TW201402885A - 多晶矽晶塊的製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種多晶矽晶塊的製造方法，包含：(A)準備一裝有矽熔湯的容器，保持該矽熔湯表面溫度高於矽熔點，並將該容器的底部溫度自一初始溫度降溫至一第一溫度，而且本步驟的降溫速率大於或等於2.6℃/分鐘。(B)將該容器的底部溫度升溫至一個小於該初始溫度的第二溫度，接著再進行一次降溫與一次升溫，本步驟的降溫速率大於或等於2.6℃/分鐘。(C)降溫以形成多晶矽晶塊。本發明透過至少兩次的快速降溫與兩次的升溫，利用溫度反覆變化以成長出樹枝晶結構，可得到較大的晶粒尺寸，使成長出的多晶矽晶塊具有較佳的結晶性。

Description

多晶矽晶塊的製造方法
本發明是有關於一種矽晶塊的製造方法，特別是指一種多晶矽晶塊的製造方法。
已知應用於多晶矽(Polycrystalline Silicon)太陽能電池的多晶矽晶片，是由多晶矽晶塊切割而成，而多晶矽晶塊的製法，主要是將矽原料置於熔煉爐中，經過加熱使矽原料轉變為矽熔湯，再將矽熔湯降溫冷卻而凝固形成多晶矽晶塊。
但由於傳統的晶塊製造方法僅利用簡單的降溫凝固方式，此種製法無法有效地控制晶塊的結晶性，製作出的晶塊的晶粒尺寸小、晶界(grain boundary)數量多，而該晶塊切割出的晶片作為電池基板時，會導致電池的開路電壓及轉換效率下降，所以已知的多晶矽晶塊的製法有待改良。
因此，本發明之目的，即在提供一種晶粒尺寸大，結晶性佳的多晶矽晶塊的製造方法。
於是，本發明多晶矽晶塊的製造方法，包含：步驟A：準備一裝有矽熔湯的容器，保持該矽熔湯表面溫度高於矽熔點，並將該容器的底部溫度自一初始溫度降溫至一第一溫度，而且本步驟的降溫速率大於或等於2.6℃/分鐘，該初始溫度大於矽熔點；步驟B：保持矽熔湯表面溫度高於矽熔點，並將該容器 的底部溫度升溫至一個小於該初始溫度的第二溫度，接著再進行一次降溫與一次升溫，而且本步驟的降溫速率大於或等於2.6℃/分鐘；及步驟C：降溫以形成多晶矽晶塊。
本發明之功效：透過至少兩次的快速降溫與兩次的升溫，利用溫度反覆變化以成長出樹枝晶結構，可得到較大的晶粒尺寸，使成長出的多晶矽晶塊具有較佳的結晶性。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖1、2、3，本發明多晶矽晶塊的製造方法之較佳實施例，包含以下步驟：
(1)進行步驟31：準備一裝有矽熔湯2的容器1，並且保持該矽熔湯2的表面溫度高於矽熔點。接著將該容器1的底部溫度自一初始溫度T0降溫至一第一溫度T1，使位於該容器1底部的矽熔湯2的溫度降低。本步驟用於使底部的矽熔湯2經歷第一次的快速冷卻，又稱為超冷(super-cooling)步驟，藉此可生長出雙晶(twins)的晶體結構，而且雙晶的生長密度愈高，愈有助於樹枝晶(dendrite)結構的成長，而樹枝晶結構可以增加晶粒大小，有利於形成品質佳的多晶矽晶塊。
具體而言，該容器1為熔煉爐，降溫時主要是將冷空氣吹向該容器1的底部而達成，而且一開始為了保持矽原 料呈熔融狀態，本發明的初始溫度T0必須大於矽熔點(約為1410℃左右)，而該第一溫度T1較佳地小於或等於1280℃，更佳地小於或等於1000℃，在本實施例中，該第一溫度T1為1260℃。而且本步驟的降溫速率較佳地大於或等於2.6℃/分鐘，更佳地大於或等於6℃/分鐘，降溫速率會影響樹枝晶的生長，降溫速率愈大愈能幫助樹枝晶的形成。
此外，由於本步驟為基礎步驟，本步驟形成的多晶矽基底(Polycrystalline Silicon Base)的均勻性會影響最後形成的多晶矽晶塊的品質，而降溫幅度乃是影響多晶矽基底的均勻性的關鍵，在足夠的時間內，降溫幅度夠大才能提升多晶矽基底的均勻性，因此本發明對該第一溫度T1加以限定。
(2)進行步驟32：持續保持矽熔湯2表面溫度高於矽熔點，並將該容器1的底部溫度升溫至一個小於該初始溫度T0的第二溫度T2。
本步驟的目的在於：利用較高的溫度去除上一步驟中可能產生的不穩定晶粒與雜質。而該第二溫度T2如果過低將不能達到前述的去除功效，該第二溫度T2如果過高則會使上一步驟所形成的雙晶熔化，因此較佳地該第二溫度T2大於或等於1340℃，且小於1380℃。
(3)進行步驟33：接著再進行一次降溫與一次升溫，同樣是針對容器1底部進行，透過本步驟與前述步驟31、32配合，乃是利用反覆的溫度升降來幫助成長樹枝晶結構。具體而言，本實施例是先使容器1的底部降溫到1260℃左 右，接著再升溫到1340℃左右。當然，上述數值僅是本實施例之舉例，不以此為限。
本步驟的降溫速率較佳地大於或等於2.6℃/分鐘，更佳地大於或等於6℃/分鐘，此限定同樣是因為較快的降溫速率有助於樹枝晶結構的成長。
(4)進行步驟34：接著再將該容器1底部降溫，該矽熔湯2即會由底部慢慢往上固化而形成多晶矽晶塊。後續可再進行退火(annealing)步驟以消除該多晶矽晶塊之內部應力，在本實施例中，退火步驟之溫度範圍大約由1300℃到1000℃，退火時間約為3小時，最後再使該多晶矽晶塊降溫至室溫。需要說明的是，本步驟也可以先對容器1底部進行至少一次的降溫與至少一次的升溫後，再進行退火。
由於在反覆升溫與降溫的環境中，才利於樹枝晶生長，因此本發明主要是透過至少兩次的快速降溫與兩次的升溫，利用溫度反覆變化來使容器1底部成長出樹枝晶結構，得到較大的晶粒尺寸，而多晶矽晶塊是由矽熔湯2的底部往上逐漸固化形成，因此當底部的晶粒尺寸大、結構佳時，往上凝固形成的晶塊整體自然也會有較佳的品質與結晶性。
參閱圖4、5，分別為一個比較例的晶塊與本發明的晶塊的照片，比較例是使用傳統方法製作出的多晶矽晶塊，圖4顯示其晶粒尺寸小、晶向凌亂、晶界數量多，並且容易形成次晶粒(sub-grains)，該晶塊切割下的晶片應用於太陽能電池時，會降低電池的光電轉換效率。反觀本發明， 由於利用反覆的升溫與降溫步驟控制晶粒成長，因此本發明的晶粒尺寸較大、晶界較少、結晶性較佳，有助於提升電池的轉換效率。
經由電性測量得到：使用比較例的晶片所製成的電池，光電轉換效率最高為17.12%，開路電壓最高為0.624伏特。而本發明的晶片所製成的電池，光電轉換效率最高可達到17.47%，開路電壓最高為0.625伏特，優於比較例。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧容器
2‧‧‧矽熔湯
31~34‧‧‧步驟
T0‧‧‧初始溫度
T1‧‧‧第一溫度
T2‧‧‧第二溫度
圖1是一示意圖，顯示本發明多晶矽晶塊的製造方法之一較佳實施例所使用的裝置；圖2是一流程圖，顯示該較佳實施例的各個步驟；圖3是一溫度與時間的關係圖，主要顯示本發明各個步驟進行的過程中，溫度隨著時間的變化趨勢；圖4顯示傳統方法製作出的晶塊的照片；及圖5顯示本發明該較佳實施例的方法製作出的晶塊的照片。
31~34‧‧‧步驟

