CN102362016B - 晶种层和晶种层的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于铸造适合用于太阳能电池或太阳能模块的硅的晶种层和晶种层的制造方法。所述方法包括安置边缘对齐的瓦片以在适当的表面上形成接缝的步骤以及在所述接缝处接合所述瓦片以形成晶种层的步骤。所述接合步骤包括加热所述瓦片以熔化所述瓦片的至少一部分、使所述瓦片在至少一个接缝的两端与电极接触、使用非晶硅的等离子体沉积、施加光子以熔化所述瓦片的一部分和/或层沉积。本发明的晶种层包括宽度和长度为至少约500毫米的直线形状。

Description

晶种层和晶种层的制造方法
本申请要求于2009年1月30日提交的美国临时专利申请61/148,469的优先权权益，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及用于铸造适合用于太阳能电池或太阳能模块的硅的晶种层和晶种层的制造方法。
背景技术
准备用于制备硅铸造用的晶种材料的已知步骤使用了通过直拉(CZ)技术或浮区(FZ)技术生产的硅的单晶晶锭。CZ和FZ技术这两者都生产制造材料的圆的或圆形的晶锭。将圆的晶锭切削切割成正方形或长方形横截面，然后切片成晶种材料片。常规CZ和FZ技术生产制造高达几百毫米的晶锭，非常大的晶锭的直径为约300～450毫米。使晶锭成正方形和将晶种材料切片由300毫米直径晶锭得到了每边约210毫米的正方形。所得的晶种材料覆盖了用于定向凝固的坩埚底部的低于50％。
在未过多照料的情况下，松散邻接的晶种瓦片(tile)会倾向于既在熔合的晶种层中又在上面生长的锭料中形成高度缺陷的晶体区域。这些高度缺陷的区域生长且对于由所述材料制成的太阳能电池来说是有问题的，典型地导致较低太阳能电池效率。
需要并希望生产尺寸与用于定向凝固的较大坩埚相应的晶种层。需要并希望制造在正常处理期间不断裂和在几个铸造循环期间能够使用的单片晶种层。需要并希望以明显较大规模形成基本上无缺陷的晶种层。还需要并希望通过增加所生产的铸造硅的体积而降低铸造结晶硅每单位体积的成本。
发明内容
本发明描述了晶种层并涉及设计用于铸造适合用于太阳能电池或太阳能模块的硅的晶种层的制造方法。合意地期望地，所述方法制造了高纯度结晶结构，从而创造用于硅铸造工艺的强健的高质量晶种板。本发明可以包括尺寸与用于定向凝固的较大坩埚相应的晶种层的制造方法。本发明还可以包括在正常处理期间不断裂且在几个铸造循环期间能够使用的整体晶种层单片晶种层的制造方法。本发明还可以包括通过增加所制得生产的铸造硅的体积而降低铸造结晶硅每单位体积的成本的方法。本文中公开的技术的最佳应用将导致用于大面积引晶用的无缺陷或几乎无缺陷的晶种。
根据一个实施方案，本发明涉及一种晶种层的制造方法，所述晶种层用于铸造适合用于太阳能电池或太阳能模块的硅。所述方法包括安置边缘对齐的瓦片以在适当的表面上形成接缝的步骤以及在所述接缝处接合所述瓦片以形成晶种层的步骤。
接合步骤可以包括几个实施方案，诸如加热所述瓦片以熔化所述瓦片的至少一部分，或者使所述瓦片在至少一个接缝的两端与电极接触。接合步骤还可以包括非晶硅的等离子体淀积沉积，或者施加光子。接合步骤还可以包括诸如氧化的层淀积沉积、化学气相淀积沉积、液相溶液淀积沉积、等离子体增强的淀积沉积、分子束外延等。
按照第二实施方案，本发明包括通过本发明的任何方法或技术的步骤而生产的晶种层。
按照第三实施方案，本发明包括用于铸造适合用于太阳能电池或太阳能模块的硅的晶种层。所述晶种层包括宽度和长度为至少约500毫米的直线形状。
附图说明
并入到本说明书且构成本说明书的一部分的附图图解说明本发明的实施方案，且与说明书一起用来解释本发明的特征、优点和原理。
附图中：
图1示出根据一个实施方案为了制造晶种瓦片而切割的块；
图2示出根据一个实施方案晶种瓦片的矩阵；
图3示出根据一个实施方案的沉积方法；
图4示出根据一个实施方案的瓦片间隙；
图5示出根据一个实施方案的晶种层；
图6A示出根据一个实施方案的四角接缝接合；
图6B示出根据一个实施方案的交错的接缝接合；
图7A示出根据一个实施方案的瓦片的层状排列；
图7B示出根据一个实施方案的图7A的排列的顶视图；以及
图7C示出根据一个实施方案的由图7A的排列制成的晶种层。
具体实施方式
