CN103205798B - 一种以铸硅实体为材料的太阳能电池制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了铸硅制造方法和以铸硅实体为材料的太阳能电池制造方法。该铸硅制造方法包括在至少一个表面上放置与包含单晶硅的至少一个硅籽晶接触的硅原料；将硅原料和所述至少一个硅籽晶加热到硅的熔融温度；在熔融处理的过程中利用能量积分的方式进行精确控制，以获得更理想的铸造单晶硅。

Description

一种以铸硅实体为材料的太阳能电池制造方法

技术领域

本发明一般涉及光电领域，涉及光电应用的铸硅的制造方法。本发明还涉及新形式的铸硅，其可用于制造诸如光电池以及其它半导体器件的器件。该新型硅可以具有单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。光电池最重要的标准之一就是将光能转换电能的效率。虽然可以由多种半导体材料制作光电池，但硅是普遍使用的，因为它易于获得，成本合理，而且也因为它在制作光电池的电气、物理及化学性质方面具有适当的平衡。

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，熔融硅容纳在诸如石英坩埚的坩埚中，并通过控制的方式冷却，从而容许容纳在其中的硅结晶。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，用锯切或其他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，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(kinks)”倾向于以簇或位错形式成为结构缺陷的核。据信，是这些位错和它们倾向于吸引的杂质引起了由常规的多晶硅制成的运行的光电池中的电荷载流子的快速复合。这可以造成电池效率的降低。即使考虑到由已知的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光电池相比，由这种多晶硅制成的光电池一般仍具有较低的效率。然而，由于制造常规的多晶硅相对简单且成本降低，以及电池加工中的有效的缺陷钝化，因而多晶硅是用于制造光电池的硅的更广泛使用的形式。

以前的一些铸造技术涉及将“冷壁”坩埚用于晶体生长。术语“冷壁”指的是这样的情况，即，存在与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。坩埚壁的材料并非特别热绝缘的，因此可以与冷却线圈保持热平衡。因此硅的加热不以来自坩埚壁的辐射为基础，因为坩埚中硅的感应加热意味着硅被在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，这些坩埚的冷壁起到散热器的作用。向冷壁的散热决定了锭的快速冷却。因此，初始固化的前沿迅速变得相当弯曲，在锭的侧部出现晶体成核现象，并沿对角向着锭的中心成长，干扰了任何保持垂直和几何规整的引晶过程(seedingprocess)或基本上平的固化前沿的企图。

请参考BP公司已公开专利CN101370970，公开日2009年2月18日，发明名称为“制造单晶铸硅的方法和装置以及用于光电领域的单晶铸硅实体”，其中一些实施例，具体如此公开专利CN101370970权利要求11和/或权利要求15所主张的技术方案：需要用温度装置，以在坩埚中的别处达到硅的熔融温度后，在坩埚的外表面上测量ΔT的方式，此种在坩埚的外表面上ΔT的方式测量精确度不够，铸造出的单晶铸硅有时不太理想；且在铸硅过程中要借助于插入浸量尺或石英尺测量来得知硅籽晶已熔融部，会有损籽晶的完整性和/或引入杂质造成不良品等问题。故，本发明针对BP公司的已公开专利CN101370970铸硅制造技术做改进。

鉴于此，有必要对现有的铸硅制造方法进行改进。故，本发明就提供制造单晶铸硅的方法和装置以及用于光电领域的单晶铸硅实体。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种以铸硅实体为材料的太阳能电池制造方法，其以能量积分为控制手段，更能对铸造单晶硅进行精确地过程控制，以此铸造出更为理想的单晶硅及其太阳能电池。

实现本发明上述目的，其中一种实施方案铸硅制造方法包括：在至少一个表面上放置与包含单晶硅的至少一个硅籽晶接触的硅原料；将硅原料和所述至少一个硅籽晶加热到硅的熔融温度；控制所述加热，使所述至少一个硅籽晶不完全熔融，所述控制包括在熔融过程开始之前确定熔融所需的能量需求；在熔融处理的过程中，积分器借助于电阻加热器输入到坩埚内的加热功率并将其积分确定为能量输入，直至相应的确定时间或测量时间；比较器将所述被确定的积分与之前确定的能量需求进行比较；以及，一旦积分或能量输入确定所述至少一个硅籽晶部分熔融，通过冷却硅来形成包含单晶硅的固体实体。