Claims (7)

  1. 一種多晶矽晶塊的製造方法，包含：步驟A：準備一裝有矽熔湯的容器，保持該矽熔湯表面溫度高於矽熔點，並將該容器的底部溫度自一初始溫度降溫至一第一溫度，而且本步驟的降溫速率大於或等於2.6℃/分鐘，該初始溫度大於矽熔點：步驟B：保持矽熔湯表面溫度高於矽熔點，並將該容器的底部溫度升溫至一個小於該初始溫度的第二溫度，接著再進行一次降溫與一次升溫，而且本步驟的降溫速率大於或等於2.6℃/分鐘；及步驟C：降溫以形成多晶矽晶塊。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之多晶矽晶塊的製造方法，其中，步驟A的降溫速率大於或等於6℃/分鐘。
  3. 依據申請專利範圍第1項或第2項所述之多晶矽晶塊的製造方法，其中，步驟A的第一溫度小於或等於1280℃。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述之多晶矽晶塊的製造方法，其中，步驟B的第二溫度大於或等於1340℃，且小於1380℃。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之多晶矽晶塊的製造方法，其中，步驟C是先進行至少一次的降溫與至少一次的升溫後再退火。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述之多晶矽晶塊的製造方法，其中，步驟B的降溫速率大於或等於6℃/分鐘。
  7. 依據申請專利範圍第5項所述之多晶矽晶塊的製造方法，其中，退火步驟之溫度範圍由1300℃到1000℃，退火時間為3小時。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3523986B2 (ja) * 1997-07-02 2004-04-26 シャープ株式会社 多結晶半導体の製造方法および製造装置
US6951585B2 (en) * 2002-04-05 2005-10-04 Canon Kabushiki Kaisha Liquid-phase growth method and liquid-phase growth apparatus
JP4203603B2 (ja) * 2005-11-30 2009-01-07 国立大学法人東北大学 半導体バルク多結晶の作製方法
US20090272720A1 (en) * 2008-05-01 2009-11-05 Jian Zhong Yuan Method and heating device for forming large grain size silicon material structure for photovoltaic devices
US9109301B2 (en) * 2009-12-14 2015-08-18 Sino-American Silicon Products, Inc. Crystalline silicon formation apparatus

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