本发明描述了晶种层并涉及用于铸造适合用于太阳能电池或太阳能模块的硅的晶种层的制造方法。与已知的直拉或浮区技术相比，硅的定向凝固能够允许使用较大坩埚和较大规模制造。定向凝固可以包括使用晶种或晶种层来使晶体生长定向，诸如将晶种层放在坩埚或容器的一个或多个表面上。相应地，定向凝固能够受益于非常大的单晶晶种层的使用。晶种层能够是任何适当的尺寸，诸如至少约500平方毫米，至少约630平方毫米，至少约750平方毫米，至少约950平方毫米等。期望地，种晶能够多次重复用于几个批次，诸如通过从锭料底部切割晶种层和将晶种层放在用于下一批次的坩埚底部。
根据一个实施方案，晶种层能够由典型地使用直拉或浮区技术生长的较小单晶片组装。能够确定这些片的尺寸而成直线形状，进行蚀刻以去除损伤或杂质，并尽可能紧密地邻接以形成初始铸造用的晶种层。邻接可以可能包括在制备中诱发的表面粗糙度。在另一个实施方案，薄晶种层可以在顶部上与第二较厚的层邻接，其中上层晶种可以对齐但不邻接，在片之间有良好控制的间隙。研磨工艺可以有助于降低表面粗糙度并改进邻接紧密性。在第一次铸造时，晶种片之间的小间隙能够倾向于形成锯齿状的和/或有缺陷的边界。所述边界可以不可能利用未来的铸造改进。
而且，由疏松片制成的晶种层通常熔合至最大熔化深度，诸如贯穿晶种层深度约2毫米～约2厘米。晶种片原边缘的未熔合部分能够产生薄弱点或刻划线，其在随后正常处理过程中会倾向于使晶种层破裂。
根据一个实施方案，本发明可以包括用作铸锭中晶种层的单一、强健的硅片(或者单晶或者几何多晶)的制造方法。所述方法可以包括熔合通过直拉技术、浮区技术或其他适当的铸造方法生长的较小单晶硅片。所述方法中的第一步骤包括晶种制备或晶种瓦片制备。期望地，直拉晶锭或浮区晶锭能够切成正方形横截面，以便形成瓦片。为了使晶种间间距最小化，瓦片或片的面能够抛光或精细地研磨至高精度完成。
接合步骤或工艺能够呈现几种形式中的一种。第一接合选项可以包括熔化晶种层的部分。晶种瓦片能够小心地邻接以形成片之间的间距最小的单一的硅层，以形成接缝。晶种瓦片能够放置在适当的表面上，如诸如在熔融的硅石板上、在坩埚内、在熔融的硅石珠层顶部上、在熔融的硅石粉末层顶部、在硅晶种层上等。可选地，适当的表面可以包括施加至其上的释放涂层，如诸如氮化硅、碳化硅等。带有邻接的晶种瓦片的适当的表面可以放置在用于加热或烧制用的炉子或烘箱中。期望地，加热发生在氩环境或其他适当的惰性气氛中。硅瓦片能够加热至硅熔点(约1414℃)。期望地，至少晶种瓦片的顶部，以及潜在晶种瓦片底部熔化以熔合瓦片且形成晶种层。晶种层能够冷却或缓慢冷却，以便允许晶体生长。可选地，晶种层能够翻动或翻转。对翻动的晶种层可以重复加热工艺和冷却工艺。
第二接合选项可以包括直接电熔化。晶种瓦片能够紧密地邻接以形成接缝。高电流电极(优选带有高度掺杂的硅端部)能够附着至接缝两端并在接缝的任一侧接触两片硅瓦片。电流能够沿着接缝穿过电极和硅瓦片，诸如直到一部分接缝熔化。期望地，硅的传导性随着温度增加，所以熔化区沿着电流通道狭窄地集中。可选地，瓦片能够放置在氩环境中或在另一种适当的惰性或受控的气氛中。电流能够停止，且另一条接缝以相同的方式熔合，直到全部接缝都完成。直接电熔化可以将晶种瓦片焊接或熔合在一起，而不熔化整个晶种层。晶种层能够冷却或缓慢冷却，以便允许受控的晶体生长和/或无缺陷的冷却。
第三接合选项可以包括非晶硅沉积。晶种材料块的面在切成瓦片或片之前可以沉积有非晶硅。瓦片能够紧密地邻接以形成接缝。可选地，在将晶种瓦片切割和/或放在一起后，所述方法可以包括非晶硅的保形的等离子体沉积。能够施加轻微的和/或适当的压力以提供不同的瓦片或片之间的接触。整个晶种层能够加热至约550℃～约600℃的温度，以将非晶层熔合在一起并使非晶层结晶，如诸如通过固相外延。另外的热处理步骤可以牵涉较高温度退火或提供热处理，以便去除界面处的氧。晶种层能够冷却或缓慢冷却，以便防止或减少应力诱发的缺陷的形成。应力诱发的缺陷可以包括位错和/或滑移线。
第四接合选项可以包括通过施加光子而熔化。晶种瓦片或片能够邻接在一起以形成接缝。晶种瓦片可以在所述接缝处熔合在一起，诸如通过激光熔化，瞄准的(局部)闪光灯熔化等。如果必要的话，晶种层能够冷却或缓慢冷却，以便防止应力诱发的缺陷的形成。
第五接合选项可以包括外延沉积。晶种瓦片或片能够邻接在一起以形成接缝。在高温(约800℃～约900℃)下硅的外延沉积能够用以将晶种瓦片接缝熔合在一起。可选地，高压等离子体辅助沉积能够用以增加沉积的保形性或一致性。晶种层能够冷却或缓慢冷却，以便防止应力诱发的缺陷的形成。
根据一个实施方案，本发明可以包括用于将分离的硅或其他半导体材料的瓦片或片熔合成诸如用于晶体生长的晶种层的单一片的各种方法。本发明的范围可以包括瞄准的熔化和材料沉积方法用来将硅片熔合在一起的用途。