实现本发明上述目的，其中一种实施方案太阳能电池制造方法包括：提供根据前述其中一种实施方案铸硅制造方式形成的铸造实体；由所述实体形成至少一个晶片；任选在所述晶片表面上实施清洗步骤；任选在所述表面上实施纹饰步骤；形成p-n结；任选在所述表面上沉积抗反射涂层；任选形成选自背面电场和背面钝化层的至少一层；以及在所述晶片上形成导电触点。

实现本发明上述目的，其中另一种实施方案的铸硅制造方法包括：在坩埚的至少一个表面上放置包含单晶硅的几何排列的许多硅籽晶，其中所述几何排列包括紧密堆积的多边形；放置与所述至少一个表面上的所述许多硅籽晶接触的硅原料；将硅原料和所述许多硅籽晶加热到硅的熔融温度；控制所述加热，使得所述许多硅籽晶不完全熔融，所述控制包括在熔融过程开始之前确定熔融所需的能量需求；在熔融处理的过程中，积分器借助于电阻加热器输入到坩埚内的加热功率并将其积分确定为能量输入，直至相应的确定时间或测量时间；比较器将所述被确定的积分与之前确定的能量需求进行比较；以及，一旦积分或能量输入确定所述至少一个硅籽晶部分熔融，通过冷却硅来形成包含单晶硅的固体实体。

实现本发明上述目的，其中另一种实施方案的太阳能电池制造方法包括：提供根据前述另一种实施方案的铸硅制造方式形成的铸造实体；由所述实体形成至少一个晶片；任选在所述晶片表面上实施清洗步骤；任选在所述表面上实施纹饰步骤；形成p-n结；任选在所述表面上沉积抗反射涂层；任选形成选自背面电场和背面钝化层的至少一层；以及在所述晶片上形成导电触点。

由以上可知，本发明的主要特色在于利用在熔融过程开始之前利用能量积分控制方式对铸造单晶硅进行精确过程控制，以此铸造出更为理想的单晶硅及其太阳能电池。

附图说明

图1－图3所示为根据本发明之一具体实施例的单晶或几何规则多晶硅的典型铸造过程：

图1为硅原料引入到包含籽晶的坩埚中示意图；

图2为硅原料在熔融过程中能量积分器进行监测示意图；

图3为籽晶由能量积分器测量得知已熔融部分示意图。

具体实施方式

以下作为较佳实施例进行描述。

为更清楚地理解本发明技术特色，在此重复说明当前铸单晶的主流技术还是以BP公司已公开专利CN101370970“制造单晶铸硅的方法和装置以及用于光电领域的单晶铸硅实体”中所述的铸造方式为主，即将硅原料200引入到包含籽晶220的坩埚210中。然后，在坩埚210中建立起热分布，使坩埚210中的硅填料的顶部受热熔融，同时主动或被动地冷却底部，从而维持坩埚210底部籽晶220的固相。

密切采用浸量尺或石英尺测量所述硅原料200和所述至少一个硅籽晶220的熔融相，从而追踪熔融硅与籽晶之间的界面的位置。即采用石英尺插入到熔体240中，用以测量籽晶220的已熔融部分。同时监测并控制坩埚外表面ΔT的变化。一旦用浸量尺或石英尺测量到所述至少一个硅籽晶220部分熔融到预定数值，如2cm后，熔融阶段则迅速终止，开始进行晶体生长阶段，即，停止坩埚210顶部的加热，同时通过打开隔热笼，进行冷却长晶。以上通过浸量尺以及监控坩埚外表面ΔT的变化的方式，业界也越来越认识到会给铸造单晶硅带来的问题，即铸造出的单晶硅由于铸造过程控制的不精确，最终铸造出的单晶硅不太理想，所以本发明采用能量积分方式加以控制，以很精确地进行过程控制。

