CN103710744A - 制造硅单晶籽晶和硅晶片的方法及硅晶片和硅太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在硅晶片生产的范围内用于制造硅单晶籽晶和硅晶片的方法、硅晶片和硅太阳能电池，其中将硅单晶籽晶布置在坩埚的底部区域内，其中，所述硅单晶籽晶具有籽晶表面，该籽晶表面具有垂直于坩埚的底部区域的{110}晶体取向，其中从所述硅单晶籽晶的所述籽晶表面开始，将液态高纯度硅固化，并且其中通过使所述晶片表面具有{100}晶体取向的方式将硅块分割成硅晶片，其中，所述硅单晶籽晶由硅单晶块制成，所述硅单晶块的块轴线具有[110]空间取向，其中，切割所述硅单晶块，以形成所述硅单晶籽晶的具有平行于所述块轴线的所述{110}晶体取向的所述籽晶表面。
Description
技术领域
本发明涉及用于制造硅单晶籽晶和硅晶片的方法、硅晶片和硅太阳能电池。
背景技术
太阳能电池通常由硅制成，其中，单晶硅片和多晶硅片用于制造太阳能电池。相比于多晶硅电池，单晶硅电池具有明显更高的效率，但是单晶硅电池在生产过程中是更加耗能并且是较为昂贵的。在单晶硅片的制造过程中，首先生产高纯度硅的晶体，然后通常利用线锯工艺将该晶体分割成薄片，该薄片也被称为晶片。在单晶硅晶片的制造过程中，标准的方法是直拉法（Czochralski method），在该方法中，拉制出圆柱棒，然后将圆柱棒锯成准方形晶片，即带有圆角的方形晶片。另一种已知的生产单晶硅晶片的方法是浮区熔法或区熔法（Floating-zone or zone melting process），但是该方法导致与直拉法类似的高生产成本。
一种用于生产大批量实质上是单晶硅块的具有成本效益的方法是垂直布里奇曼法（Vertical-Bridgman method）或垂直梯度凝固法（Vertical-Gradient-Freeze）。在这些已知的方法中，使高纯度硅在坩埚中在1400℃以上熔融。缓慢冷却熔融物质，然后形成具有均匀晶体结构的区域，其中，固化过程从坩埚底部开始发生。通过这种方法，可以生产边缘长度70厘米以上、高度30厘米以上的硅块。随后，将硅块分割成硅长方体，进而将硅长方体分成硅晶片。
对于在固化过程中大量单晶硅块的生产而言，必要的是，大规格的单晶硅单晶籽晶设置在坩埚的底部，所述单晶硅单晶籽晶将其晶体取向传递至在熔融硅的固化过程中形成的硅块。在公布文献US2010/0192838A1中特别提供了一种这样的工艺。在熔融硅的结晶过程中，生长表面具有根据米勒指数（Millers index）由{100}表征的晶体取向，其中，随后，表面的晶体取向用{xyz}表示，方向用[xyz]表示。
在该生长表面上结晶是优选的，因为接下来能够在{100}晶体表面实施结构化，所谓的碱性织构化（texturing）。在这里，形成微观金字塔，其使得由于光输入改善而引起太阳能电池的效率显著提高。然而，沿[100]生长方向的晶体生长非常容易产生缺陷，特别是位错簇这样的缺陷。这些位错簇形成自由电荷载流子的高活性的再结合中心，从而导致其传播长度受到很大限制，并因此导致硅太阳能电池的效率受到很大限制。
