DE202012011360U1

DE202012011360U1 - Kristalliner Siliciumblock und daraus gefertigter Silicium-Wafer

Info

Publication number: DE202012011360U1
Application number: DE202012011360U
Authority: DE
Original assignee: Sino American Silicon Products Inc
Current assignee: Sino American Silicon Products Inc
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2022-11-28
Also published as: CN103088420A; JP5883766B2; KR20160105751A; KR20150088776A; JP2013112603A; KR101815620B1; KR101594474B1; KR101738077B1; JP3181884U; DE102012023120A1; KR20130059272A; SG190514A1

Abstract

Kristalliner Siliciumblock, der einen unteren Teil aufweist und eine Vertikalrichtung festlegt, dadurch gekennzeichnet, dass: der kristalline Siliciumblock eine Vielzahl von in der Vertikalrichtung gewachsenen Siliciumkörnern und eine Nukleationsförderungsschicht am unteren Teil beinhaltet, wobei die zur Nukleationsförderungsschicht benachbarten Siliciumkörner eine durchschnittliche Korngröße von weniger als ca. 10 mm besitzen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Gebrauchsmusteranmeldung beansprucht die Priorität der am 28.11.2011 eingereichten taiwanesischen Anmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 100143484 und der am 10.05.2012 eingereichten taiwanesischen Anmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 101208779 , auf deren Offenbarungsgehalt hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen kristallinen Siliciumblock und einen daraus hergestellten Silicium-Wafer, und insbesondere ein Verfahren für einen unter Verwendung einer Nukleationsförderungsschicht gefertigten kristallinen Siliciumblock mit einer geringen Volumendefektdichte und Siliciumkörnern mit einer geringen Größe im unteren Teil, sowie einen daraus gefertigten Silicium-Wafer mit besonderen kristallinen Eigenschaften.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Die meisten Solarzellen nehmen Sonnenlicht auf und erzeugen daraufhin einen photovoltaischen (PV) Effekt. Derzeit werden Solarzellen aus einem Material auf der Basis von Silicium hergestellt, da Silicium insgesamt betrachtet das Element mit der zweitgrößten Häufigkeit und Zugänglichkeit auf der Welt ist. Außerdem ist Silicium kostengünstig, nichttoxisch und chemisch stabil und wird vielfach in Halbleiteranwendungen eingesetzt.
Es gibt drei Arten von Materialien auf der Basis von Silicium für die Herstellung von Solarzellen, d. h. Einkristall-Silicium (mono-Si), Polysilicium (poly-Si) und amorphes Silicium (a-Si). Poly-Si ist weniger kostspielig als mono-Si, wenn es mit dem Czochralski-Verfahren (CZ-Verfahren) oder mit dem Zonenziehverfahren (Floating Zone- oder FZ-Verfahren) hergestellt wird, so dass es üblicherweise unter ökonomischen Gesichtspunkten als Rohmaterial für die Solarzelle eingesetzt wird.
Herkömmlicherweise wird poly-Si für Solarzellen in einem umfassenden Gießvorgang hergestellt. Mit anderen Worten ist es Stand der Technik, poly-Si für Solarzellen in einem Gießvorgang herzustellen. Kurz gesagt wird eine Solarzelle aus poly-Si hergestellt, indem hochreines Silicium in einem Formwerkzeug wie etwa einem Quarztiegel erschmolzen und dann unter kontrollierter Erstarrung abgekühlt wird, wodurch ein poly-Si-Block ausgebildet wird, der anschließend für die Weiterverwendung in Wafer zertrennt wird, welche sich kompakt in ein PV-Zellenmodul einfügen. Bei dem in dem vorstehend genannten Vorgang ausgebildeten Block handelt es sich tatsächlich um ein Aggregat von Siliciumkristallen mit zufälligen Kristallorientierungen.