如图1所示，在此实施例中，将硅原料200引入到包含籽晶220的坩埚210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尺寸的大块，将装满的坩埚210放置在铸造站上(未显示)。

如图2所示，在坩埚210中建立起热分布，使坩埚210中的硅填料的顶部受热熔融，同时主动或被动地冷却底部，从而维持坩埚210底部籽晶220的固相，即，使它们在原料200熔融之时不发生浮动。使固体散热材料230与坩埚210的底部接触，用于散热。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。

密切采用能量积分器监测所述硅原料200和所述至少一个硅籽晶220的熔融相，从而追踪熔融硅与籽晶之间的界面的位置状况。优选的是，熔体240(示于图3)进行到除了籽晶220之外的所有原料硅200完全熔融，此后所述至少一个硅籽晶220不完全熔融。优选的是，所述能量积分器14测量，与顶部电阻加热器8、9的控制装置相连接的分析器13、积分器14以及比较器15来实时监控，从而间接得知籽晶220的已熔融部分。其中，分析器13用于确定在达到熔融温度1420℃之前将在坩埚内熔融硅原料及部分硅籽晶的能量需求，积分器14用于确定在熔融过程中借助于电阻加热器8、9消耗给处理熔融硅原料及部分硅籽晶的功率的最大至对应的测量时间(根据能量输入最大至该测量时间)的积分，比较器15用于将该积分与能量需求进行比较，并且在积分或能量输入与能量需求匹配时间结束熔融过程。

因此，如图2，控制装置在熔融过程开始之前确定熔融所需的热能有多少，并且相应地设定能量需求。

在熔融处理的过程中，积分器14评价借助于电阻加热器8、9输入到坩埚内的加热功率，并且将其积分确定为能量输入，直至相应的确定时间或测量时间。积分器14还积分将控制信号加在一起，其中所述控制信号根据标称功率被加权，借助于开关切换装置12输出给电阻加热器8、9。

比较器15将正如所述被确定的积分与之前确定的能量需求进行比较，并且只要积分与能量需求匹配就结束熔融过程。

这样，不需要如BP公司公开专利CN101370970A中用浸量尺或石英尺插入到熔体240中测量熔体深度，从而计算得到籽晶220的已熔融部分。

在现有技术中，在熔融的硅料中每隔10分钟插入浸量尺或石英尺，一方面损坏整块籽晶的完整性或无意中携带入杂质而造成切割之前铸单晶的浪费；更为重要的是，用浸量尺或石英尺测量来得知已熔融部分，由于人工操作时浸量尺经常被无意倾斜造成误差。

然后，引晶的晶体生长在坩埚210内单向和垂直地连续进行，直到硅的结晶完成。对于几何多晶硅的铸造，该引晶的单向生长产生柱状形的晶粒，通常具有如单个籽晶220的水平截面的形状，晶粒是在单个籽晶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。任何先前讨论的引晶图案/铺展适用于此铸造过程。

作为一个实施例说明，本发明的铸造过程如下：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原位熔融/定向固化的铸造站，用于铸造多晶硅。通过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，同时通过总共开放6cm的隔层使热量散出底部。这种设置造成熔融是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，同时用能量积分器监视。熔融程度用能量积分器进行实时测量。使能量积分器的积分与站上的坩埚所需的能量需求进行比较，从而在积分或能量输入到达预定剩余固体材料的高度。通过能量积分器测量，首先原料熔融，然后使熔融状态持续下去，直到在积分或能量输入确定只剩下约3cm高度的籽晶。此时，将加热功率降低到温度设定为1500℃，同时通过打开隔层至8m增加底部的散热。通过能量积分器测量进行观察，固化开始前另需要一或两毫米的籽晶熔融。然后进行引晶的单个晶体生长，直到固化步骤结束。采用正常的参数实施生长步骤和铸造循环的其余步骤，自上而下的热梯度均衡下来，然后将整个锭缓慢冷却到室温。在一较佳实施例中，以上铸硅方法形成的实体的一部分包括所述至少一个籽晶。

