[发明专利]制造几何多晶铸硅的方法和装置及用于光电池的几何多晶铸硅实体

说明书

说明

本发明是在美国政府的支持下完成的，能源部(DOE)授予的DOE 合同号为DE-AC36-98GO10337，国家可再生能源实验室(NREL)的转包 合同号为ZDO-2-30628-03。美国政府拥有本发明的某些权利。

相关申请

本申请要求2006年1月20日提交的美国临时申请60/760453、2006 年5月30日提交的美国临时申请60/808954、2006年8月24日提交的 美国临时申请60/839672和2006年8月24日提交的美国临时申请 60/839670的优先权益，这些内容整体都明确地全文引入到本文中以供 参考。

技术领域

本发明一般涉及光电领域，以及涉及制造用于光电应用的铸硅 (cast silicon)的方法及装置。本发明进一步涉及新形式的铸硅，其可用 于制造诸如光电池以及其它半导体器件的器件。该新型硅可以具有几 何规则的多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。光电池最重要的量度标准之一就是其将 光能转换成电能的效率。虽然可以由多种半导体材料制造光电池，但 硅是普遍使用的，因为它易于以合理的成本获得，并且因为它在适合 于制造光电池的电、物理及化学性能方面取得了平衡。

在制造光电池的已知步骤中，使硅原料与诱导正或负导电类型的 材料(或掺杂剂)混合，熔融，然后通过将结晶硅从熔体区中拉出成单晶 硅锭(通过直拉(CZ)或浮区(FZ)法)，或者铸造成多晶硅(multi-crystalline silicon)或多结晶硅(polycrystalline silicon)的块或“砖(bricks)”来结晶， 这取决于单个硅晶粒的晶粒尺寸。在上述步骤中，通过已知的片切或 锯切法将锭或块切成薄基片，也称晶片。然后可以将这些晶片加工成 光电池。

一般通过CZ或FZ法生产用于光电池制造的单晶硅，两种方法都 是产生晶体硅的圆柱状晶棒(boule)的方法。对于CZ法，晶棒从熔融硅 池中缓慢拉出。对于FZ法，通过熔融区送入固体材料并在熔融区的另 一侧重新固化。按这些方式制造的单晶硅晶棒包含径向分布的杂质和 缺陷，例如氧致堆垛层错(OSF)环和间隙或空位团的“漩涡”缺陷。即 使存在着这些杂质和缺陷，单晶硅一般也为生产光电池的优选硅源， 因为它可以用来生产高效率的太阳能电池。然而，采用诸如上文所述 技术的已知技术生产单晶硅比常规的多晶硅成本高。

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，熔融硅被容纳在诸如石英坩埚的坩埚中，以受控的方式被冷 却，从而容许包含在其中的硅的结晶。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，用锯切或其它方式 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，其中在 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(kink)”往往以簇或位错线的形式成为结构 缺陷的核。据信，是这些位错以及往往被它们所吸引的杂质引起了由 常规多晶硅制成的运作的光电池中的电荷载体的快速复合。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等价光电池相比，由这种多 晶硅制成的光电池的效率一般也较低。然而，由于制造常规的多晶硅 相对简单且成本较低，以及电池加工中有效的缺陷钝化，多晶硅是用 于制造光电池的硅的更广泛的使用形式。