因此，在出版文献DE102010029741A1中建议的是，实施沿[110]方向的晶体生长，而不是沿[100]方向的晶体生长。因此，在坩埚的底部区域中，设置具有垂直于坩埚的底部的[110]晶体取向的硅单晶籽晶，该硅单晶籽晶然后将其晶体取向传递至固化的高纯度硅。为了同时提供织构化的{100}晶片表面，硅单晶籽晶具有侧表面，该侧表面具有平行于坩埚侧表面的{100}晶体取向。随后，固化的硅块被分割成水平硅长方体，所述水平硅长方体然后横向于（transverse to）长方体轴线被锯割成硅晶片，以便再次产生{100}晶片表面。
导致硅块的单向固化的硅单晶籽晶以常规方式通过直拉法或浮区法来生产。在这些方法中，生产具有块轴线的[100]晶体取向的单晶硅块。由于可通过上述方法生产直径最大约40厘米的块，因此，为了能够完全覆盖坩埚的底部区域，硅单晶籽晶是由几部分组成的。
在出版文献DE102010029741A1所描述的晶体生长方法的情况下，其中具有{110}晶体取向的籽晶表面和具有{100}取向的侧表面是必要的，通过用于籽晶制造的直拉法或浮区法所生产的硅单晶块被分成轨道（tracks），从而这些轨道的籽晶表面是{110}取向的。如此产生的籽晶的宽度自然不可能大于块直径。因此，需要若干籽晶部分彼此邻近布置以完全覆盖底部。
然而，在坩埚中的高纯度硅的固化过程中，在硅单晶籽晶的各个部分之间的边缘区域中，在晶体生长中存在干扰，从而在这里形成多晶区域。因此，在固化过程中，多晶硅生长的区域最优选位于锯割间隙的区域内，借此，固化的硅块然后被分割成矩形硅长方体，优选根据长方体的宽度来设定籽晶部分的尺寸。通过直拉法或浮区熔法所产生的硅单晶块以相对于块轴线呈45°的角度地旋转，并且平行于[100]晶体取向切出的籽晶板因此优选以157毫米的宽度得以制造，该宽度对应于标准的太阳能电池尺寸加上锯割间隙，但其中导致非常昂贵的籽晶材料的耗费相当大。
但此外，还有问题，即在坩埚中固化处理的过程中，正好多晶区域特别地在上部硅块区域中形成，所述上部硅块区域在锯割间隙区域之上横向地延伸出去。由于硅晶片可以从垂直于长方体轴线放置的矩形硅长方体中被切出，并且因此能够相对于籽晶板的毗连边缘接头被锯割，因而存在如下风险，即多个硅晶片具有尤其存在于边缘区域中的多晶区域，其降低了由硅晶片制造的硅太阳能电池的效率。此外，不容低估的美化效果通过碱性织构来产生，因为非单晶区域很难被织构化，并且因此使得晶片呈现出有斑点的外观。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种用于制造硅单晶籽晶的方法，借此能够增加从单晶硅长方体锯割出的、具有{110}籽晶表面和{100}取向的侧面的硅单晶籽晶的可用部分，并且此外，该方法还导致使从固化的硅块上切下的、基本上为单晶硅晶片的部分增加。
该目的通过根据权利要求1所述的用于制造硅单晶籽晶的方法、根据权利要求3所述的用于制造硅晶片的方法、根据权利要求5所述的硅晶片和根据权利要求9所述的硅太阳能电池来实现。在从属权利要求中要求优选实施方式的权利。
根据本发明，为了制造用于硅晶片生产的硅单晶籽晶，其中将所述硅单晶籽晶布置在坩埚的底部区域内，其中，所述硅单晶籽晶具有籽晶表面和侧表面，该籽晶表面具有{110}晶体取向并且面法线沿着垂直于所述坩埚的所述底部区域的[110]晶体取向，而该侧表面具有平行于所述坩埚的所述侧表面的{100}晶体取向，其中使高纯度硅在坩埚中熔融，其中从所述硅单晶籽晶的所述籽晶表面开始使液态高纯度硅固化，其中，成形中的硅块在很大程度上占据[110]晶体取向，并且其中通过使所述晶片表面具有{100}晶体取向的方式将硅块分割成硅晶片，由硅单晶块制造硅单晶籽晶，所述硅单晶块的块轴线具有[110]空间取向，其中，用于形成硅单晶籽晶的籽晶表面的硅单晶块被切成具有{110}晶体取向，并且硅单晶籽晶的侧表面被切成具有平行于块轴线的{100}晶体取向。