Die zufälligen Krisallorientierungen von Körnern erschweren ein Strukturieren (Aufrauen) der Oberfläche des poly-Si-Chip. Das Oberflächenstrukturieren kann den Wirkungsgrad der PV-Zelle verbessern, indem es die Reflexion von Licht verringert und folglich die Einkopplung von Sonnenenergie an der Oberfläche der Zelle verstärkt. Darüber hinaus tendieren in den Grenzflächen zwischen den Körnern von herkömmlichem multikristallinem Silicium entstehende ”Knicke” dazu, Strukturdefekte in Form von Clustern oder linearen Verwerfungen zu nukleieren. Von diesen Verwerfungen wie auch von den Verunreinigungen, die tendenziell von Verwerfungen angezogen werden, nimmt man an, dass sie in einer aus herkömmlichem, multikristallinen Silicium hergestellten Photovoltaikzelle eine schnelle Rekombination von elektrischen Ladungsträgern verursachen und dadurch die Leistungsabgabe der Solarzelle herabsetzen. Üblicherweise besitzt die PV-Zelle aus poly-Si somit einen geringeren Wirkungsgrad als die äquivalente PV-Zelle aus mono-Si; in der letzteren liegt sogar eine radiale Verteilung von Defekten vor, wenn sie mit der gängigen Verfahrensweise hergestellt wurde. Wegen des vergleichsweise einfachen Herstellungsvorgangs und der geringeren Kosten für die poly-Si-Solarzelle und auch wegen des effektiven Defektpassivierungsschrittes bei der Verarbeitung der Solarzelle wird poly-Si immer noch überwiegend als Siliciumquelle für die PV-Zelle verwendet.
Nach einer neueren Entwicklung wird ein kristalliner Siliciumblock unter Verwendung einer mono-Si-Saatschicht und basierend auf gerichteter Erstarrung hergestellt, wobei im Allgemeinen ein großer, (100)-orientierter kubischer mono-Si-Kristall als Saat verwendet wird. Leider setzt sich von dem (100)-orientierten Korn und dem Zufallsnukleationskorn, die miteinander konkurrieren, das letztere durch. Um das beimpfte kristalline Volumen in einem Block zu maximieren, nutzt die gängige Verfahrensweise die Grenzflächen in (111)-orientiertem Silicium, um die von den (100)-orientierten Siliciumsaaten bzw. Silicium-Impfkristallen besetzten Bereiche zu umgeben und dadurch das Wachstum von Kristallen mit anderen Orientierungen erfolgreich zu behindern. Auf diese Weise kann ein qualitativ hochwertiger Block mono-Si- oder Bikristall-Siliciumblock erhalten werden, wobei in dem resultierenden Wafer, der für die Herstellung der hochleistungsfähigen Solarzelle verwendet wird, die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger maximiert ist. Vorliegend bezieht sich der Ausdruck ”Einkristall-Silicium (mono-Si)” auf ein Volumen von mono-Si, das durch das gesamte Volumen hindurch eine einzige, gleichförmige Kristallorientierung besitzt, während sich der Ausdruck ”Bikristall-Silicium” auf ein Siliciumvolumen bezieht, das in 50% oder mehr seines Volumens eine gleichförmige Kristallorientierung und in seinem übrigen Volumen eine andere gleichförmige Kristallorientierung besitzt. Solches Bikristall-Silicium kann beispielsweise einen Körper aus Einkristall-Silicium mit einer Kristallorientierung neben einem anderen Körper aus Einkristall-Silicium mit einer unterschiedlichen Kristallorientierung aufweisen, der den Rest des Volumens des kristallinen Siliciums ausmacht. Darüber hinaus bezieht sich herkömmliches multikristallines Silicium auf kristallines Silicium mit einer Korngrößenverteilung im cm-Bereich, wobei sich eine Mehrzahl von zufällig orientierten Kristallen in einem Siliciumkörper befindet. Der vorstehend beschriebene, mit der gängigen Verfahrensweise hergestellte kristalline Siliciumblock, bei dem das teuere mono-Si als Saat verwendet wird, ist jedoch vergleichsweise kostspielig.
Es gibt andere Verfahrensweisen ohne die Verwendung von teuerem mono-Si als Saat. Zuerst werden in Querrichtung gewachsene Kristalle durch örtlich begrenztes Unterkühlen über den Boden des Schmelztiegels verbreitet, woraufhin säulenförmige Kristalle in einer Aufwärtsrichtung gezüchtet werden. Die großen Siliciumkörner von solcherart erhaltenen Blöcken weisen eine geringe Volumendefektdichte auf. Daher kann eine Solarzelle, die aus Silicium-Wafern hergestellt wurde, welche aus dem mit der vorstehend beschriebenen Verfahrensweise hergestellten kristallinen Siliciumblock gesägt wurden, einen höheren photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad besitzen.
