm砖形块的5×5方格。对砖形块的晶体结构进行的光学检验表明(111)结晶用作缓冲层，防止随机成核的晶粒进入(100)体积内。
实施例4
坩埚准备：将标准的69cm2坩埚置于由两层组成的支撑结构上。所述层的组成如实施例1所述，不同之处是复合层的尺寸不相同。底部固体石墨层具有如前所述的80×80×2.5cm3的尺寸，但是复合层的热传导部分的尺寸仅为20×20×1.2cm3，位于底层顶部的中心处。其余的底层被热绝缘石墨纤维板所覆盖。
籽晶准备：在坩埚底部的中心处放置一块尺寸为21cm×21cm×2cm的(100)-取向单晶硅。然后向坩埚填充剩余的硅原料以达到265kg的总质量。
浇铸：将坩埚和支撑板置于浇铸站内并根据实施例1所述进行循环，不同之处使用额外的时间允许硅固化，这是因为考虑到热排除区域更小。冷却后，将锭料切成片。被切片的锭料的外观检查证实了结晶从受控热排除的强烈的向外生长。
实施例5
坩埚准备：将标准的69cm2坩埚置于石墨支撑板上并如实施例1所述向其装载籽晶层、原料和掺杂物，不同之处是所述原料不含从先前的锭料再循环得到的硅。然后将尺寸为69×69×12cm3的熔凝二氧化硅盖放在坩埚上。对浇铸站进行修改，以便使望远镜筒附着于顶部绝缘材料的孔，在所述孔中生产气体被引入。然后将装料装载到站内并抬高以接合望远镜。运行浇铸站，使用经过修改的方法以便可进行更好的气体控制以及使用改变的固化设置以弥补坩埚盖的影响。得到的锭料经测量发现，其碳浓度是典型锭料的碳浓度的1/10，另外具有类似镜子的上表面，并且比典型的锭料包含更少的外来粒子。
实施例6
坩埚准备：准备了不含脱模涂层的标准的69cm2坩埚。
籽晶制备：将单片(100)取向的单晶硅放置在坩埚底部的中心。然后将附加的籽晶厚片加入到坩埚的四侧壁上。然后在坩埚中装载其余的硅原料。
浇铸：将坩埚和籽晶材料放置在浇铸站中，通过熔体和固化过程的循环，其中包括通过侧壁排除热。目测检测切片的锭料1025，证实了如图10中所示侧壁籽晶厚片沿着侧面产生单晶材料1022的所需效应。在熔融过程中底部籽晶层1100氧化，在锭料的中心部分中产生了多晶材料1023。
因此，根据本发明的实施方案和上述的实施例，从根据本发明的实施方案的硅制造的晶片适当地薄并可用于光伏电池。例如，晶片可为约10微米厚到约300微米厚。另外，用于光伏电池的晶片优选具有大于晶片厚度(t)的扩散长度(Lp)。例如，Lp与t的比率适当地为至少0.5。Lp与t的比率可以为例如至少约1.1，或至少约2。扩散长度是少数载流子(诸如在P型材料中的电子)在与大多数载流子(在p型材料内的空穴)复合之前可以扩散的平均距离。Lp与少数载流子寿命τ相关，所述关系为Lp＝(Dτ)1/2，其中D是扩散常数。扩散长度可以通过许多技术测量，诸如光子-光束-感应电流技术或表面光伏电压技术。例如，参见，“Fundamentals of Solar Cells”，A.Fahrenbruch和R.Bube，AcademicPress，1983，pp.90-102，其作为参考被并入本文，用于说明如何测量扩散长度。
晶片可具有约100毫米到约600毫米的宽度。优选晶片在至少一个维度上为至少约50mm。从本发明的硅制造的晶片，并因此通过本发明制备的光伏电池，可以具有例如约100平方厘米到约3600平方厘米的表面积。晶片的正面优选经过结构化处理(textured)。例如，晶片可使用化学蚀刻、等离子蚀刻、或激光或机械划刻进行适当的结构化处理。如果使用单晶晶片，则该晶片可经过蚀刻，通过将晶片在含水的碱溶液中诸如在氢氧化钠中、在高温下例如约70℃到约90℃下、处理约10到约120分钟，而形成经过各向异性结构化处理的表面。所述含水溶液可包含醇诸如异丙醇。