通过根据本发明所述的方法，用于坩埚固化方法的最佳硅单晶籽晶板可以生产成具有{110}生长表面。另外，基于已经在[110]方向上实施的晶体生长，可以减少制造籽晶板的籽晶材料的耗费。如果使用成本高的单晶拉制工艺，如直拉法或浮区熔法，则这是特别适用的。
根据本发明，为了制造硅晶片，其中将硅单晶籽晶布置在坩埚的底部区域内，其中，所述硅单晶籽晶具有籽晶表面和边缘表面，该籽晶表面具有平行于所述坩埚的所述底部区域的{110}晶体取向，而该边缘表面具有平行于所述坩埚的所述侧表面的{100}晶体取向，其中，使高纯度硅在坩埚中熔融，其中从所述硅单晶籽晶的所述籽晶表面开始使液态高纯度硅固化，其中，成形中的硅块在很大程度上占据{110}晶体取向，并且其中通过使所述晶片表面具有{100}晶体取向的方式将所述硅块分割成硅晶片，所述硅单晶籽晶由若干轨道组成，所述轨道由硅单晶块制成，所述硅单晶块的块轴线具有[110]空间取向，其中，用于形成所述硅单晶籽晶的籽晶表面的所述硅单晶块被切成具有{110}晶体取向的轨道，并且所述硅单晶籽晶的侧向表面被切成具有平行于所述块轴线的{100}晶体取向，其中，使所述轨道合并，以便几乎完全覆盖所述坩埚的底部区域，其中，在分割成硅晶片的过程中，首先将形成于坩埚中的硅块分割成矩形硅长方体，所述矩形硅长方体的长方体轴线分别平行于所述硅单晶籽晶的籽晶表面并垂直于所述硅单晶籽晶的所述轨道延伸，然后横向于所述长方体轴线切割所述硅长方体。
根据本发明的方法，其特征在于，在锯切经固化的硅块之后，几乎为单晶的硅晶片的比例高。在将硅块分割成水平的矩形硅长方体的过程中，横向轴线垂直于硅单晶籽晶轨道的毗连表面延伸。这相应地使得稍后由硅长方体分割而成的硅晶片平行于所述籽晶轨道的毗连表面取向。在坩埚中的固化处理期间，优选在籽晶轨道的毗连表面的区域中形成的不规则生长图案（其后来导致固化硅块中的多晶区域）接着在硅块的分割过程中聚集在单个晶片上，即聚集在毗连表面之上直接被切割的晶片上，从而与公布文献DE102010029741A1中所提供的方法相比，从固化的硅块中切出的、基本上完整的单晶硅晶片的比例得以显著提高。另外，在按157毫米的标准硅太阳能电池尺寸限制籽晶轨道的情况下生产籽晶轨道的过程中，可以省去较宽和较窄的轨道，并且因此，较宽和较窄的轨道能够从用于形成籽晶的硅单晶长方体中被切出，从而成本高的籽晶材料的耗费可以附带地得以减少。
附图说明
借助于附图更详细地阐述本发明。在附图中：
图1示出了一种装置的示意性侧剖面示图，该装置通过在底部区域中使用硅单晶籽晶来使硅块熔化和结晶；
图2示出了用于形成由轨道组成的硅单晶籽晶的硅单晶长方体的横截面；
图3示出了通过使用由底部区域中硅单晶籽晶制成的轨道由图1中所示的装置制造而成的硅块，其中，经固化的硅块被分成水平矩形硅长方体，并且这些矩形硅长方体相应地被分成硅晶片；
图4示出了具有织构化晶片表面的硅晶片；以及