Dennoch haben die vorstehend beschriebenen, gängigen Verfahrensweisen unter Verwendung von poly-Si nur unter Laborbedingungen Erfolge gezeitigt, während es sich in einer großtechnischen Fertigung für gewöhnlich als schwieriger erweist, das Gießformen des poly-Si durch Steuern des Wachstums der über den Boden des Schmelztiegels zu verbreitenden Dendriten unter Verwendung von örtlich begrenztem Unterkühlen durchzuführen. Großtechnisches Gießformen von multikristallinem Silicium wird von der Gleichförmigkeit des Erhitzens des Schmelztiegels und der Gesamtheit beeinflusst, so dass sich die Varianz der anfänglichen Unterkühlungssteuerung erhöht. Das poly-Si am Boden des Schmelztiegels tendiert somit dazu, zu einem großen Korn anzuwachsen, und die Defektdichte in diesem Bereich erhöht sich. Die Defektdichte erhöht sich rapide mit fortschreitendem Wachstum großer Körner, was zu einer schlechten Qualität des gesamten kristallinen Siliciumblocks und zu einer Solarzelle mit einem herabgesetzten photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad führt.
Darüber hinaus ist unter Bezugnahme auf 1 das Erfassungsresultat von Kristallorientierungen gängiger poly-Si-Blöcke bei Projektion auf ein Dreick aus den Kristallorientierungen (001), (111) und (101) in einem Polardiagramm der Kristallgeometrie schematisch gezeigt. 1 zeigt, dass die vorwiegenden Orientierungen von gängigen poly-Si-Blöcken zwischen (112) und (315) und/oder zwischen (313) und (111) liegen. Vorliegend bezieht sich der Ausdruck ”vorwiegende Orientierung” auf die Gruppe von Kristallorientierungen, die in einem Siliciumblock in einem Volumenprozentanteil von mehr als 50% vorhanden sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Angesichts der vorstehend genannten Probleme ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen kristallinen Siliciumblock und einen daraus hergestellten Silicium-Wafer zur Verfügung zu stellen. Der kristalline Siliciumblock der Erfindung weist in seinem unteren Teil eine niedrige Volumendefektdichte und Siliciumkörner mit einer geringen Größe auf, wobei eine Nukleationsförderungsschicht verwendet wird, um die Nukleation von Siliciumkörnern zu erleichtern. Eine aus dem erfindungsgemäßen Silicium-Wafer hergestellte Solarzelle weist geringere Kosten und einen höheren photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad auf.
Darüber hinaus ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen kristallinen Siliciumblock und einen daraus hergestellten Silicium-Wafer mit kristallinen Eigenschaften zur Verfügung zu stellen, die sich von denjenigen herkömmlicher kristalliner Siliciumblöcke und Silicium-Wafer unterscheiden.
Ein kristalliner Siliciumblock gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist einen unteren Teil auf und legt eine Vertikalrichtung fest. Insbesondere beinhaltet der kristalline Siliciumblock eine Vielzahl von in der Vertikalrichtung gewachsenen Siliciumkörnern und eine Nukleationsförderungsschicht am unteren Teil. Überdies besitzen die zur Nukleationsförderungsschicht benachbarten Siliciumkörner eine durchschnittliche Korngröße von weniger als ca. 10 mm.
Bei einer Ausführungsform liegt eine Zunahmerate der Defektdichte des kristallinen Siliciumblocks in der Vertikalrichtung in einem Bereich zwischen 0,01%/mm und 10%/mm.
Bei einer Ausführungsform ist die Nukleationsförderungsschicht aus einer Vielzahl von unregelmäßig geformten Kristallpartikeln zusammengesetzt. Jedes der Kristallpartikel weist eine Partikelgröße von weniger als ca. 50 mm auf.
Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei der Vielzahl von Kristallpartikeln um poly-Si-Partikel, mono-Si-Partikel, Einkristall-Siliciumcarbid oder andere Kristallpartikel mit einem Schmelzpunkt von mehr als 1400°C und der Fähigkeit, die Nukleation zu erleichtern.
Bei einer anderen Ausführungsform ist die Nukleationsförderungsschicht eine Platte aus einem Material mit einem Schmelzpunkt von mehr als etwa 1400°C. Die Oberfläche der mit der Siliciumschmelze in Berührung stehenden Platte weist eine Rauigkeit von 300 μm bis 1000 μm auf und stellt somit multiple Nukleationsorte für die Vielzahl von Siliciumkörnern zur Verfügung.
Bei einer Ausführungsform liegen die vorwiegenden Kristallorientierungen in den Siliciumkörnern zwischen (001) und (111), und ein Volumenprozentanteil der Siliciumkörner mit den vorwiegenden Kristallorientierungen ist größer als ca. 50%.