本发明的铸硅实体为根据前述利用能量积分控制铸硅制造方法制造的铸硅实体。铸硅产品为66cm×66cm×24cm的锭，其具有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。

根据本发明的一种实施方案，太阳能电池制造方法提供根据前述描述的利用能量积分控制铸硅方式形成的铸造实体；由所述实体形成至少一个晶片；任选在所述晶片表面上实施清洗步骤；任选在所述表面上实施纹饰步骤；形成p-n结；任选在所述表面上沉积抗反射涂层；任选形成选自背面电场和背面钝化层的至少一层；以及在所述晶片上形成导电触点。

在此需强调的是，在铸硅制造方法中，在一种实施例中，在坩埚的至少一个表面上放置与包含单晶硅的至少一个硅籽晶接触的硅原料，将硅原料和所述至少一个硅籽晶加热到硅的熔融温度。也就是说，可在坩埚的底部放置所述至少一个硅籽晶。当然在另一种实施例中，可在坩埚的至少一个表面上放置包含单晶硅的几何排列的许多硅籽晶，所述几何排列包括紧密堆积的多边形；放置与所述至少一个表面上的所述许多硅籽晶接触的硅原料；将硅原料和所述许多硅籽晶加热到硅的熔融温度，之后在利用能量积分的方式进行铸硅控制。

Claims (6)

1.一种以铸硅实体为材料的太阳能电池制造方法，其包括：

在至少一个表面上放置与包含单晶硅的至少一个硅籽晶接触的硅原料；

将硅原料和所述至少一个硅籽晶加热到硅的熔融温度；

控制所述加热，使所述至少一个硅籽晶不完全熔融，所述控制包括在熔融过程开始之前确定熔融所需的能量需求；在熔融处理的过程中，积分器借助于电阻加热器输入到坩埚内的加热功率并将其积分确定为能量输入，直至相应的确定时间或测量时间；比较器将所述被确定的积分与之前确定的能量需求进行比较；以及，一旦积分或能量输入确定所述至少一个硅籽晶部分熔融，

通过冷却硅来形成包含单晶硅的固体实体。

2.一种以铸硅实体为材料的太阳能电池制造方法，其包括：

提供根据权利要求1所述的铸造实体；

由所述实体形成至少一个晶片；

任选在所述晶片表面上实施清洗步骤；

任选在所述表面上实施纹饰步骤；

形成p-n结；

任选在所述表面上沉积抗反射涂层；

任选形成选自背面电场和背面钝化层的至少一层；以及

在所述晶片上形成导电触点。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述放置进一步包括在坩埚的底部放置所述至少一个硅籽晶。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中进一步包括形成所述实体的一部分以包括所述至少一个籽晶。

5.一种铸硅制造方法，其包括：

在坩埚的至少一个表面上放置包含单晶硅的几何排列的许多硅籽晶，其中所述几何排列包括紧密堆积的多边形；

放置与所述至少一个表面上的所述许多硅籽晶接触的硅原料；

将硅原料和所述许多硅籽晶加热到硅的熔融温度；

控制所述加热，使得所述许多硅籽晶不完全熔融，所述控制包括在熔融过程开始之前确定熔融所需的能量需求；在熔融处理的过程中，积分器借助于电阻加热器输入到坩埚内的加热功率并将其积分确定为能量输入，直至相应的确定时间或测量时间；比较器将所述被确定的积分与之前确定的能量需求进行比较；以及，一旦积分或能量输入确定所述至少一个硅籽晶部分熔融，

通过冷却硅来形成包含单晶硅的固体实体。

6.一种以铸硅实体为材料的太阳能电池制造方法，其包括：

提供根据权利要求5所述的铸造实体；

由所述实体形成至少一个晶片；

任选在所述晶片表面上实施清洗步骤；

任选在所述表面上实施纹饰步骤；

形成p-n结；

任选在所述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；以及在所述晶片上形成导电触点。