图5示意性地示出了单晶硅太阳能电池的原理结构。
具体实施方式
通过在图1中示意性地示出的、用于使高纯度硅熔化和结晶的装置1可以生产高品质的单晶硅块。因此，块尺寸可以具有70厘米及以上的边长和30厘米及以上的块高度。然而，也可选择更小的块高度，此外，例如标准的硅太阳能电池的157毫米的外边缘长度对应于太阳能电池用不到的底部部分和顶部部分。
用于使高纯度硅熔化和结晶的装置具有坩埚3，坩埚3基本上具有向上开口的长方体形状。坩埚3的内部空间4由五个面限定，并且由底部5和四个侧壁7组成。通过位于底部5的对面的开口8，可以填充坩埚3的内部空间4。在坩埚3的外侧上布置有加热元件9和冷却元件10，从而坩埚3的内部空间4可被选择性地加热或冷却。
为了制造由高纯度硅制成的单晶硅块，将硅单晶籽晶12布置在坩埚3的底部5上。硅单晶籽晶12由硅单晶棒制造而成，硅单晶棒优选通过直拉法或浮区熔法来制造。因此，单晶硅棒的制造由硅熔体开始进行，用作结晶籽晶的籽晶晶体浸入该硅熔体中。然后，通过旋转下缓慢受控的提拉，形成直径高达约30厘米并且高度高达约2米的单晶硅块。图2示出了通过直拉法生产的硅块的横截面。
为了制造单晶硅块，如在图1中所示，具有覆盖底部5的硅单晶籽晶12的坩埚3通过坩埚开口8填充有液态高纯度（电子级）硅2。也可以使用粉末状、颗粒状或块状硅来替代液态高纯度硅2，然后通过坩埚上的加热元件9使该粉末状、颗粒状或块状硅熔化。随后，使硅单晶籽晶12在坩埚3的底部5处的籽晶表面13上熔化。然后，通过借助加热元件9或冷却元件10进行的相应的温度控制，使液态高纯度硅2在硅单晶籽晶12上固化。因此，从硅单晶籽晶12的籽晶表面13开始向上实施固化过程，其中，硅单晶籽晶的籽晶表面将其晶体取向传递至形成中的硅块。
形成硅单晶籽晶12，以便使得籽晶表面13具有{110}晶体取向和沿着垂直于坩埚3的底部5的[110]方向的面法线。另外，硅单晶籽晶12具有侧表面，该侧表面具有平行于坩埚3的侧表面7的{100}晶体取向。由于硅单晶籽晶的这种布局，硅单晶籽晶上的硅块的晶体生长发生在{110}生长表面上，其不易受到位错形成的影响，由此获得经固化的硅块的高晶体质量。硅单晶籽晶的{100}侧表面进一步确保在硅单晶籽晶12上固化的硅块类似地配置这样的{100}表面，这样的{100}表面接着能够在硅块被分割成硅晶片之后有效地以碱性的方式被织构化。
图3示出了硅块14，所述硅块14由图1中所示的装置1生产而成并且具有生长表面和侧表面，该生长表面具有{110}晶体取向而该侧表面具有{100}晶体取向。因此，硅块14具有78.5厘米的宽度和31.4厘米的高度。但是，硅块14也可以形成不同的块尺寸。在硅晶片的制造过程中，硅块14优选被锯割成正方体15，其中，所述正方体15优选具有156×156平方毫米的面积，该面积对应于标准硅太阳能电池的尺寸。在硅正方体15的制造过程中，如图3所示，硅块14垂直于硅块的{110}生长表面并且垂直于硅块的{100}侧表面地被细分。因此，优选地，按如下方式继续进行所述细分，即垂直于硅块14的{110}生长表面并且平行于硅块14的{110}侧表面实施第一剖切，且垂直于硅块14的{100}侧表面并且垂直于硅块14的{110}侧表面实施第二剖切。由此，在如图3所示的硅块14中生产出两排各五个硅单晶长方体15，一排位于另一排之上。