Ein Silicium-Wafer gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beinhaltet eine Vielzahl von Siliciumkörnern. Insbesondere liegen vorwiegende Kristallorientierungen in den Siliciumkörnern zwischen (001) und (111), und ein Volumenprozentanteil der Siliciumkörner mit den vorwiegenden Kristallorientierungen ist größer als ca. 50%. Der erfindungsgemäße Silicium-Wafer besitzt kristalline Eigenschaften, die sich von denjenigen herkömmlicher kristalliner Silicium-Wafer unterscheiden.
Im Gegensatz zum Stand der Technik mit teueren mono-Si-Saaten und örtlich begrenztem Unterkühlen für die Ausbildung von Siliciumkörnern auf dem Boden des Schmelztiegels stellt die Erfindung die Siliciumschmelze mit dichten Nukleationsorten unter Verwendung einer kostengünstigeren Nukleationsförderungsschicht zur Verfügung. Es wird eine hochdichte Kornverteilung erreicht, mit der die Erzeugung gewisser schnell wachsender Orientierungen unterbunden wird, wodurch das Verteilungsverhältnis großer Siliciumkörner stark verringert wird. Da eine Konkurrenz zwischen Körnern mit einer geringen Größe während des Wachstumprozesses mit einer viel geringeren Häufigkeit auftritt und Körner mit einer geringen Größe aufgrund einer großen Dichte der Kornpopulation dazu tendieren, in einer im Allgemeinen einzelnen Richtung nach oben zu wachsen, werden Situationen, in denen die Körner mit einer geringen Größe von den großen Körnern verdrängt werden, effektiv reduziert, wodurch ein vollständiges Wachstum der säulenförmigen Kristalle ermöglicht wird. Dar über hinaus ziehen die in dem erfindungsgemäßen Block dicht verteilten Korngrenzflächen durch ihr Spannungsfeld während des Wachstums der Kristalle Defekte an, die sich agglomerieren oder an den Korngrenzflächen vergleiten (Slip), so dass thermische Spannungen entspannt werden. Dementsprechend wird eine Zunahme von Defekten wie etwa Verwerfungen wirksam gehemmt, was zu einer besseren Qualität des kristallinen Siliciumblocks und einem höheren photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad der daraus gefertigten Solarzelle führt.
Charakteristiken, Ausführung und Funktionen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen und die beigefügte Zeichnung dargelegt.
KURZBESCHREIBUNG DER BEIGEFÜGTEN ZEICHNUNG
Ein besseres Verständnis dieser und weiterer Merkmale und Vorteile der verschiedenen, vorliegend offengelegten Ausführungsformen erschließt sich durch Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung und die Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen durchgehend gleiche Teile bezeichnen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Erfassungsresultats der Kristallorientierungen gängiger poly-Si-Blöcke bei Projektion auf ein Dreick aus den Kristallorientierungen (001), (111) und (101) in einem Polardiagramm der Kristallgeometrie;
2 eine schematische Schnittansicht eines kristallinen Siliciumblocks gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
3–5 schematische Schnittansichten eines Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen kristallinen Siliciumblocks;
6 eine Schnittansicht einer Nukleationsförderungsschicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
7 ein Diagramm des Verhältnisses verschiedener Kristallorientierungen in dem erfindungsgemäßen kristallinen Siliciumblock;
8 ein Diagramm zum Vergleich der Siliciumkorngröße des kristallinen Siliciumblocks einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und des herkömmlichen kristallinen Siliciumblocks;
9 ein Diagramm zum Vergleich der Defektdichte des kristallinen Siliciumblocks einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und derjenigen des herkömmlichen kristallinen Siliciumblocks;
10 ein Metallogramm zur Korngröße im unteren, mittleren und oberen Teil des kristallinen Siliciumblocks einer bevorzugten Ausführungsform;
11 is eine Metallogramm zur Korngröße im unteren, mittleren und oberen Teil des herkömmlichen kristallinen Siliciumblocks;
12 eine Säulengrafik zum Vergleich des photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrades der jeweils aus dem unteren, mittleren und oberen Teil (in Vertikalrichtung ca. 250 mm vom unteren Teil entfernt) der Blöcke A (einer bevorzugten Ausführungsform) und B (herkömmlich) hergestellten Solarzelle;
13 ein Diagramm der Variation der Defektdichte entlang der Höhe der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und unter Verwendung von mono-Si-Chucks mit unterschiedlichen Partikelgrößen als Nukleationsförderungsschicht hergestellten kristallinen Siliciumblöcke.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf 2 ist dort ein kristalliner Siliciumblock 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch gezeigt.
