專利名稱：太陽(yáng)能電池基板、太陽(yáng)能電池的制造方法及其使用的坩堝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造關(guān)于器件的低成本基礎(chǔ)材料的方法，如太陽(yáng)能光伏電池，LED等， 更具體地，本發(fā)明涉及制造低成本硅晶片的方法。
背景技術(shù)：
根據(jù)目前的工藝，基于多晶硅的太陽(yáng)能電池生產(chǎn)有三個(gè)主要階段。首先，生產(chǎn)大量的硅片作為基底，通常對(duì)于25兆瓦生產(chǎn)力的工廠來(lái)說(shuō)，每月生產(chǎn)百萬(wàn)的硅片。其次，這些硅片通過(guò)形成P_n結(jié)以及金屬印刷加工成太陽(yáng)能電池。第三，然后將這些硅片“封裝”成一個(gè)模塊，以便安裝到用戶的設(shè)備中。通過(guò)熱分解含Si-H-CL的有害氣體制造太陽(yáng)能電池的硅料，該含Si-H-CL的有害氣體如，二氯硅烷和三氯硅烷，進(jìn)而生產(chǎn)超高純度的多晶硅，一般稱為九個(gè)九，即 99. 9999999%的純度。這些氣體是高度易燃且有毒的，由于氣化硅對(duì)環(huán)境和健康造成危害， 在世界上只有少數(shù)工廠有能力運(yùn)作，從而導(dǎo)致半導(dǎo)體和太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)“瓶頸”。新近提出的硅氣化工廠面臨當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)環(huán)境和安全問(wèn)題上的阻力。這些工廠還需要大量的資本投資和很長(zhǎng)的運(yùn)作周期。因此，總存在硅片需求和供應(yīng)之間的不平衡。純化的硅(所謂的多晶硅，硅烷基化合物的氣化和分解得到多晶硅)通常以顆?；驂K狀的形式提供以適合半導(dǎo)體和太陽(yáng)能電池的應(yīng)用。然后熔化多晶硅，并且使用仔晶拉出單晶硅棒或多晶帶硅?？商鎿Q的，將多晶硅鑄成圓柱形。該拉出的單晶硅棒被切割，成型并打磨成5-6英寸的圓形硅片，以后會(huì)切割成方形硅片。然后，在堿性化學(xué)蝕刻中的濕化學(xué)蝕刻應(yīng)用于制絨工藝，如氫氧化鉀。POCldf散形成pn結(jié)。然后應(yīng)用PECVD氮氧化硅來(lái)形成防反射涂層鈍化。在n型表面涂上絲網(wǎng)印刷銀漿，以及在p型表面涂上鋁漿。然后，金屬漿料通過(guò)粘貼燒結(jié)形成電性接點(diǎn)。最后，根據(jù)太陽(yáng)能電池各自的特性進(jìn)行測(cè)試及分類，例如， 他們的IV曲線。上述工藝是眾所周知的，并且在行業(yè)內(nèi)已實(shí)行多年。然而，半導(dǎo)體中的大部分成本 (即，價(jià)值)在于將拋光硅片轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)運(yùn)作的集成電路。但在太陽(yáng)能電池制造的過(guò)程中， 用于生產(chǎn)太陽(yáng)能電池片的拋光硅片的成本高于將拋光硅片轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)運(yùn)作的太陽(yáng)能電池的制造成本。也就是說(shuō)，在商業(yè)模式中，將硅晶片轉(zhuǎn)化為太陽(yáng)能電池的過(guò)程，在太陽(yáng)能電池板整體鏈中并不是一個(gè)高增值的制造步驟。因此，與太陽(yáng)能電池制造技術(shù)的改進(jìn)截然相反， 任何改善或減少開(kāi)始硅片的制造成本的措施將使成品太陽(yáng)能電池板的價(jià)格急劇減少。為了克服太陽(yáng)能電池的硅原料的問(wèn)題，最近提出了使用廉價(jià)的冶金級(jí)硅料生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的方法。例如，美國(guó)專利7956283，7951640和7960644。雖然很多學(xué)術(shù)文章的結(jié)論認(rèn)為冶金級(jí)娃料不能用于制造太陽(yáng)能電池，但是，Sunpreme已經(jīng)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證了冶金級(jí)娃太陽(yáng)能電池板，并且在效率上已能與單晶和多晶硅硅片制成的太陽(yáng)能電池相匹敵。