正如前面所解释的那样，由通过直拉法或浮区熔法生产的单晶硅棒制成的硅单晶籽晶被锯割成具有较高纯度和更完美的晶体结构。由于长方体直径受到限制，因此有必要将用于形成硅单晶籽晶的数个部分合并，以完全覆盖坩埚3的底部5。所以，硅单晶籽晶12具有一个或多个厘米的厚度，优选2厘米的厚度，其中，所述籽晶表面必须具有平行于坩埚底面的{110}晶体取向。同时，必须确保硅单晶籽晶的侧表面或单个部分的侧表面具有{100}晶体取向。
为了生产这种硅单晶籽晶，由直拉法或浮区熔法制造的单晶硅块配置有具有[110]空间取向的块轴线。为了生产所述硅单晶籽晶，如图2所示，接着平行于块轴线将硅单晶块切成轨道，其中，单个的轨道具有与一个到几个厘米（优选为2厘米）的所需的硅单晶籽晶厚度对应的厚度。如图2进一步示出的，单个的轨道具有{110}-晶体取向的表面（该表面用作籽晶表面）和{100}-晶体取向的纵向侧表面。
接着，如图3所示，为了生产硅块14并切割硅单晶块，硅单晶籽晶12的轨道布设在坩埚3的底部5上，使得坩埚的底部几乎被完全覆盖，其中，纵向侧表面轨道沿坩埚侧面按{100}-晶体取向延伸。如在图3中进一步所示的那样，经固化的硅块14被锯割成水平矩形硅长方体15，使得长方体轴线垂直于硅单晶籽晶12的轨道延伸。硅晶片16相应地通过平行于{100}长方体表面实施锯割由单个矩形硅长方体15生产而成。因此，根据所需的应用或者有待制造的硅太阳能电池的结构来确定硅晶片16的厚度。
通过以横跨{100}侧表面覆盖坩埚底部的轨道形式存在的硅单晶籽晶的所选定的设置，实现了在硅块14的水平矩形硅长方体15的分割过程中，只制造出少数晶片，该少数晶片位于硅单晶籽晶的轨道之间的毗连表面之上的区域中。在硅块的固化处理过程中，特别是在毗连表面之上的区域中，在硅块中存在形成多晶部分的风险，该风险接着导致太阳能电池中效率降低和光学误差，该太阳能电池由从硅块锯切出的硅晶片制成。通过上述步骤，具有多晶区域的这样的硅晶片与其余的、几乎是完美的单晶硅太阳能电池分离，其中所述这样的硅晶片形成于硅单晶籽晶的轨道之间的毗连表面的区域中。
如在图2中示出的，由硅块切割形成若干轨道，该硅块的块轴线形成为具有[110]空间取向，由该若干轨道制成的该硅单晶籽晶12的生产另外还具有优点，即，基本上整个单晶硅块都可用于形成籽晶轨道，从而非常昂贵的籽晶材料的浪费可以在很大程度上得以避免。同时，通过平行于块轴线切割单晶硅块，可以配置有与坩埚的侧面长度对应的长度的轨道。
在通过高纯度硅的受控固化而形成硅块的范围内，可获得碳、氧和/或硼的各种不同分布，例如，以便沿生长方向，即沿[110]晶体取向的方向，改变硅块中的导电率。为了进一步将硅晶片16加工成太阳能电池，优选在第一步骤中采用化学方式消除在分割矩形硅单晶长方体期间造成的锯割损坏。此外，与去除{100}晶片表面上的锯割损坏相关地执行结构化，即执行所谓的织构化，其通过降低反馈损失导致光输入改善并且因此导致太阳能电池的效率提高。接着，优选通过湿化学蚀刻工艺或干化学蚀刻工艺实现的、优选利用晶片表面上的碱性单织构（monotexture）实现的晶片织构化（部分如在图4中所示）导致金字塔结构17形成。因此，金字塔形突起17的底面的边缘平行于硅晶片表面的外边缘延伸。