Wie in 2 gezeigt ist, weist der kristalline Siliciumblock 1 der Erfindung einen unteren Teil auf und legt eine Vertikalrichtung V fest. Insbesondere beinhaltet der erfindungsgemäße kristalline Siliciumblock 1 eine Vielzahl von in der Vertikalrichtung V gewachsenen Siliciumkörnern 12 und eine Nukleationsförderungsschicht 2 an seinem unteren Teil. Überdies besitzen die zur Nukleationsförderungsschicht 2 benachbarten Siliciumkörner 12 eine durchschnittliche Korngröße von weniger als ca. 10 mm.
Unter Bezugnahme auf die 3–5 ist dort ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen kristallinen Siliciumblocks schematisch gezeigt.
Wie in 3 gezeigt ist, wird die Nukleationsförderungsschicht 2 auf dem Boden des Formwerkzeugs 3 (wie etwa eines Quarztiegels) vorgelegt, das die Vertikalrichtung V festlegt.
Bei einer Ausführungsform setzt sich die Nukleationsförderungsschicht 2 aus eine Vielzahl von unregelmäßig geformten Kristallpartikeln 22 zusammen, die jeweils eine Partikelgröße von weniger als ca. 50 mm besitzen. Mit anderen Worten wird die Mehrzahl von Kristallpartikeln 22 über den Boden des Formwerkzeugs 3 verbreitet, um die Nukleationsförderungsschicht 2 auszubilden.
Bei einer Ausführungsform kann es sich bei der Vielzahl von Kristallpartikeln 22 um poly-Si-Partikel, mono-Si-Partikel, Einkristall-Siliciumcarbid oder andere Kristallpartikel mit einem Schmelzpunkt von mehr als 1400°C handeln, welche die Fähigkeit besitzen, die Nukleation zu erleichtern. Bei einem Beispiel kann es sich bei der Vielzahl der Kristallpartikeln 22 um kommerziell verfügbare poly-S oder mono-Si-(„chips”) oder -Brocken („chunks”) handeln, die bedeutend kostengünstiger als die mono-Si-Impfkristalle sind. Als Nächstes werden die poly-Si- oder mono-Si-Splitter oder -Brocken gemäß der Darstellung in 3 über den Boden des Formwerkzeugs 3 ausgebreitet, so dass sie die Nukleationsförderungsschicht 2 ausbilden.
Als Nächstes wird eine Siliciumquelle 14 auf der Nukleationsförderungsschicht 2 in dem Formwerkzeug 3 vorgelegt. Das Formwerkzeug 3 mit der Nukleationsförderungsschicht 2 und der Siliciumquelle 14 darin wird in einem Kristallzüchtungsofen eines Systems zur gerichteten Erstarrung angeordnet (in den Figuren nicht gezeigt). Das Formwerkzeug 3 wird erhitzt, bis die Siliciumquelle 14 vollständig zu einer Siliciumschmelze 16 erschmolzen ist, wie in 4 gezeigt ist. Im Falle der als die Nukleationsförderungsschicht 2 eingebrachten poly-Si oder mono-Si-Splitter oder -Brocken 22 werden während des Erschmelzens der Siliciumquelle 14 Anteile der poly-Si- oder mono-Si-Splitter oder -Brocken 22 erschmolzen, während andere Anteile nicht erschmolzen werden.
Daraufhin wird das Formwerkzeug 3 im Zuge eines Vorgangs zur gerichteten Erstarrung gekühlt, um es zu ermöglichen, dass eine Vielzahl von Siliciumkörnern 12 auf der Siliciumschmelze 16 auf der Nukleationsförderungsschicht 2 nukleiert und in der Vertikalrichtung V wächst, wie in 5 gezeigt ist. Bei einer Ausführungsform nukleieren die Siliciumkörner 12 aus der Siliciumschmelze 16 auf der Nukleationsförderungsschicht 2 und wachsen so in der Vertikalrichtung V, dass sie eine zwei- bis dreimal größere durchschnittliche Korngröße aufweisen. The Der Wachstumsfaktor der durchschnittlichen Korngröße von Siliciumkörnern berechnet sich durch die nachstehende Formel: S_f/S_i, in der S_i die durchschnittliche Korngröße nukleierter Siliciumkörner 34 angibt und S_f die durchschnittliche Korngröße der nukleierten und anschließend gezüchteten Siliciumkörner 34 angibt.