图1示出根据一个实施方案的用于晶种瓦片12的块14。块14可以切成晶种瓦片12。晶种瓦片12包括边缘16且可以包括直线形状62。可以将边缘16抛光、锥形化、和/或沉积有非晶硅。
图2示出根据一个实施方案的用来形成晶种层10的晶种瓦片12的矩阵26。瓦片12包括能够邻接或放置在一起以形成接缝18的边缘16。晶种层10包括顶部22和底部24。瓦片12可以通过电极28在接缝18处结合或熔合。电极28往下、跨越和/或沿着接缝18传递电流30。电极28可以包括静止电极32和诸如沿着附近的箭头所示的方向的移动电极34。在替选的实施方案中，瓦片12可以通过光子44在所述接缝18处结合或熔合。光子44可以由激光器46或闪光灯48施加。
图3示出根据一个实施方案的沉积工艺36。晶种层10包括具有形成接缝18的边缘16的瓦片12。沉积工艺36可以包括诸如用于化学气相沉积的云状物38。
图4示出根据一个实施方案的瓦片间隙42。瓦片12可以包括锥形化40以形成间隙42。
图5示出根据一个实施方案的晶种层10。晶种层10或瓦片12可以放置在适当的表面20上。晶种层可以包括与薄瓦片52交替的厚瓦片50。可选地和/或在替选的实施方案中，晶种层10可以包括具有诸如交替的第一晶体取向58和第二晶体取向60的瓦片12。
图6A示出根据一个实施方案的四角接缝接合54。瓦片12可以形成四角接缝接合54，其中全部四个瓦片12具有在单一点处连接的角落。
图6B示出根据一个实施方案的交错的接缝接合56。瓦片12可以形成交错的接缝接合56，其中两个瓦片12形成第一点，其他两个瓦片12形成第二点。具有超过两个点的接合在本发明的范围内。
图7A示出根据一个实施方案的瓦片的分层排列的侧截面图。排列包括薄块64底部，较厚的块66放置在薄块64顶部上以形成偏移的接缝66(每层的间隙未对齐)。一件给料70诸如多晶硅能够在加工或加热成晶种层之前，放置在所述排列顶部上。期望地，薄块64能够为材料提供表面和/或结晶图案以填充在偏移的接缝68中。图7B示出根据一个实施方案的图7A的排列的顶视图。所述排列包括薄块64、厚块66、偏移的接缝68和给料70。
图7C示出根据一个实施方案由图7A的排列制成的晶种层10。晶种层10能够在加工熔融的给料70(未示出)后形成，以填充偏移的接缝68的间隙，且形成低缺陷单晶。晶种层10能够翻动或翻转以第一次或初始用作晶种，诸如其中薄块64可以与用于晶锭料的材料一起熔化。
此外，尽管本文中描述了晶种硅层，但是可以准备制备其他半导体材料和非金属晶体材料，而不脱离本发明的范围和精神构思。例如，发明人预期其他材料的晶种层复合与本发明的实施方案一致，诸如锗、砷化镓、硅锗、氧化铝(包括其蓝宝石的单晶形式)、氮化镓、氧化锌、硫化锌、砷化镓铟、锑化铟、锗、钇钡氧化物、镧系氧化物、氧化镁、氧化钙，和其他半导体、氧化物和具有液相的金属间化合物。另外，按照本发明实施方案，能够制备许多其他III-V族或II-VI族材料，以及金属和合金。
晶种层可以包括非晶硅、多晶硅、近多晶硅、几何多晶硅和/或单晶硅。多晶硅指的是具有约厘米级晶粒尺寸分布的结晶硅，许多个随机取向的晶体位于多晶硅体内。
几何多晶硅或几何有序多晶硅指的是具有非随机有序的厘米级晶粒尺寸分布的结晶硅，多个有序的晶体位于多晶硅体内。几何多晶硅可以包括典型地尺寸平均为约0.5厘米～约5厘米的晶粒，且几何多晶硅体内的晶粒取向能够按照预定取向，诸如使用适当的晶种的组合进行控制。
多晶硅指的是具有微米～毫米级晶粒尺寸且多个晶粒取向位于给定结晶硅体内的结晶硅。多晶硅可以包括典型地具有约亚微米～约微米尺寸平均数(例如，单个晶粒对于肉眼是不可见的)和到处随机分布的晶粒取向的晶粒。
单晶硅指的是晶界极少的结晶硅，因为所述材料具有通常和/或基本上相同的晶体取向。单晶材料可以利用诸如一块晶体材料的一个或多个晶种形成，在凝固期间使所述晶体材料与液体硅接触以开始晶体生长。近单晶硅指的是晶界多于单晶硅但是通常基本上少于多晶硅的一般结晶硅。
根据一个实施方案，本发明可以包括一种晶种层的制造方法，所述晶种层用于铸造适合用于太阳能电池或太阳能模块的硅。所述方法可以包括安置边缘对齐的瓦片以在适当的表面上形成接缝的步骤以及在所述接缝处接合所述瓦片以形成晶种层的步骤。
铸造硅广义上指的是熔化和凝固给料的至少一部分的任何适当的方法。铸造可以包括晶体生长和/或取向成上述材料的一种以上一种或多种。可选地，铸造可以包括精炼或提纯步骤。
晶种层广义上指的是适合用于铸造方法以便使晶体生长定向的物体或材料片。晶种层可以放置在任何适当的位置，诸如在坩埚底部、坩埚侧面、从上面接触熔融表面等。晶种层可以包括任何适当的尺寸和/或形状。期望地，晶种层可以至少基本上覆盖或填充它所放置的表面。在替选的实施方案中，晶种层仅覆盖它所放置的表面的适当部分，诸如至少约20％、至少约40％、至少约60％、至少约80％等。