因此，可使用由根据本发明实施方案的浇铸硅锭料制造的晶片来制造太阳能电池，如下进行：切割浇铸硅的固体主体以形成至少一个晶片；任选地在晶片的表面上进行清洁过程；任选地在所述表面上进行结构化处理步骤；通过掺杂表面而形成p-n结；任选地在所述表面上沉积防反射膜；任选地使用例如铝烧结步骤形成背面电场；和在晶片的至少一个表面上形成导电触点。
在典型的和一般的使用例如p型硅片制造光伏电池的方法中，将晶片一侧暴露于合适的n-型掺杂物下以形成发射极层并在该晶片的正面或吸光面上形成p-n结。通常，n-型层或发射极层如下形成：首先，使用本领域常用的技术诸如化学沉积或物理沉积技术在p型晶片的正面上沉积n型掺杂物，经过这种沉积后，将n型掺杂物例如磷驱动进入硅片的正面以进一步将n型掺杂物扩散进入晶片表面。这一“驱动进入”步骤通常通过将晶片暴露于高温下来完成。从而在n型层和p型硅片基底之间的边界区域处形成p-n结。在进行磷掺杂或其它掺杂以形成发射极层之前，在晶片表面可以进行结构化处理。为了进一步改善光吸收，通常向晶片的正面施用防反射膜诸如氮化硅，有时同时提供表面钝化和/或本体钝化。
为了利用由于将p-n结暴露于光能下所产生的电势，光伏电池一般配有在晶片正面上的正面导电触点和在该晶片的背面上的背面导电触点，尽管这两个触点都可以位于晶片的背面。这些触点一般由一种或多种高导电金属制成并且从而一般是不透明的。
因此，根据上述的实施方案的太阳能电池可包括从连续的单晶硅的主体切取的晶片，其实质上不含放射状分布的缺陷，所述主体具有各自至少为约35cm的至少两个维度，在晶片中的p-n结，在晶片表面上的防反射膜；和在晶片的至少一个表面上的多个导电触点，其中所述主体实质上不含涡旋形缺陷并且实质上不含由氧诱导的堆垛层错缺陷。
另外，根据上述的实施方案的太阳能电池可包括从连续的多晶硅的主体切取的晶片，其实质上不含放射状分布的缺陷，所述主体具有预定的晶粒取向排列，具有与该主体的表面垂直的共用极方向，还具有各自至少为约10cm的至少两个维度，在晶片中的p-n结，在晶片表面上的防反射膜；和在晶片的至少一个表面上的多个导电触点，其中所述的多晶硅含有平均晶粒边界长度为约0.5cm到约30cm的硅晶粒，并且其中该主体实质上不含涡旋形缺陷并且实质上不含由氧诱导的堆垛层错缺陷。
本领域技术人员显然可在所公开的结构和方法内进行各种修改和改变而不背离本发明的范围和精神。本发明的其它实施方案对于本领域技术人员而言鉴于本文所公开的本发明的说明和实践而变得显而易见。本发明的说明书和实施例被认为只是示例性的，本发明的真实的范围和精神通过以下的权利要求得以阐述。

Claims (32)

1.制造浇铸硅的方法，包括：
将晶硅的籽晶层装载到坩埚中；
将固态硅原料装载到坩埚中；
在坩埚的开口上放置盖子；
通过盖子中的至少一个孔将惰性气体通入坩埚；
通过盖子中的至少一个其他的孔排出惰性气体；
将硅原料熔融，同时维持一部分籽晶层在固态；
形成硅的固体主体；以及
冷却该固体主体。
2.权利要求1的方法，其中籽晶层的装载是将籽晶层放置在坩埚的底部表面上。
3.权利要求1的方法，其中惰性气体包括氩气或氮气。
4.权利要求1的方法，其中排出惰性气体阻止回流到坩埚中。
5.权利要求1的方法，其中通入惰性气体至少在熔融硅原料和形成固体主体的过程中进行。
6.权利要求1的方法，其中通入惰性气体使坩埚的压力高于周围环境的压力。