Bei einer anderen, in 6 gezeigten Ausführungsform kann es sich bei der Nukleationsförderungsschicht 2 um eine Platte 24 aus einem Material mit einem Schmelzpunkt von mehr als 1400°C wie etwa hochreines Graphit, Silicium, oder Keramikmaterialien wie Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid handeln. Die Oberfläche der mit der Siliciumschmelze 16 in Berührung stehenden Platte 24 besitzt eine Rauigkeit von 300 μm bis 1000 μm, um multiple Nukleationsorte für die Vielzahl von Siliciumkörnern 34 zur Verfügung zu stellen.
Gemäß der Darstellung in 2 wird abschließend im Zuge eines Vorgangs zur gerichteten Erstarrung das Formwerkzeug 3 weiterhin gekühlt, um die Vielzahl der Siliciumkörner 12 in der Vertikalrichtung V zu züchten, bis die gesamte Siliciumschmelze 16 verfestigt ist, um den kristallinen Siliciumblock 1 zu erhalten.
Bei einer Ausführungsform hat die Nukleationsförderungsschicht 2 auch die Funktion, die Zunahme der Defektdichte der Vielzahl der Siliciumkörner 12 während des Wachstumprozesses zu beschränken. Die Zunahmerate der Defektdichte des auf diese Weise erhaltenen kristallinen Siliciumblocks 1 in der Vertikalrichtung V liegt in einem Bereich zwischen 0,01%/mm und 10%/mm, der durch die nachfolgende Formel bestimmt wird: (D_x2 – D_x1)/(x2 – x1) wobei x1 und x2 zwei jeweils verschiedene Niveaus in der Vertikalrichtung des Blocks angeben, und D_x1 und D_x2 die Defektdichten des Blocks in den tangierenden Ebenen auf den Niveaus x1 bzw. x2 angeben.
Selbst Siliciumkörner mit einer geringen Größe können die Zunahmerate wirksam beschränken. In dem kristallinen Siliciumblock 1 der Erfindung besteht eine stärkere Möglichkeit, dass die Siliciumkörner mit einer geringen Größe (< 10 mm) in der Mitte des unteren Teils auftreten, während um die Seite oder Ecke des unteren Teils des Blocks nur eine kleinere Anzahl von Siliciumkörnern mit einer geringen Größe (< 10 mm) auftritt. Es zeigt sich, dass das Verhältnis des von den Siliciumkörnern mit einer geringen Größe eingenommenen (Flächen-)Bereichs in einer tangierenden Ebene entlang der Vertikalrichtung V die Wachstumsrate und die Zunahmerate der Defektdichte der Körner beeinflusst.
Die vorwiegenden Kristallorientierungen in den Siliciumkörnern des erfindungsgemäßen kristallinen Siliciumblocks liegen zwischen (001) und (111), und ein Volumenprozentanteil der Siliciumkörner mit den vorwiegenden Kristallorientierungen ist größer als ca. 50%.
Unter Bezugnahme auf 7 wird eine geometrische Kristallanalyse des erfindungsgemäßen kristallinen Siliciumblocks der Erfindung mittels EBSD (Electron BackScatter Diffraction) vorgenommen, und ein Verhältnis verschiedener Kristallorientierungen in den Siliciumkörnern des kristallinen Siliciumblocks ist in 7 gezeigt.
7 zeigt, dass die vorwiegenden Kristallorientierungen in den Siliciumkörnern des kristallinen Siliciumblocks gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zwischen (001) und (111) liegen, und ein Volumenprozentanteil der die vorwiegenden Kristallorientierungen aufweisenden Siliciumkörner größer als ca. 70% ist.
Ein Silicium-Wafer gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beinhaltet eine Vielzahl von Siliciumkörnern. Insbesondere liegen vorwiegende Kristallorientierungen in den Siliciumkörnern zwischen (001) und (111), und ein Volumenprozentanteil der Siliciumkörner mit den vorwiegenden Kristallorientierungen ist größer als ca. 50%. Es ist ersichtlich, dass der erfindungsgemäße Silicium-Wafer kristalline Eigenschaften besitzt, die sich von denjenigen herkömmlicher kristalliner Silicium-Wafer unterscheiden. Bei einer Ausführungsform ist ein Volumenprozentanteil der Siliciumkörner des erfindungsgemäßen Silicium-Wafers mit den vorwiegenden Kristallorientierungen größer als ca. 70%.
Bei einer Ausführungsform kann der erfindungsgemäße Silicium-Wafer aus dem kristallinen Siliciumblock 1 gefertigt werden, wie in 2 gezeigt ist.