導(dǎo)致多晶硅片比單晶硅芯片效率低的問(wèn)題之一是晶向。也就是說(shuō)，單晶硅晶圓可以視作一個(gè)單一的晶向，例如〈100〉,而多晶硅具有多種晶向，例如，〈100〉，〈211〉，〈110〉。為了增加太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的光電流，必須在硅片表面制絨以便捕捉到更多的陽(yáng)光。制絨〈100〉晶向的方法是眾所周知的，可以產(chǎn)生理想的金字塔形狀。然而，制絨具有不同晶格方向的多晶表面要困難得多，尤其是使用濕化學(xué)法，即化學(xué)蝕刻。具體來(lái)說(shuō)，很難搭配適當(dāng)?shù)母g劑， 將硅片表面所有晶格方向蝕刻成理想的絨面。

發(fā)明內(nèi)容
以下披露提供了對(duì)于本發(fā)明的某些方面和功能的了解。本發(fā)明內(nèi)容并不是本發(fā)明的廣泛概述，因此其目的并不是具體確定本發(fā)明的關(guān)鍵或重要元素或劃定本發(fā)明的范圍。 其唯一目的是以簡(jiǎn)單形式表現(xiàn)出本發(fā)明的一些概念，以在下面更詳細(xì)的說(shuō)明本發(fā)明。本發(fā)明的各種實(shí)施方式提供了用于制造多數(shù)〈100〉晶向的硅襯底的方法。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，使用在坩堝底部有多個(gè)口袋的坩堝。〈100〉晶向的仔晶放在坩堝的每個(gè)口袋里，并且在坩堝中填充適當(dāng)硅料，然后高溫鑄錠。一旦硅料熔化，此種制作方式的口袋可以防止置放仔晶的浮動(dòng)。坩堝被放置于鑄錠設(shè)備內(nèi)，以確保該口袋在鑄錠時(shí)位于加熱和熔化區(qū)的下面。加熱熔化開(kāi)始在坩堝頂部，位于口袋上方。一旦硅料熔化到底部，硅液體流動(dòng)到口袋里和仔晶接觸。然后慢慢降低坩堝，較低的熔化部分開(kāi)始固化，并沿仔晶的〈100〉方向成長(zhǎng)。


本發(fā)明的其它方面和特征見(jiàn)具體實(shí)施方式
并參考下列附圖。
具體實(shí)施方式
和附圖提供了本發(fā)明各種實(shí)施方式的非限制示例，其由附加的權(quán)力要求來(lái)定義。并入且并構(gòu)成本發(fā)明一部分的隨附附圖體現(xiàn)了本發(fā)明的實(shí)施方式，并且與說(shuō)明書(shū)一起解釋和說(shuō)明本發(fā)明的原則。附圖是為了以圖表的方式說(shuō)明本發(fā)明示例性的實(shí)施方式。 附圖并沒(méi)有描繪實(shí)施方式的每個(gè)特征，也沒(méi)有描繪所述元素的相對(duì)尺寸，以及不按比例繪制。圖I是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式所示的已裝料坩堝在熔化之前的示意圖。2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式所示的坩堝的俯視圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式所示的已裝料坩堝在熔化期間的示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式所示的已裝料坩堝在凝固期間的示意圖。圖5A和5B是使用根據(jù)上述示例所生產(chǎn)的硅片制造的太陽(yáng)能電池。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施方式能夠生產(chǎn)降低成本的太陽(yáng)能電池，同時(shí)減少在傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池制造過(guò)程中對(duì)于健康和環(huán)境的危害。與傳統(tǒng)學(xué)術(shù)相反，本發(fā)明披露了使用3N-5N純度的冶金級(jí)硅料(MGSi)以制造基板和太陽(yáng)能電池的方法。