晶种层可以包括至少约300厘米、至少约400厘米、至少约500厘米、至少约600厘米、至少约700厘米、至少约750厘米、至少约800厘米、至少约900厘米、至少约1000厘米、至少约1200厘米等的宽度、长度或半径。
晶种层可以包括任何适当的厚度，诸如约1毫米～约100毫米、约2毫米～约50毫米、约10毫米等。
晶种层可以包括任何适当的形状诸如圆形、三角形、长方形、正方形、五边形、六边形、八边形、多边形、直线形状、拱形形状、对称形状、不规则形状等。期望地，晶种层与为了铸造而将它放入或倚靠放置的形状或表面对应。
安置广义上指的是放置、定位、铺设、排列等。瓦片广义上指的是适当的晶种材料块或部件。瓦片可以具有任何适当的尺寸和/或形状。不同的瓦片可以具有相同或不同的组成和/或晶体取向。不同的瓦片尺寸和/或形状的组合是可以的，以便使接缝或接头交错。根据一个实施方案，对于给定表面积来说，瓦片尺寸和/或形状的排列旨在使瓦片之间的接缝或接头的长度最小化。晶种瓦片可以包括任何适当的形状诸如圆形、三角形、长方形、正方形、五边形、六边形、八边形、多边形、直线形状、拱形形状、对称形状、不规则形状等。
安置瓦片可以形成矩阵或阵列。矩阵可以包括任何适当数量的行和/或栏，诸如2乘2、3乘3、4乘4、5乘5、6乘6、7乘7、8乘8、9乘9、10乘10、15乘15、20乘20、50乘50、100乘100等。长方形和正方形矩阵在本发明的范围内。具有相同或不同的晶体取向的瓦片的组合在本发明的范围内，以便在优选取向的中央部分周围形成不同的晶体取向的环或板(boarder)。棋盘状瓦片排列属于本发明的范围，以便产生规则出现的晶界。用于水平安装的晶种层可以由通常与用于竖直安装的晶种层的瓦片相垂直切片的瓦片制成。
期望地，安置使一个或多个瓦片之间的间隙或空间最小化。对齐或邻接的边缘可以形成接缝。接缝广义上指的是邻近瓦片或边缘之间的空间，诸如线、细长的面、凹槽和/或边缘邻接所形成的脊。
适当的表面广义上指的是用于制备晶种层装置的至少通常平面的外部部分。适当的表面通常可以是水平的和/或以任何其他适当的角度布置。期望地，外部表面包括至少相对平滑和平坦的完成。适当的表面可以包括任何适当的材料，诸如硅石、熔融硅石、碳-碳复合物、陶瓷、氧化铝等。适当的表面可以包括任何适当的形式，形式诸如熔融的硅石板在坩埚内部、在熔融的硅石珠层顶部上、在熔融的硅石粉末层顶部上等。可选地，适当的表面可以包括施加至其上的释放涂层，诸如氮化硅、碳化硅等。
接合广义上指的是任何适当的两个或更多片或瓦片结合、熔合、焊接、烧结、紧固等的工艺或步骤。接合可以以机械原理、化学原理、材料科学原理、热力学原理等为基础。期望地，接合熔合接缝以形成连续的晶种层。接合可以致使接缝不再可见或可探测。接合可以致使各个瓦片在单一晶种层和/或单片晶种层中。接合可以生产具有强度和/或机械完整性的晶种层，好像它被铸造为单一的片一样。接合可以导致在铸造期间能够处理而不在正常使用期间断裂的晶种层。接合可以导致能够在许多铸造循环或批次中重复利用的晶种层。
根据一个实施方案，所述接合步骤可以包括加热所述瓦片以熔化所述瓦片的至少一部分并封闭接缝的步骤以及冷却所述晶种层的步骤。加热所述瓦片可以通过任何适当的方式进行，诸如放入炉子，放入烘箱，使用电阻加热器，使用感应加热器，使用微波，使用红外线能量，使用紫外线能量，使用其他辐射源，使用其他射频源，使用热空气，使用其他对流源，使用直接接触，使用其他传导源，使用等离子火炬，使用其他火焰源等。在接缝位置处集中或瞄准的加热在本发明的范围内，以便减少瓦片剩余物的熔化，在替选的实施方案中，加热可以包括全部瓦片和/或整个晶种层。
熔化广义上指的是将物质的内能或温度提高至所述物质的熔点以上。硅的熔点为1414℃。熔化可以包括任何适当的量，诸如至少约10％瓦片深度、至少约20％瓦片深度、至少约30％瓦片深度、至少约40％瓦片深度、至少约50％瓦片深度、至少约60％瓦片深度、至少约70％瓦片深度、至少约80％瓦片深度、至少约90％瓦片深度等。
封闭广义上指的是去除如上所述的接合点或接合。期望地，封闭的接缝不再可探测，诸如在钠蚀刻后用目视检查，或者通过肉眼或通过显微镜。
冷却广义上指的是去除和/或降低材料的内能和/或温度。冷却可以包括任何足够的温度，诸如低于瓦片的熔点和/或至周围环境或室内条件。冷却对于热沉来说可以是主动的和/或通过辐射至周围的环境可以是被动的。在替选的实施方案中，冷却可以处于控制的速率下，诸如利用加热器调节。
