[发明专利]硅纯化模具和方法

说明书

优先权要求

本申请要求2012年2月1日提交的美国临时专利申请61/593,573的优先权的权益，其以全文引用方式并入本文。

背景技术

太阳能电池通过利用它们将阳光转化成电能的能力而可以成为可行的能源。硅是半导体材料和用于制造太阳能电池的原料来料。电池的电性质，即转化效率取决于硅的纯度。若干技术已经用于纯化硅。最公知的技术称为‘西门子方法(Siemens process)’。此技术基本上去除了存在于硅内的全部杂质。然而，此技术要求产生气相的硅，并将其再沉积为固相以去除杂质。其他技术包括区域精炼，以及定向凝固。

用于纯化大量硅的许多技术以如下原理进行操作：在硅晶体从熔融硅溶液凝固的同时，不利的杂质留在熔融溶液中。例如，浮区技术可通过使用移动液体将杂质推向模具的边缘以去除，从而用于制造硅单晶锭块。另一示例技术，丘克拉斯基技术(Czochralski technique)，可通过使用被缓慢拉出熔融溶液的晶种，以允许形成硅的单晶柱并同时将杂质留在溶液中，从而用于制造硅单晶锭块。另外的示例技术，例如布里奇曼(Bridgeman)或热交换器技术可用于通过使用受控的冷却速率而产生温度梯度，以引起定向凝固，从而制造硅多晶锭块。一直需要纯化效率和成本的改进。

发明内容

用于制造用于太阳能电池的硅晶体的各种技术利用坩埚或模具以在纯化操作过程中容纳熔融硅。纯化操作的一个挑战是在纯化过程中准确地控制坩埚内的温度。在一个实施例中，如果熔融硅合金的温度下降到共晶温度以下，可能形成不希望的共晶相。杂质可被捕获于共晶相中，可能需要额外的纯化以达到所需的硅纯度。

本发明的模具、模具系统和相关方法提供了使用部分凝固来纯化硅的方式。所述模具、模具系统和相关方法允许在结晶过程中对温度梯度进行控制，这可以产生用于太阳能电池的更高纯度的硅。一种硅纯化的方法可以包括冷却熔融硅合金，并从所述熔融合金中沉淀硅晶体，从而将杂质留在剩余的熔体中。一种硅纯化的方法随后可以包括将经沉淀的硅从熔融金属合金中分离。

为了更好地说明本文公开的模具、模具系统和相关方法，现在提供实施例的非限制性的列表：

在实施例1中，一种方法包括在坩埚中形成熔融金属合金，其中所述合金与硅形成二元共晶系统。所述方法还包括将所述熔融金属合金的至少一部分冷却至液线温度以下且共晶温度以上的温度，以从所述熔融金属合金中沉淀硅，控制坩埚内的温度，以在坩埚内保持在共晶温度以上的最小温度，以及从所述熔融金属合金中分离经沉淀的硅。

在实施例2中，实施例2的方法任选地配置成使得控制坩埚内的温度进一步包括控制坩埚内的热梯度，使得经沉淀的硅集中在坩埚的底部，且剩余的熔融金属合金集中在坩埚的上部部分。

在实施例3中，实施例1-2中的任一个或任意组合的方法任选地配置成使得在坩埚中形成熔融金属合金包括在坩埚中形成硅-铝合金。

在实施例4中，实施例1-3中的任一个或任意组合的方法任选地配置成使得在坩埚中形成熔融金属合金包括以约60重量％的硅和22重量％的硅之间，且余量基本上为铝的起始组成来形成硅-铝合金。

在实施例5中，实施例1-4中的任一个或任意组合的方法任选地配置成使得在坩埚中形成熔融金属合金包括以约50重量％的硅和30重量％的硅之间，且余量基本上为铝的起始组成来形成硅铝合金。

在实施例6中，实施例1-5中的任一个或任意组合的方法任选地配置成使得冷却包括将坩埚内的温度保持在约577℃-1100℃之间的范围内。

在实施例7中，实施例1-6中的任一个或任意组合的方法任选地配置成使得冷却包括将坩埚内的温度保持在约720℃-1100℃之间的范围内。

在实施例8中，实施例1-7中的任一个或任意组合的方法任选地配置成使得冷却包括将坩埚内的温度维持在约650℃-960℃之间的范围内。

在实施例9中，实施例1-8中的任一个或任意组合的方法任选地配置成使得控制坩埚内的温度包括覆盖坩埚的顶部。

在实施例10中，一种方法包括在坩埚中形成熔融金属合金，其中所述合金与硅形成二元共晶系统，将所述熔融金属合金冷却至液线温度以下且共晶温度以上的温度，以从所述熔融金属合金中沉淀硅，主动加热坩埚以在坩埚内保持在共晶温度以上的最小温度，以及从所述熔融金属合金中分离经沉淀的硅。

在实施例11中，实施例10的方法任选地配置成使得在坩埚中形成熔融金属合金包括在坩埚中形成硅-铝合金。