本發(fā)明披露的各種實(shí)施方式結(jié)合了晶體硅太陽(yáng)能電池和基于薄膜技術(shù)電池的薄膜硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率大于16%的好處。為了提高轉(zhuǎn)換效率，通過(guò)在制造太陽(yáng)能電池之前硅片表面的絨面處理來(lái)增加短路電流，JC。通過(guò)在多個(gè)〈100〉晶向仔晶上進(jìn)行冶金級(jí)硅的鑄造可增加〈100〉晶向的百分進(jìn)而有助于制絨工藝。圖I為根據(jù)示例性實(shí)施方式所示的鑄造坩堝100。在這個(gè)實(shí)施方式中，坩堝是一般的矩形。坩堝的底部有多個(gè)口袋105。口袋分布在坩堝底部的兩個(gè)維度上，如圖2所示。<100>晶向的硅仔晶110放在口袋105中，然后，將硅料135裝入坩堝。如圖I中標(biāo)注所示， 當(dāng)硅料135融化時(shí)以確保仔晶110不從口袋中浮動(dòng)和退出。在圖I中的標(biāo)注，口袋外墻115 上是一個(gè)進(jìn)入角，因此這種口袋底部的直徑大于口袋上方直徑。也就是說(shuō)，每個(gè)口袋105的墻115是以銳角重新進(jìn)入的角度，這種口袋的底部大于其向坩堝底部開(kāi)放的開(kāi)口。首先硅仔晶以一個(gè)角度插入，然后放置在口袋底部。這可以防止仔晶從口袋中浮出。根據(jù)披露的實(shí)施方式，硅料是低成本的多結(jié)晶冶金硅，純度從約3個(gè)9到5個(gè)9，即硅純度99. 9%至99. 999%。冶金級(jí)硅是簡(jiǎn)單地用電弧爐讓兩種在世界各地都能發(fā)現(xiàn)的礦石，石英(SiO2)與焦炭(C)產(chǎn)生還原反應(yīng)。這兩種材料本質(zhì)上是純凈的沙子和煤的形式。 石墨可由其他從石油或有機(jī)植物中產(chǎn)生的含有高純度C的產(chǎn)品替代。冶金級(jí)硅料熔化，摻雜一定量的硼以達(dá)到5E17原子*cm_3的p型摻雜濃度。此外，磷可以用作摻雜劑，以產(chǎn)生n 型硅片。坩堝裝載到鑄碇爐，如電頻或電阻爐，以將硅料熔化成熔化的硅140，如圖3所示。 在這個(gè)實(shí)施方式中，爐包括隔熱板125，其阻隔部分坩堝和加熱器130。在圖3所示的位置， 坩堝是在其最上層的位置，這樣隔熱板125只屏蔽坩堝的口袋區(qū)域。熔化的硅140流入到口袋105中并和仔晶110接觸。一旦硅完全熔化，坩堝慢慢降低，如圖3中箭頭所示。圖4說(shuō)明了降低坩堝的中間位置。在圖4所示的位置處，隔熱板防止熱量傳遞到坩堝的下部，從而使熔化的硅凝固成多結(jié)晶硅145。由于在凝固過(guò)程中熔化的硅140的下部與仔晶接觸，所以凝固后，它在很大程度上沿著〈100〉仔晶110晶體取向。因此，多結(jié)晶硅 145含有高比例的〈100〉晶向生成。坩堝繼續(xù)降低，直到所有的熔化的硅140凝固成單一的多晶鑄錠。然后將坩堝敲開(kāi)釋放硅錠。硅錠最外圍部分被切掉，例如，一英寸。然后將硅錠切成多個(gè)小錠，再切片成硅片。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，得到的硅片是低成本多結(jié)晶的冶金硅，純度約3個(gè)9到5個(gè) 9，即 99. 9%M 99. 999% o使用上述鑄造生產(chǎn)的硅片可以再加工成太陽(yáng)能電池片。硅片首先須清潔，通常用 100 I氫氟酸去除表面氧化物,用NH40H/H202以去除有機(jī)污染，然后用鹽酸以消除金屬污染物。浸入氫氧化鉀溶液中來(lái)制絨面。由于硅片含有高比例的〈100〉晶向，氫氧化鉀沿 <100>晶向蝕刻生成絨面的效果顯著。氫氧化鉀蝕刻所生成的絨面是一個(gè)沿著〈100〉晶向的“金字塔式”結(jié)構(gòu)。圖5A是使用根據(jù)上述示例生產(chǎn)的硅片所制造的太陽(yáng)能電池片。P型硅片襯底500 已清洗和制絨。然后在標(biāo)準(zhǔn)的等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備中利用在沒(méi)有摻雜氣體加入的 SiH4的和H2中產(chǎn)生等離子成長(zhǎng)一層非常薄的(10-1000 A)層505，通常低于100 A的厚度，未摻雜的本征非晶硅(a-Si:H)薄膜層。