冷却所述晶种层可以处于适当的速率，以便允许晶体生长和/或减少晶种层上的热应力。冷却可以是处于每小时约25℃、每小时约50℃、每小时约75℃、每小时约100℃、每小时约200℃等。冷却可以包括在不同温度范围内的不同速率，诸如对于高于约800℃的全部温度为每小时100℃、对于低于约800℃的全部温度为每小时200度。
根据一个实施方案，所述方法可以进一步包括跟随冷却所述晶种层的步骤之后，相对于顶面和底面再安置、翻动或翻转晶种层的步骤。将晶种层翻转过来可以允许或提供由于熔化接缝前面的底部并进一步加强晶种层。所述方法还可以包括再加热所述晶种层以熔化所述晶种层至少先前未熔化的部分并封闭接缝的步骤以及再冷却所述晶种层的步骤。
再加热的步骤包括上面关于初始加热讨论的所有特性和特征。期望地，晶种层未熔化的部分包括晶种层在第一次加热中未熔化的至少一部分剩余厚度。熔化步骤(加热和再加热)可以重叠，以便保证接缝的接合和/或层内空隙的消除。再冷却步骤包括上面关于初始冷却讨论的所有特性和特征。第一次冷却可以用来凝固晶种层，然后在仍然热的同时，将它翻转过来。第二次冷却可以用来凝固晶种层并将其冷却至环境条件。
根据一个实施方案，所述接合步骤可以包括使所述瓦片在至少一个接缝的两端与电极接触的步骤以及使电流流动经过所述电极之间的所述瓦片以熔化所述瓦片的至少一部分并封闭接缝的步骤。所述方法可以进一步包括可选地对于所述层中的每条接缝重复所述接触和使电流流动的步骤以及冷却所述晶种层的步骤。晶种层能够冷却或缓慢冷却以便允许晶体生长。
接触广义上指的是触摸或足够接近，以允许电在物体之间流动。电极(一个阳极和一个阴极)广义上指的是将电流供应至瓦片和/或晶种层的装置。电流可以包括直流电流和/或交流电流。电流可以包括任何适当的电压、安培数、功率、和/或频率。电极可以包括任何适当的形状诸如通常形状为圆柱形。一个或多个电极可以是可消耗的，诸如按照焊棒的方式。在替选的实施方案中，电极可以具有适当的耐久性物质。根据一个实施方案，电极可以包括高度掺杂的硅。
电极可以位于任何适当的位置，诸如纵向上在接缝的每一端。在替选的实施方案中，电极可以相对于接缝横向安置。两个电极皆可以在使电流流动的步骤期间保持静止(固定的位置)。在替选的实施方案中，至少一个电极可以在电流的流动步骤期间相对于瓦片移动。
根据一个实施方案，所述接合步骤可以包括非晶硅的沉积以封闭接缝。非晶广义上指的是没有通常的结晶结构。在从块、瓦片、晶锭等切片之前，非晶硅能够施加至晶种瓦片。非晶硅可以涂布或覆盖瓦片边缘或侧面，通常不是瓦片顶部或底部。块可以切片成瓦片，诸如利用锯。在替选的实施方案中，非晶硅可以沉积在瓦片上，使得顶部和/或底部上的过量可以被层去除，诸如利用等离子体蚀刻等。
非晶硅可以按照诸如保形的等离子体沉积等的任何适当的方式来施加或添加。瓦片然后能够排列或对齐，以形成诸如上所述的接缝。诸如利用压力，瓦片可以压缩或挤压在一起以使非晶硅涂层紧密接触。
所述方法可以进一步包括在诸如约150℃～约1000℃、约500℃～约750℃、约550℃～约600℃等的适度提高的温度处的加热步骤。加热持续时间可以是任何适当的长度，诸如几分钟与24小时之间。加热可以将非晶硅变换成结晶硅，诸如通过固相外延。非晶硅可以在低于硅熔点的温度处变成晶体，诸如经由与晶种瓦片和/或晶种层的结晶部分接触。晶种层能够冷却或缓慢冷却以便允许晶体生长。在非晶硅涂层未桥接两个瓦片的情况下，加热步骤可以激励瓦片层之间原子级别的结合。例如，如果需要的话，通过使用涉及高度清洁的表面的标准晶片结合方法、适当的退火循环(与上述的退火相似)和施加压力。结合不需要贯穿整个表面完全起作用。
可选地，晶种层可以经历高温退火或热处理，诸如在固相外延和/或冷却步骤后。跟随适当的冷却之后，高温退火可以包括任何适当的温度和/或持续时间。温度可以包括至少约800℃、至少约1000℃、至少约1200℃、至少约1400℃等。晶种层能够冷却或缓慢冷却以便允许晶体生长。可替选地，在表面的闪光灯或激光退火后，样品或其某部分可以以极快的冷却速率淬火。冷却速率可以包括任何适当的值，诸如至少约300度开尔文每秒、至少约500度开尔文每秒、至少约700度开尔文每秒等。