Die 8 und 9 sind Diagramme, die jeweils die Beziehungen zwischen der durchschnittlichen Korngröße und der Defektdichte (im Defektbereichsverhältnis (%)) bezogen auf das Niveau des Blocks zwischen dem kristallinen Siliciumblock A einer bevorzugten Ausführungsform und dem mit dem herkömmlichen Verfahren hergestellten kristallinen Siliciumblock B zeigen. Den Daten für Block A in 8 ist zu entnehmen, dass die durchschnittliche Korngröße während des anfänglichen Stadiums etwa 7,4 mm beträgt und die durchschnittliche Korngröße während des abschließenden Stadiums etwa 18,4 mm beträgt. Somit beträgt die endgültige durchschnittliche Korngröße etwa 2,49 (= 18,4/7,4) der anfänglichen durchschnittlichen Korngröße, was zwischen 2 und 3 liegt. 9 zeigt insbesondere die Defektbereichsverhältnisse um die Ecke, die Seitenwand und die Mitte von sowohl Block A als auch Block B
10 ist ein Metallogramm der Korngröße am unteren, mittleren und oberen Teil (in Vertikalrichtung ca. 250 mm vom unteren Teil entfernt) des Blocks A einer bevorzugten Ausführungsform, während 11 ein Metallogramm der Korngröße am unteren, mittleren und oberen Teil (in Vertikalrichtung ca. 250 mm vom unteren Teil entfernt) des Blocks B ist. Die Blöcke A und B haben in diesem Fall eine Höhe von 250 mm.
12 ist eine Säulengrafik zum Vergleich des photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrades der Solarzellen, die jeweils aus dem unteren, mittleren und oberen Teil (in Vertikalrichtung ca. 250 mm vom unteren Teil entfernt) der Blöcke A und B gefertigt wurden. Wie in 12 gezeigt ist, ist der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad der aus Block A gefertigten Solarzelle, der in einem Bereich zwischen 17,41% und 17,56% liegt, um etwa 0,6% höher als derjenige der aus Block B gefertigten Solarzelle, der in einem Bereich zwischen 16,70% und 17,10% liegt. Außerdem besitzen die aus dem unteren, mittleren und oberen Teil des Blocks gefertigten Solarzellen relativ nahe beieinander liegende photoelektrische Umwandlungswirkungsgrade, was von großem kommerziellem Wert und für den Zellenhersteller von Vorteil ist.
Aus den 8–12 ist ersichtlich, dass bei Block B die Siliciumkörner groß sind und am Boden des Schmelztiegels eine niedrigere Defektdichte aufweisen, während die Defektdichte mit zunehmendem Wachstum der Siliciumkörner rapide zunimmt. Somit ist der auf diese Weise erhaltene kristalline Siliciumblock insgesamt betrachtet von geringer Qualität, wobei der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad der hieraus gefertigten Solarzelle zweifellos niedriger ist. Bei der Herstellung von Block A hingegen wird die Nukleationsförderungsschicht als wirkungsvolle und dichte Nukleationsorte für die Siliciumschmelze eingebracht und verringert das Verteilungsverhältnis der großen Siliciumkörner beträchtlich. Da eine Konkurrenz zwischen Körnern mit einer geringen Größe während des Wachstumprozesses mit einer viel geringeren Häufigkeit auftritt und Körner mit einer geringen Größe aufgrund einer großen Dichte der Kornpopulation dazu tendieren, in einer im Allgemeinen einzelnen Richtung nach oben zu wachsen, werden Situationen, in denen die Körner mit einer geringen Größe von den großen Körnern verdrängt werden, effektiv reduziert, wodurch ein vollständiges Wachstum der säulenförmigen Kristalle ermöglicht wird. Darüber hinaus tragen die im Block A mit einer dichten Verteilung vorliegenden Korngrenzflächen während des Wachstums der Kristalle dazu bei, Defekte durch ein Spannungsfeld zu konzentrieren, oder die Defekte können an den Korngrenzflächen vergleiten, so dass thermische Spannungen entspannt werden. Dementsprechend wird eine Zunahme von Defekten wie etwa Verwerfungen wirksam gehemmt, was zu einer besseren Qualität des kristallinen Siliciumblocks insgesamt und einem höheren photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad der daraus gefertigten Solarzelle führt.
