[发明专利]硅晶铸锭的制法以及硅晶铸锭

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅晶铸锭(crystalline silicon ingot)及其制造方法，并且特别是关于利用一硅晶种层(silicon seed layer)并基于一方向性凝固制程(directional solidification process)制造硅晶铸锭。

背景技术

大多的太阳能电池是吸收太阳光，进而产生光伏效应(photovoltaic effect)。目前太阳能电池的材料大部份都是以硅材为主，主要是因硅材为目前地球上最容易取到的第二多元素，并且其具有材料成本低廉、没有毒性、稳定性高等优点，并且其在半导体的应用上已有深厚的基础。

以硅材为主的太阳能电池有单晶硅、多晶硅以及非晶硅三大类。以多晶硅做为太阳能电池的原材，主要是基于成本的考虑，因为其价格相较于以传统的拉晶法(Czochralski method，CZ method)以及浮动区域法(floating zone method，FZ method)所制造的单晶硅，价格相对地便宜许多。

使用在制造太阳能电池上的多晶硅，传统上是利用一般铸造制程来生产。利用铸造制程来制备多晶硅，进而应用在太阳能电池上是众所皆知的技术。简言之，将高纯度的硅熔融在模内(例如，石英坩埚)，在控制凝固下被冷却以形成多晶硅铸锭。接着，所述多晶硅铸锭被切割成接近太阳能电池尺寸大小的晶圆，进而应用在制造太阳能电池上。以这种方法制造的多晶硅铸锭为硅结晶晶粒的聚集体，其中在由其制成的晶圆中，晶粒相互之间的晶向实际上是随机的。

在传统的多晶硅中，晶粒的随机晶向使得难以对所制成的芯片表面进行粗纹化。表面粗纹化是通过降低光反射并提高通过电池表面的光能吸收，来提高光伏电池的效率。另外，在传统的多晶硅晶粒之间的晶界中形成的″扭折″，倾向成核差排的簇集或多条线差排形式的结构缺陷。这些差排以及它们趋向吸引的杂质，造成了由传统的多晶硅制成的光伏电池中电荷载子的快速复合。这会导致电池的效率降低。由这类多晶硅制成的光电池通常比由单晶硅制成的等效光伏电池的效率低，即使考虑了在由传统技术制造的单晶硅中所存在的缺陷的径向分布。然而，因为制造传统的多晶硅相对简单且成本更低，以及在电池加工中有效的缺陷钝化，多晶硅是广泛用于制造光伏电池的硅材料的形式。

关于利用硅晶种并基于方向性凝固制成的先前技术，请参阅美国专利公开号第2010193031号。美国专利公开号第2010193031号揭示利用晶向为[100]的单晶硅作为主要晶种。其期望用于硅单晶太阳能电池制造硅晶圆的晶向为[100]方向，因为利用刻蚀方法方便地形成光捕获表面(1ight-trapping surface)。不幸的是，在[100]晶向的晶粒与随机成核的晶粒竞争的结晶期间[100]晶向的晶粒表现差。为了最大化在铸锭中引晶的结晶体积，美国专利公开号第2010193031号揭示利用[111]晶向的硅的边界包围[100]晶向的硅晶种面积。所述边界非常成功地抑制了其他晶向的晶体。以这种方法，能够铸造具有高性能的单晶硅及/或双晶(bi-crystal)硅块状体的铸锭，其最大化所得的晶圆的少数载流子的寿命，所述晶圆用于制造高效太阳能电池。在此，术语″单晶硅″是指单晶硅的主体，其在整个范围内具有一个一致的晶体晶向。术语″双晶硅″是指如下的硅的主体，其在大于或等于所述主体体积50％的范围内具有一个一致的晶体晶向，且在主体的剩余体积内具有另一个一致的晶体晶向。例如，这种双晶硅可以包含具有一个晶体晶向的单晶硅主体，其紧邻构成结晶硅剩余体积的另一种具有不同晶体晶向的单晶硅主体。此外，传统的多晶硅是指具有厘米规模的粒度分布的结晶硅，且在硅的主体内具有多种随机晶向的晶体。

然而，实际上利用[100]晶向的单晶硅作为主要晶种，制造所得的硅晶铸锭，经切片后的硅晶圆制成太阳能电池，其光电转换效率仍有提升的空间。也就是说，[100]晶向的单晶硅并非作为主要晶种的最佳选择。

此外，为了降低硅晶种层中两相邻单晶硅晶种的边界在硅晶铸锭制造过程中发展成有害缺陷的机率，美国专利公开号第20100193664号揭示将硅晶种层中两相邻单晶硅晶种的边界接合以消除缝隙。然而，此种作法大幅增加硅晶铸锭整体的制造成本。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供了一种无须将两相邻单晶硅晶种的边界接合，也能抑制两相邻单晶硅晶种的边界在硅晶铸锭制造过程中发展成有害缺陷的硅晶铸锭的制法以及硅晶铸锭。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的一种硅晶铸锭的制法按下述步骤进行：