所述方法还可以包括使瓦片的一个或多个面锥形化的步骤。当将瓦片相互放置或邻接时，锥形化的面通常可以形成V-形状间隙。锥形化可以对整个块进行，诸如在将瓦片切片之前。在替选的实施方案中，锥形化可以对单个瓦片进行。锥形化可以包括从竖直的任何适当的角度，诸如约0.1度、约0.5度、约1度、约2度、约3度、约4度、约5度、约10度、约15度、约20度等。间隙可以是任何适当的距离，诸如在最宽处约0.01毫米、在最宽处约0.05毫米、在最宽处约0.1毫米、在最宽处约0.5毫米、在最宽处约1毫米、在最宽处约1.5毫米、在最宽处约2.0毫米、在最宽处约3.0毫米等。
在替选的实施方案中，锥形化的瓦片可以相对于彼此放置有一个向上的瓦片和一个向下的瓦片，以便形成没有间隙且处于适当的角度的接缝。成角度的接缝可以包括任何适当的角度，诸如约1度、约2度、约3度、约5度、约10度、约20度、约40度、约60度等。
根据一个实施方案，所述接合步骤可以包括施加光子以封闭接缝的步骤。光子可以包括任何适当的波长、振幅、强度、源等。光子可以采用任何适当的方式施加，诸如在接缝处和/或附近通过硅或瓦片的激光焊接或闪光灯熔化。激光焊接广义上指的是，通过射线的受激发射，由光放大产生的相干光的施加。激光焊接可以是专注而精确的，以便封闭接缝。闪光灯熔化或退火可以包括施加光子，诸如施加至晶种瓦片的选择或瞄准区域。激光器和/或闪光灯可以沿着接缝的长度或向下移动或行进，诸如在光子施加期间。在替选的实施方案中，激光器和/或闪光灯可以基本上同时熔化或熔合接缝整个长度。
晶种层可以翻动或翻转以便允许将光子施加至晶种层的底部或相反侧。如上所述，所施加的光子可以熔化瓦片深度任何适当的部分。
在惰性气氛中的同时，本文中公开的任意和/或全部步骤可以完成或实现，以便防止材料损失、晶种层污染等。适当的惰性气氛可以包括真空、氩气、氮气、氦气、氙气等。在替选的实施方案中，在空气、氧气、其他适当的氧化环境等中的同时，所述方法的一个或多个步骤可以完成或实现。
本文中公开的任意和/或全部步骤可以包括冷却、凝固、和/或结晶，诸如下面的一个或多个步骤，将所述瓦片的一部分熔化或熔合到晶种层中。
在制造后，晶种层可以按照任何适当的方式修剪或成形，以便摆正晶种层待用。多于一个晶种层可以层叠在另一个晶种层的顶部上，以便增加厚度。就层或阶层而言，可以应用本文中描述的任何接合瓦片的方法。期望地，所述层可以偏移或交错，以便使重叠的接缝最小化并增加强度。期望地，但未必，全部层能够具有彼此相同的晶体结构或取向。
根据一个实施方案，所述接合步骤可以包括层沉积以封闭接缝的步骤。层沉积可以包括任何适当的方法或技术诸如氧化、化学气相沉积、液相溶液沉积、等离子体增强的沉积、分子束外延等。
本文中公开的接合步骤或方法的任意组合在本发明的范围内。所组合的接合技术可以同时和/或顺序采用。
根据一个实施方案，层沉积可以包括在诸如约500℃～约1400℃、约700℃～约1100℃等的适当的温度处的外延沉积。外延广义上指的是在追随和/或模仿衬底取向的晶体物质的结晶衬底上的生长。
如上所述，所述方法可以包括锥形化瓦片的一个或多个面。就具有一个或多个抛光面的瓦片而言，本文中公开的任意和/或全部步骤可以完成或实现。可选地，本文中描述的任何和/或全部方法可以进一步包括抛光瓦片的一个或多个面的步骤。良好抛光的面是通常所希望的，以在消除源自锯开工艺的有害损伤和/或污染的同时，使表面粗糙度最小化并改进匹配的瓦片表面的紧密性。
瓦片可以包括任何适当的形式或晶体取向，诸如非晶硅、多晶硅、近多晶硅、几何多晶硅、单晶硅等。瓦片可以排列或对齐而具有一致的结晶取向。在替选的实施方案中，瓦片可以排列或对齐而具有不同的晶体取向以便形成接缝，所述接缝导致任何适当的特定的晶界。根据一个实施方案，特定的晶界可以包括低能量晶界，诸如∑3晶界、∑5晶界、∑9晶界、随机高角度晶界(没有特点取向关系)等。
晶种层可以包括任何适当的形式或晶体取向，诸如非晶硅、多晶硅、近多晶硅、几何多晶硅、单晶硅等。晶种层可以排列或对齐而具有一致的结晶取向。在替选的实施方案中，晶种层可以排列或对齐而具有不同的晶体取向以便形成接缝，所述接缝导致特定的晶界。
在另一个熔化实施方案中，薄瓦片层可以紧密地邻接在适当的表面上。薄瓦片可以包括任何适当的厚度，诸如约1毫米厚～约5毫米厚之间、约2毫米厚～约4毫米厚之间、约2毫米厚等。尽管底层能够是任意厚的，但是过度的厚度不是所希望的，这是因为它是会在第一次使用时熔化掉的牺牲层。第二薄瓦片层和/或较厚的瓦片能够放置在第一层顶部上，诸如在每块瓦片有间隙，且上层相对于底层有轻微的横向偏移。较厚的瓦片可以包括任何适当的厚度，诸如约1.0毫米厚～约50毫米之间、约5毫米厚～约30毫米厚之间、约20毫米厚等。间隙可以是任何适当的尺寸，诸如约0.1毫米～约5毫米之间、约1毫米和约3毫米之间、约2毫米等。而且，第二层也可以是任意厚度，但是在本文中公开了最好的目标，既不是太薄致使所述方法难以控制，也不是太厚致使浪费单晶硅且降低来自一次铸造的总生产能力的太厚。