在硅晶片16进一步形成太阳能电池的范围内，在晶片中实施织构化之后，通过掺杂，优选通过磷掺杂，产生p/n结18。随后，优选通过引入抗反射涂层19来补偿硅晶片表面。然后，在最后的步骤中，在硅晶片上引入正面触点和背面触点20，21，以完成硅太阳能电池的制造。
Claims (9)
1.一种制造用于硅晶片生产的硅单晶籽晶的方法，
-其中将所述硅单晶籽晶布置在坩埚的底部区域内，其中，所述硅单晶籽晶具有籽晶表面，该籽晶表面具有平行于所述坩埚的所述底部区域的{110}晶体取向，
-其中从所述硅单晶籽晶的所述籽晶表面开始，使液态高纯度硅固化，并且
-其中通过使所述晶片表面具有{100}晶体取向的方式将硅块分割成硅晶片，
其特征在于，
所述硅单晶籽晶由硅单晶块制成，所述硅单晶块的块轴线具有[110]空间取向，
-其中，将所述硅单晶块平行于所述块轴线分割，以形成所述硅单晶籽晶的具有所述{110}晶体取向的所述籽晶表面和所述硅单晶籽晶的具有所述{100}晶体取向的侧表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于所述硅单晶籽晶的所述硅单晶块通过直拉法或浮区熔法来生产。
3.一种用于制造硅晶片的方法，
-其中将硅单晶籽晶布置在坩埚的底部区域内，其中，所述硅单晶籽晶具有籽晶表面，该籽晶表面具有平行于所述坩埚的所述底部区域的{110}晶体取向，
-其中从所述硅单晶籽晶的所述籽晶表面开始，使液态高纯度硅固化，并且
-其中通过使晶片表面具有{100}晶体取向的方式将硅块分割成硅晶片，
其特征在于，
所述硅单晶籽晶由若干轨道组成，所述轨道由硅单晶块制成，所述硅单晶块的块轴线具有[110]空间取向，
-其中，将所述硅单晶块沿平行于所述块轴线切成轨道，以形成所述硅单晶籽晶的具有所述{110}晶体取向的所述籽晶表面和所述硅单晶籽晶的具有所述{100}晶体取向的侧表面，
-其中，使所述轨道合并，以便几乎完全覆盖所述坩埚的所述底部区域，
-其中，在分割成硅晶片的过程中，首先将形成于所述坩埚中的硅块分成矩形硅长方体，所述矩形硅长方体的长方体轴线分别平行于所述硅单结晶籽晶的籽晶表面并垂直于所述硅单晶籽晶的所述轨道延伸，然后横跨所述长方体轴线切割所述硅长方体。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在至少一个轨道中，优选在所有的轨道中，具有所述{100}晶体取向的侧表面在所述坩埚底部（5）的侧向长度上连续地延伸。
5.一种硅晶片，其通过根据权利要求3或4所述的方法来制造。
6.根据权利要求5所述的硅晶片，其特征在于，所述{100}晶片表面通过碱蚀刻工艺来进行织构化蚀刻，其中，经蚀刻的晶片表面具有金字塔形突起，其中，所述金字塔形突起的底面边缘平行于所述晶片表面的外边缘延伸。
7.根据权利要求5或6所述的硅晶片，其特征在于，所述晶片具有所述{100}晶片表面上的硅中的碳、氧和/或硼的浓度梯度。
8.根据权利要求5或6所述的硅晶片，其特征在于，所述晶片具有所述{100}晶片表面上的导电率梯度。
9.一种具有根据权利要求5至8中任意一项所述的硅晶片的硅太阳能电池，其特征在于，p/n结配置在所述{100}晶片正面与背面之间，其中，所述{100}晶片正面具有涂层，并且其中，至少所述晶片背面设置有触点。
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