下一步，通過(guò)沉積摻雜N型的a-Si:H的510層， 其可繼續(xù)使用相同的設(shè)備沉積，但是除了 SiH4的和H2外，使用PH3的等離子體來(lái)生成N層 510。接著在上面成長(zhǎng)透明導(dǎo)電氧化層520，如ZnO2, IT0，或者InSnO層。透明導(dǎo)電氧化層 (TCO)形成上電極，太陽(yáng)光穿過(guò)透明導(dǎo)電氧化層進(jìn)入晶體硅的吸收層。對(duì)于電荷收集效率， 一系列電極515，其通常包含銀漿，可被網(wǎng)印在透明導(dǎo)電氧化物層520上面。硅片底部是低電阻接觸到的電池結(jié)構(gòu)的背面，其是涂有鋁的525層，或者是通過(guò)物理氣相沉積(PVD)工藝或含有鋁絲網(wǎng)的沉積，然后燒結(jié)形成低接觸電阻?？蛇x地，薄的P-型非晶層530在鋁沉積之前沉積在硅片背后。
由此產(chǎn)生的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)至少包含以下新的特征。一個(gè)N層的非晶硅薄膜在光吸收層P型多晶冶金級(jí)硅片上組成的PN結(jié)的成本，比不管是使用太陽(yáng)能或半導(dǎo)體級(jí)多晶硅的傳統(tǒng)的硅片PN結(jié)約少了十倍左右。硅片生產(chǎn)使用有成本優(yōu)勢(shì)的使用仔晶的鑄造法。硅片表面制絨以增加光線的吸收，從而提高電流。厚度為250-500 iim的冶金p型多晶硅的光吸收層由具有硼摻雜的冶金級(jí)硅料鑄造，而不是使用更昂貴的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅。在P型冶金襯底和n型薄膜硅(a-Si:H)之間插入可選用的中間本征(未摻雜)薄膜(ia-Si:H)以鈍化冶金硅表面雜質(zhì)的斷鏈影響，從而提高光伏轉(zhuǎn)換效率。氫氧化鉀處理〈100〉晶向晶格來(lái)生成絨面。該絨面減少光的反射，因而使電流增加。圖5B是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式。圖5B的實(shí)施方式類似于圖5A的實(shí)施方式，除了摻雜型態(tài)是相反的。也就是說(shuō)，吸收光源的襯底500是由n型的冶金硅制造。沉積的非晶層510是極性相反的，即p型的結(jié)?？梢钥闯?，圖1-5B的實(shí)施方式提供了具有高比例〈100〉晶向的冶金級(jí)硅襯底的薄膜結(jié)太陽(yáng)能電池。由于冶金硅和絨面的屬性，這具有更好的光吸收的優(yōu)點(diǎn)。因此，轉(zhuǎn)換效率提高。另一方面，冶金硅片的使用提供了比傳統(tǒng)的太陽(yáng)能或半導(dǎo)體級(jí)硅片更低的成本。此外，通過(guò)使用本文所述的冶金級(jí)硅硅片，減少了對(duì)健康和環(huán)境的危害。本發(fā)明所述的示例在各方面都旨在說(shuō)明而非限制性的關(guān)系。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，硬件，軟件和固件的多種不同的組合都將適用于本發(fā)明。此外，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言， 本發(fā)明的其他實(shí)現(xiàn)從本發(fā)明披露的其他規(guī)范和實(shí)踐的工藝技能顯而易見(jiàn)。應(yīng)注意，說(shuō)明和示例僅作為示例性的，本發(fā)明的精神和范圍通過(guò)所附的權(quán)利要求表示。
權(quán)利要求
1.用于制造太陽(yáng)能電池的基板的方法，包括獲得坩堝，所述坩堝在其底部具有多個(gè)口袋；裝載硅仔晶到所述口袋，所述硅仔晶具有〈100〉晶向；裝載硅料到所述坩堝；熔化所述硅料以生成硅熔體，所述硅熔體流到口袋中；使所述硅熔體固化，所述固化起始于坩堝底部，以獲得固體硅錠。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，其進(jìn)一步包括防止仔晶浮動(dòng)的口袋。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，其進(jìn)一步包括在熔化和固化過(guò)程中對(duì)所述口袋進(jìn)行熱屏蔽。