7.权利要求1的方法，还包括在装载籽晶层和硅原料之后，在开始通入惰性气体之前，对坩埚施加真空。
8.权利要求1的方法，其中形成固体主体包括至少通过坩埚的底部表面排除热。
9.权利要求1的方法，其中通入和排出惰性气体至少部分减少或阻止碳掺入到浇铸硅中。
10.权利要求1的方法，其中通入和排出惰性气体至少部分减少坩埚中的SiO。
11.权利要求1的方法，其中固体主体包含低碳硅。
12.通过权利要求1的方法形成的硅的主体，所包含的平均碳浓度低于大约4x1017个原子/cm3的溶解度极限，平均氧浓度低于大约8x1017个原子/cm3。
13.制造浇铸硅的方法，包括：
将晶硅的籽晶层装载到坩埚中；
用盖子覆盖坩埚；
将液体硅导入坩埚中；
熔融一部分籽晶层；
形成硅的固体主体；
将惰性气体通入坩埚；
从坩埚排出惰性气体；以及
冷却该固体主体。
14.权利要求13的方法，其中液体硅包含过热的液体硅。
15.权利要求14的方法，其中在将过热液体导入坩埚后，过量的热熔融了一薄层籽晶。
16.权利要求14的方法，其中过量的热包括大约1℃到大约100℃之间。
17.权利要求13的方法，其中惰性气体包含氩气或氮气。
18.权利要求13的方法，其中排出惰性气体阻止回流到坩埚中。
19.制造浇铸硅的方法，包括：
将底部晶硅的籽晶层装载在坩埚的底部；
将晶硅的籽晶层装载在紧邻坩埚的至少一个侧壁的至少一个侧板上；
用盖子覆盖坩埚；
将液体硅导入坩埚中；
熔融一部分底部籽晶层和/或至少一个侧板籽晶层；
形成硅的固体主体；
通过盖子中的至少一个孔将惰性气体通入；
通过至少一个其他孔排出惰性气体；以及
冷却该固体主体。
20.权利要求19的方法，其中形成固体主体包括通过坩埚的底部表面排除热。
21.权利要求19的方法，其中形成固体主体包括通过坩埚的底部表面和至少一个侧壁排除热。
22.制造浇铸硅的方法，包括：
将晶硅的籽晶层与固态硅原料一起装载到具有盖子的坩埚中；
熔融硅原料以及形成硅的固体主体，同时维持籽晶层的一部分为固态，并在同时通过盖子或覆盖物中的至少一个孔通入惰性气体，并将惰性气体通过盖子或覆盖物中的至少一个其他孔排出；以及
冷却该固体主体。
23.制造浇铸硅的方法，包括：
将晶硅的籽晶层装载到坩埚中；
用盖子覆盖坩埚；
在坩埚中导入液体硅；
使一部分籽晶层熔融；
形成硅的固体主体，同时通过盖子中的至少一个孔通入惰性气体，并通过至少一个其他孔排出惰性气体；以及
冷却该固体主体。
24.制造浇铸硅的方法，包括
将晶硅的籽晶层装载到坩埚中；
用盖子覆盖坩埚；
在坩埚中导入过热的液体硅；
使一部分籽晶层熔融；
形成硅的固体主体；以及
冷却该固体主体。
25.权利要求24的方法，其中在将过热液体导入坩埚后，过量的热熔融了一薄层籽晶。
26.权利要求24的方法，其中过量的热包括大约1℃到大约100℃之间。
27.制造浇铸硅的方法，包括：
将液体硅导入坩埚中；
形成硅的固体主体；
将惰性气体通入坩埚中；
从坩埚排出惰性气体；以及
冷却该固体主体。
28.权利要求27的方法，还包括用盖子覆盖坩埚。
29.权利要求28的方法，其中通入惰性气体包括通过盖子或坩埚中的一个或多个孔通入惰性气体。
30.权利要求28的方法，其中排出惰性气体包括通过盖子或坩埚中的一个或多个孔排出惰性气体。
31.权利要求30的方法，其中用于排出惰性气体的孔包括成型的孔。
32.权利要求28的方法，其中通入和排出通过不同的孔进行。
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