[发明专利]用于制造太阳能电池的锗富集的硅材料

说明书

技术领域

本发明公开内容涉及例如利用低等级硅用于制造半导体材料如硅的方法和系统。更具体地，本发明公开内容涉及一种利用各种等级的进料材料(原材料，feedstock material)和锗富集物来形成具有改进的特性，包括更高的强度和挠性(flexibility)的硅晶体或硅锭的方法和系统。

背景技术

光伏(PV)工业正快速增长，并且是造成消耗超出更传统的用途如集成电路(IC)应用的硅的量增加的原因。今天，太阳能电池工业的硅需求与IC工业的硅需求有部分竞争。采用目前的制造技术，IC和PV工业二者都需要作为原料硅起始材料的精制的、纯化的硅进料(原料，feedstock)。

对于大部分目前的太阳能电池的材料备选方案的范围可从单晶硅片(硅晶片)(如基于非常纯净的原料硅如IC工业所需的电子级(EG)硅进料)到多晶(mc)硅片，所述多晶(mc)硅片基于不是那么纯净的原料硅如所谓的太阳能级(SOG)硅进料或甚至更低质量的材料，其称为高纯冶金级(冶金法太阳能级)(UMG)硅进料。

用于PV工业的低等级进料材料，如UMG硅，通常被加工成mc-硅的锭和晶片，其中最终的太阳能电池相关质量通常由晶界、其他结构缺陷和杂质如过渡金属的相对高的浓度控制。并且，晶片本体中碳相关和氧相关的缺陷可以降低电池性能，尤其是当与金属相关时。具有广泛的缺陷谱的一些物质可以用氢钝化以降低它们的电退化电势(electrical degradationpotential)。

用于太阳能电池工业的较高等级的进料材料，如EG硅，通常被加工成单晶，随后，被加工成具有单晶结构的晶片，其中最终的、太阳能电池相关质量由类似于上面描述的mc-硅的情况的杂质控制。对于硅的单晶(在下文中称为晶体)存在两种建立很好的生长技术。到目前为止，占主导的是Czochralski(CZ)技术，其中，CZ晶体从存在于石英坩埚中的硅熔体中拉出。中等等级到高等级的进料硅被用于产生CZ硅熔体。更复杂的备选方案是浮动区(浮区，Floating Zone)(FZ)技术，其中FZ晶体通过经由高等级进料硅的所谓的补给棒(供应棒，supply rod)“浮动”小的熔体区而生长。使预定量的元素进入FZ晶体的一种方式是在产生熔体区之前所谓的“小球掺杂(pill doping)”入补给棒中。通常，FZ硅晶体包含比CZ晶体更少的杂质，主要是因为不需要坩埚。

在任何情况下，由于硅在室温下是脆的，所以在晶片与太阳能电池加工和处理，包括由太阳能电池制造模件时，存在晶片破坏的普遍问题。因此，除了电性能以外，硅片和相关的太阳能电池的机械强度在PV工业中也是一个重要的质量因素。这适用于单晶材料也同样适用于多晶锭材料。

晶片破坏由裂纹形成和随后的扩展引发。裂纹可以来源于，例如表面上，尤其是边缘和角落处，处理引起的局部损坏。目前工艺水平的太阳能电池制造技术使用晶片和太阳能电池的仔细处理和加工以避免这样的情况。本体硅的本征材料强度也是本体晶格缺陷的函数。特别令人担忧的是产生局部拉伸晶格应变的缺陷，使得能够在降低的外力下进行内部裂纹形成/扩展(相对于理想的晶格结构)。

对简单的工艺存在需要，所述工艺提供具有良好的锭产量以及改进的机械和电性能的基于UMG的多晶硅材料，所述机械和电性能涉及太阳能电池质量。这样的工艺应该容易地被转移到较高等级的非UMG进料硅，其部分或专门用于生产单晶硅材料，例如，通过应用CZ技术或FZ技术。

发明内容

这里披露了可以用于最终制备太阳能电池的用于硅结晶的技术。本发明公开内容包括一种用于制备具有改进的电和机械材料特性的硅锭或硅晶体的方法和系统，用于各种太阳能电池应用中。

所得的太阳能电池可以被运送、安装、和使用而无需考虑对破坏的强易感性。除了提供改进的机械强度以外，由相关的锭或晶体产生的硅材料的改进的电性能也可以导致较高的锭/晶体产量，作为具有达到临界电池效率所需的某一最低水平的复合寿命的锭/晶体部分测量的。

根据披露的主题的一个方面，提供了一种硅锭形成方法和相关的系统用于利用低等级硅进料，包括在坩埚装置内由低等级硅进料和预定量的锗形成熔化熔体(溶液，solution)。所述方法和系统进行熔化熔体的定向凝固以在坩埚装置内形成硅锭。

根据披露的主题的另一个方面，提供了一种硅晶体形成方法和相关的系统用于利用较高等级的硅进料和预定量的锗。所述方法和系统进行熔化熔体的结晶以形成硅晶体。