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，其進(jìn)一步包括在熔化和固化過(guò)程中對(duì)所述口袋進(jìn)行冷卻。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，其中所述裝載硅料包括裝載冶金級(jí)硅純度約99. 9%至99. 999%的硅料。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，其進(jìn)一步包括將所述硅碇切割成硅磚，再切成硅片。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，其進(jìn)一步包括使用KOH溶液制絨。
8.用于制造太陽(yáng)能電池的方法，包括獲得坩堝，所述坩堝在其底部具有多個(gè)口袋；裝載硅仔晶到所述口袋，所述硅仔晶具有〈100〉晶向；裝載硅料到所述坩堝；熔化所述硅料以生成硅熔體，所述硅熔體流到口袋中；使所述硅熔體固化，所述固化起始于坩堝底部，以獲得固體硅錠；將所述硅碇切割成硅磚，再切成硅片；將所述硅片制絨；在所述硅片前端表面制造接面。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，其進(jìn)一步包括摻雜產(chǎn)生P型硅襯底。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，其進(jìn)一步包括在硅片上制造n型層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，其進(jìn)一步包括在P型襯底和n型層之間制造本征薄層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，其進(jìn)一步包括在n型層上部制造頂部接觸面和在襯底底部制造底部接觸面的方法。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，其進(jìn)一步包括摻雜產(chǎn)生N型硅襯底。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，其進(jìn)一步包括在硅片上制造p型層。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，其進(jìn)一步包括在N型襯底和p型層之間制造本征薄層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，其進(jìn)一步包括在p型層上部制造頂部接觸面和在襯底底部制造底部接觸面的方法。
17.用于制造固化硅的坩堝，所述坩堝包括矩形主體，其具有一個(gè)底部和四側(cè)，其中所述底部包括多個(gè)可以放置硅仔晶的口袋。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的坩堝，其中所述口袋為具有傾斜側(cè)壁的防止仔晶浮動(dòng)的口袋。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的坩堝，其中所述防止仔晶浮動(dòng)的口袋包括在坩堝底部的多個(gè)口袋開(kāi)口以及口袋底部，每個(gè)口袋底部的直徑大于相對(duì)應(yīng)的口袋開(kāi)口的直徑。
全文摘要
本發(fā)明涉及制備大多數(shù)晶向?yàn)榈墓枰r底的方法以及具有在坩堝底部有多個(gè)口袋的坩堝。晶向的硅仔晶放置在坩堝的每個(gè)口袋中，并且坩堝中填滿硅料用于鑄造。坩堝放置在鑄錠設(shè)備內(nèi)，使得口袋位于加熱和熔化區(qū)的下面。加熱熔化開(kāi)始于坩堝頂部。一旦硅料熔化到底部，硅液體流動(dòng)到口袋中并和仔晶接觸。然后慢慢降低坩堝，較低的熔化部分開(kāi)始固化，并沿著仔晶的方向生長(zhǎng)。
文檔編號(hào)H01L31/18GK102605418SQ201210012899
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者吳昆旭, 阿肖克·庫(kù)馬爾·辛哈, 雷平·賴 申請(qǐng)人:上澎太陽(yáng)能科技(嘉興)有限公司