期望地，下面的接缝未与上面的接缝排成行。然后通过几种方法中的一种能够将液体硅引入到间隙中。可以在别处熔化固体硅并将其倒入间隙中，可以将固体给料片放置在上面晶种层上并熔化，可以将所述厚瓦片的薄的上面部分熔化并使其流入间隙中等。不管是什么方法，然后通过经由下面的瓦片层提取热以凝固组件，能够将组件冷却。在凝固后，熔合的晶种层可以冷却下来。为了它在铸造中作为晶种层首次使用，可以修剪熔合的晶种，且还可以翻动晶种层，使得薄瓦片在下一个循环中熔化掉。优选地，在将对杂质的暴露最小化的同时，在控制的惰性气氛中实现这些熔化技术。
根据一个实施方案，瓦片的排列可以包括不同的高度，诸如厚瓦片和薄瓦片。可以安置厚瓦片层，使得恒定宽度的间隙分离每块瓦片，同时薄瓦片层可以邻近所述厚层紧密堆积地安置。厚瓦片对薄瓦片的高度可以包括任何适当的比率，诸如至少约1.2∶1、至少约1.5∶1、至少约1.75∶1、至少约2∶1、至少约4∶1等。
根据一个实施方案，在完全邻接的同时，瓦片排列可以包括其中瓦片交替的行能够相互稍微偏移，以便防止四角接缝接合的形成。
根据一个实施方案，本发明可以包括通过本文中描述的任意和/或全部方法和步骤制得的晶种层，所述步骤诸如安置边缘对齐的瓦片以在适当的表面上形成接缝的步骤以及在所述接缝处接合所述瓦片以形成晶种层的步骤。
根据一个实施方案，晶种层可以包括宽度和/或长度为至少500毫米的直线形状。晶种层可以包括单晶硅和/或任何其他适当的材料。
根据一个实施方案，本发明可以包括用于铸造适合用于太阳能电池或太阳能模块的硅的晶种层。所述晶种层可以包括宽度和长度为至少约500毫米的直线形状。晶种层可以包括单晶硅和/或任何其他适当的材料。在替选的实施方案中，晶种层可以包括长度和宽度为约600毫米～约1000毫米的尺寸。晶种层可以包括约2毫米～约50毫米的厚度。
本文中使用的术语“具有”、“包含”和“包括”是开放和包容性的表述。交替地，术语“组成”是封闭和独占性的表述。如果在解释权利要求书或说明书中的任何术语中存在任何模棱两可的话，撰写者的意图是朝向开放和包容性的表述。
关于方法或工艺中的步骤重复的顺序、数量、序列和/或限制，撰写者并不意图赋予本发明的范围以暗指的步骤重复的顺序、数量、序列和/或限制，除非有明确规定。
对于本领域的技术人员来说显而易见，能够在所公开的结构和方法方面做出各种修改和变化，而不脱离本发明的范围或精神。特别地，任一实施方案的描述能够自由地与其他实施方案的描述组合，从而得到两个或更多部件或限制的组合和/或变化。考虑到本文中公开的本发明的说明书和实施，对于本领域的技术人员来说，本发明的其他实施方案应当是显而易见的。意图是，说明书应当认为仅是示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求书示出。

Claims (34)

1.一种用于制造硅晶种层的方法，所述硅晶种层适合用于太阳能电池或太阳能模块的制造，所述方法包括：
安置边缘对齐的瓦片，以在适当的表面上形成接缝；以及
在所述接缝处接合所述瓦片，以形成晶种层；
其中，所述接合包括：
加热所述瓦片，以熔化所述瓦片的至少一部分，并封闭所述接缝；以及
冷却所述晶种层。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在冷却所述晶种层之后，相对于顶侧和底侧重新安置所述晶种层；
重新加热所述晶种层，以至少熔化所述晶种层的、先前未熔化的部分，并封闭所述接缝；以及
重新冷却所述晶种层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述冷却包括每小时100℃。
4.一种用于制造硅晶种层的方法，所述硅晶种层适合用于太阳能电池或太阳能模块的制造，所述方法包括：
安置边缘对齐的瓦片，以在适当的表面上形成接缝；以及
在所述接缝处接合所述瓦片，以形成晶种层；
其中，所述接合包括：
使所述瓦片在至少一个接缝的两端与电极接触；
使电流流动经过所述电极之间的瓦片，以熔化所述瓦片的至少一部分并封闭所述接缝；
对于所述层中的每条接缝，选择性地重复所述接触和所述流动；以及
冷却所述晶种层。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述电流的流动期间，所述电极相对于所述瓦片保持静止。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述电流的流动期间，至少一个电极相对于所述瓦片移动。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述电极包括高度掺杂的硅。