Unter Bezugnahme auf 13 ist die Variation der Defektdichte entlang der Höhe der kristallinen Siliciumblöcke gezeigt, die erfindungsgemäß und unter Verwendung von mono-Si-Chucks mit unterschiedlichen Partikelgrößen als Nukleationsförderungsschicht hergestellt wurden. Die verwendeten mono-Si-Chucks beinhalten mono-Si-Chucks von weniger als 10 mm, mono-Si-Chucks von 7–20 mm, und mono-Si-Chucks von 10–40 mm. Auf ähnliche Weise sind die Defektdichten in 13 durch Defektbereiche dargestellt. Aus 13 ist ersichtlich, dass die Defektdichten in den kristallinen Siliciumblöcken, die gemäß der Erfindung und unter Verwendung der genannten mono-Si-Chucks gefertigt wurden, insgesamt weniger sind.
Aus der vorstehenden Beschreibung der Erfindung dürfte hervorgehen, dass verschiedene Verfahrensweisen verwendet werden können, um die Grundgedanken der Erfindung auszuführen, ohne deren Schutzbereich zu verlassen. Auch wenn die Erfindung unter spezifischer Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, dürfte es für den Durchschnittsfachmann überdies erkennbar sein, dass Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die beschriebenen Ausführungsformen sind in allen Belangen als veranschaulichend und nicht einschränkend aufzufassen. Der Schutzbereich der Erfindung ist durch die beigefügten Ansprüche definiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

TW 100143484 [0001]
TW 101208779 [0001]

Claims

Kristalliner Siliciumblock, der einen unteren Teil aufweist und eine Vertikalrichtung festlegt, dadurch gekennzeichnet, dass: der kristalline Siliciumblock eine Vielzahl von in der Vertikalrichtung gewachsenen Siliciumkörnern und eine Nukleationsförderungsschicht am unteren Teil beinhaltet, wobei die zur Nukleationsförderungsschicht benachbarten Siliciumkörner eine durchschnittliche Korngröße von weniger als ca. 10 mm besitzen.
Kristalliner Siliciumblock nach Anspruch 1, wobei eine Zunahmerate der Defektdichte des kristallinen Siliciumblocks in der Vertikalrichtung in einem Bereich zwischen 0,01%/mm und 10%/mm liegt.
Kristalliner Siliciumblock nach Anspruch 1, wobei die Nukleationsförderungsschicht aus eine Vielzahl von unregelmäßig geformten Kristallpartikeln zusammengesetzt ist, die jeweils eine Partikelgröße von weniger als ca. 50 mm aufweisen.
Kristalliner Siliciumblock nach Anspruch 3, wobei die Vielzahl der Kristallpartikel eines beinhaltet, das aus der Gruppe bestehend aus einem poly-Si-Partikel, einem mono-Si-Partikel, und einem Einkristall-Siliciumcarbid ausgewählt ist.
Kristalliner Siliciumblock nach Anspruch 1, wobei die Nukleationsförderungsschicht eine Platte aus einem Material mit einem Schmelzpunkt von mehr als etwa 1400°C ist, und die Oberfläche der mit der Siliciumschmelze in Berührung stehenden Platte eine Rauigkeit von 300 μm bis 1000 μm aufweist und somit multiple Nukleationsorte für die Vielzahl von Siliciumkörnern zur Verfügung stellt.
Kristalliner Siliciumblock nach Anspruch 1, wobei vorwiegende Kristallorientierungen in den Siliciumkörnern zwischen (001) und (111) liegen, und ein Volumenprozentanteil der Siliciumkörner mit den vorwiegenden Kristallorientierungen größer als ca. 50% ist.
Kristalliner Siliciumblock nach Anspruch 1, wobei vorwiegende Kristallorientierungen in den Siliciumkörnern zwischen (001) und (111) liegen, und ein Volumenprozentanteil der Siliciumkörner mit den vorwiegenden Kristallorientierungen größer als ca. 70% ist.
Silicium-Wafer, der eine Vielzahl von Siliciumkörnern beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass: vorwiegende Kristallorientierungen in den Siliciumkörnern zwischen (001) und (111) liegen, und ein Volumenprozentanteil der Siliciumkörner mit den vorwiegenden Kristallorientierungen größer als ca. 50% ist.
Silicium-Wafer nach Anspruch 8, wobei der Silicium-Wafer aus dem kristallinen Siliciumblock gemäß Anspruch 1 gefertigt ist.
Silicium-Wafer, der eine Vielzahl von Siliciumkörnern beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass: vorwiegende Kristallorientierungen in den Siliciumkörnern zwischen (001) und (111) liegen, und ein Volumenprozentanteil der Siliciumkörner mit den vorwiegenden Kristallorientierungen größer als ca. 70% ist.
Silicium-Wafer nach Anspruch 10, wobei der Silicium-Wafer aus dem kristallinen Siliciumblock gemäß Anspruch 1 gefertigt ist.