[发明专利]用于纯化硅熔体的耐火坩埚的表面的衬里以及使用所述坩埚纯化硅熔体的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年6月25日提交的第61/663,934号美国临时申请的优先权利益，所述申请通过引用完整地并入本文。

背景技术

太阳能电池通过利用其将日光转换为电能的能力而可以是可行的能源。硅是在太阳能电池的制造中使用的半导体材料；然而，硅使用的限制涉及将其纯化至太阳能级(SG)的成本。从硅中分离杂质的有效方法、尤其是大规模的从硅中分离杂质的有效方法通常难以描述并且难以采用。

硅的重结晶是一种可以用来去除不期望的杂质的方法。在重结晶过程中，将具有杂质的硅溶解于溶剂中，然后使其从溶液中重结晶出来，形成较纯的硅。

概述

考虑到当前的能量需求和供应限制，本发明人已经认识到亟需将冶金级(MG)硅(或比太阳能级具有更大量的杂质的任何其他硅)纯化至太阳能级硅的更有成本效率的方式。本公开描述了用于重结晶硅的设备和方法。该设备可以包括容器，例如坩埚，所述容器由耐火材料制成，例如氧化铝。硅可以在坩埚中熔化，或者硅可以在坩埚内从溶液中重结晶以提供硅的纯化。衬里可以沉积到坩埚的耐火材料的内表面上，以防止或减少耐火材料对坩埚内包含的熔融硅或硅和铝溶液的污染，例如来自硼或磷的污染。衬里可以包含通过胶体氧化铝结合到一起的碳化硅颗粒。衬里可以对于每个结晶周期提供更纯的最终的硅，特别是在硼和磷污染物方面。

本公开描述了用于容纳熔融硅混合物的坩埚，所述坩埚包含至少一种耐火材料，所述耐火材料具有限定用于接收熔融硅混合物的内部的至少一个内表面，以及沉积到内表面上的衬里，所述衬里包含胶体氧化铝。

本公开还描述了用于纯化硅的方法，所述方法包括：使第一硅与包含铝的溶剂金属充分接触以提供第一混合物；在熔化坩埚的内部熔化第一混合物以提供熔融硅混合物，所述熔化坩埚包含至少一种耐火材料，所述耐火材料具有限定熔化坩埚的内部的内表面；在熔化第一混合物之前用包含胶体氧化铝的衬里涂覆熔化坩埚的内表面的至少一部分；充分冷却熔融硅混合物以形成重结晶的硅晶体和母液；和分离最终重结晶的硅晶体和母液。

本公开还描述了用于纯化硅的方法，所述方法包括：使第一硅与第一溶剂金属充分接触以提供第一混合物；用包含胶体氧化铝的第一衬里涂覆第一熔化坩埚的第一耐火材料的第一内表面的至少一部分；在第一熔化坩埚的内部熔化第一混合物以提供第一熔融硅混合物；充分冷却第一熔融硅混合物以形成第一硅晶体和第一母液；分离第一硅晶体和第一母液；使第一硅晶体与第二溶剂金属充分接触以提供第二混合物；用包含胶体氧化铝的第二衬里涂覆第二熔化坩埚的第二耐火材料的第二内表面的至少一部分；在第二熔化坩埚的内部熔化第二混合物以提供第二熔融硅混合物；充分冷却第二熔融硅混合物以形成第二硅晶体和第二母液；和分离第二硅晶体和第二母液。

本概述旨在提供本公开的主题的综述。其不旨在提供对本发明的排他的或穷尽的解释。包括详细说明以提供关于本公开的其他信息。

附图说明

在附图中，在全部几个视图中相同的数字可以用于描述相似的要素。具有不同字母后缀的相同数字可以用于表示相似要素的不同视图。举例而非限制性地，附图通常示出本文中所讨论的各种实例。

图1为通过单次完整操作循环的(one-pass)重结晶过程来纯化硅的示例方法的流程框图。

图2为通过两次完整操作循环的(two-pass)重结晶过程来纯化硅的示例方法的流程框图。

图3为通过三次完整操作循环的(three-pass)重结晶过程来纯化硅的示例方法的流程框图。

图4为可以用于纯化硅的坩埚的实例的横截面图。

图5为涂覆在图4的示例坩埚的内表面上的衬里的第一实例的特写横截面图。

图6为涂覆在图4的示例坩埚的内表面上的衬里的第二实例的特写横截面图。

详述

本公开描述了用于使用重结晶来纯化硅的设备和方法。该设备和方法可以包括在容纳熔融硅或者硅与熔融溶剂(例如铝)的溶液的坩埚内使用衬里，其中衬里可以防止或减少坩埚的耐火材料对熔融硅或者熔融溶剂和硅的污染。本发明的设备和方法可以用于制作用于太阳能电池的硅晶体。

定义

单数形式“一(a或an)”或“该/所述(the)”可以包括复数指示对象，除非有内容另外清楚地指明。