8.一种用于制造硅晶种层的方法，所述硅晶种层适合用于太阳能电池或太阳能模块的制造，所述方法包括：
安置边缘对齐的瓦片，以在适当的表面上形成接缝；以及
在所述接缝处接合所述瓦片，以形成晶种层；
其中，所述接合包括非晶硅的等离子体沉积，以封闭所述接缝。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述非晶硅的沉积包括保形的等离子体沉积。
10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括将所述晶种层加热至500℃～750℃。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述加热将所述非晶硅变换成结晶硅。
12.根据权利要求8所述的方法，进一步包括高温退火或热处理。
13.根据权利要求8所述的方法，进一步包括使所述瓦片的一侧或多侧锥形化。
14.一种用于制造硅晶种层的方法，所述硅晶种层适合用于太阳能电池或太阳能模块的制造，所述方法包括：
安置边缘对齐的瓦片，以在适当的表面上形成接缝；以及
在所述接缝处接合所述瓦片，以形成晶种层；
其中，所述接合包括施加光子，以封闭所述接缝。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述施加光子包括在所述接缝处对所述硅进行激光焊接或闪光灯熔化。
16.一种用于制造硅晶种层的方法，所述硅晶种层适合用于太阳能电池或太阳能模块的制造，所述方法包括：
安置边缘对齐的瓦片，以在适当的表面上形成接缝；以及
在所述接缝处接合所述瓦片，以形成晶种层；
其中，所述接合包括层沉积，以封闭所述接缝。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述层沉积包括氧化、化学气相沉积、液相溶液沉积、等离子体增强沉积、分子束外延或其组合。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述层沉积包括700℃～1100℃之间温度的外延沉积。
19.根据权利要求16所述的方法，进一步包括使所述瓦片的一侧或多侧锥形化。
20.根据权利要求1、4、8、14或16中的任一项所述的方法，进一步包括抛光所述瓦片的一侧或多侧。
21.根据权利要求1、4、8、14或16中的任一项所述的方法，其中，安置厚瓦片层，并以恒定宽度的间隙分离每块瓦片，同时邻近所述厚层紧密堆积地安置薄瓦片层。
22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括：
引入熔融硅，以填充所述间隙，以及
通过所述薄瓦片层来冷却所述晶种层。
23.根据权利要求1、4、8、14或16中的任一项所述的方法，其中，在完全邻接的同时，所述瓦片的交替行相互稍微偏移，以防止形成四角接缝接合。
24.根据权利要求1、4、8、14或16中的任一项所述的方法，其中，所述瓦片包括单晶材料。
25.根据权利要求1、4、8、14或16中的任一项所述的方法，其中，所述瓦片被排列为具有一致的结晶取向。
26.根据权利要求1、4、8、14或16中的任一项所述的方法，其中，所述瓦片被排列为具有不同的晶体取向，且形成导致特定晶界的接缝。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述特定晶界包括稳定的低能量晶界。
28.一种通过权利要求1、4、8、14或16中的任一项所述的方法制得的晶种层。
29.根据权利要求28所述的晶种层，其中，所述晶种层包括宽度和长度为至少500毫米的直线形状。
30.根据权利要求29所述的晶种层，其中，所述晶种层包括单晶硅。
31.一种通过权利要求1至27中的任一项所述的方法制得的晶种层，用于铸造适用于制造太阳能电池或太阳能模块的硅，所述晶种层包括宽度和长度为至少500毫米的直线形状。
32.根据权利要求31所述的晶种层，其中，所述晶种层包括单晶硅。
33.根据权利要求31所述的晶种层，其中，所述晶种层的长度和宽度在600毫米～1000毫米之间。
34.根据权利要求31所述的晶种层，其中，所述晶种层的厚度在2毫米～50毫米之间。
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