[发明专利]设置有附加横向热源的通过定向固化制造晶体材料的系统

说明书

技术领域

本发明涉及通过定向固化执行晶体材料制造的系统和方法。本发明特别适用于液相导电性高于固相导电性的半导体材料。

背景技术

光伏工业中所用的硅大部分是多晶结构的晶化硅，即具有相对于彼此无固定取向而且由晶粒边界围绕的单晶晶粒。也存在采用单晶硅的部分，即单一晶粒形成硅锭。这种类型材料的生长例如在布里奇曼(Bridgman)型结晶炉的坩埚中或者通过柴克劳司基(Czochralski)生长技术实现。

光伏工业中所用的大部分硅采用柴克劳司基技术生产。然而，重要的是注意到柴克劳司基生长技术通常限于形成圆柱锭，而在以增加光伏面板的有效面积为重的光伏领域中使用该圆柱锭存在特定的问题。

另一方面，布里奇曼技术能使锭的形状根据容纳熔化材料的坩埚的形状限定。在布里奇曼技术中，锭在定向固化炉中结晶，其中熔化材料浴(molten material bath)的冷却通过机械牵引装置控制，并且作为选择，在称为梯度冷凝(Gradient Freeze)的技术中，冷却通过降低液相中输送的功率而控制。坩埚中液/固界面的位移通过调节坩埚的不同部分中的散热和吸热而实现。

文件WO2009/014961描述了在坩埚中从籽晶执行硅制造的装置。除了主加热器加热坩埚中存在的材料外，该文件教导使用放置在坩埚周围的附加加热器以便修改液/固界面。

然而，坩埚的使用导致更加难以控制炉中热通量。坩埚的侧壁增加了最终锭中发生缺陷(伪晶、孪晶)的风险。常规观察到由物理-化学环境特别是坩埚/固体材料/液态材料三接触线引起的结晶缺陷的存在。

结晶缺陷降低了光伏面板中所用材料的晶体学质量，其导致最终光伏装置的能量转换效率的下降。

另一种技术包括在要结晶的材料和坩埚之间限定空气间隙，例如通过源自感应线圈的电磁场。文件US2010/0148403中介绍了这样的技术。

发明内容

观察到需要提供存在较小量晶体学缺陷的结晶材料锭。

该需求倾向于通过由定向固化制造结晶材料的系统满足，该系统包括：

坩埚，设置有设计为容纳要固化的材料的底部和侧壁，

用于在垂直于坩埚的底部的方向上在坩埚中产生主热梯度的装置，

附加感应加热装置，设置在坩埚的侧壁的位置且安装为相对于坩埚在垂直于坩埚底部的方向上可移动，并且构造为加热材料的位于液态材料、固化的材料和坩埚之间的三接触线附近的部分，以使该液态材料和该固化的材料之间的界面在所述三接触线附近形成凸弯月形。

还观察到需要提供有助于制造具有低晶体学缺陷浓度的晶体锭的方法。

该需求倾向于通过定向凝结制造晶体材料的方法来满足，其包括如下步骤：

提供设置有底部和侧壁的坩埚，并且坩埚由液相的晶体材料至少部分地填充，

在垂直于坩埚的底部的方向上在坩埚中产生主热梯度，从而从坩埚的底部开始在垂直方向上获得材料的逐渐固化，

通过附加感应加热装置加热材料的位于液态材料、固化的材料和坩埚之间的三线附近的部分，附加感应加热装置设置在坩埚的侧壁的位置并且安装为相对于坩埚在所述垂直方向上可移动，以使该液态材料和该固化的材料之间的界面在所述三线附近形成凸弯月形。

附图说明

从以下仅以非限制性示例目的给出且示出在附图中的本发明的具体实施例的描述，其它的优点和特征将变得更加明晰，其中：

-图1示意性示出定向固化系统的具体实施例的横向截面图；

-图2示意性示出熔化/结晶装置的具体的可替换实施例的横向截面图。

具体实施方式

图1所示的定向固化系统包括设置有底部2和侧壁3的坩埚1。坩埚1的底部可为任何形状。为了示例的目的，截面(即由坩埚1的底部2形成的形状)可为正方形、矩形或圆柱形。在优选方式中，坩埚1呈现矩形或正方形截面，以有助于通过晶体基板制造光伏面板，该光伏面板呈现出可用表面的良好占用。

侧壁3垂直于坩埚1的底部2或者明显垂直于底部2。坩埚1由对其在熔化和固化阶段要经受的高温耐受的材料制造。在优选方式中，坩埚1由硅石(silica)制造，但是它也可由石墨、金刚砂(silicon carbide)或这些材料的混合物制造。

坩埚1相对于要固化的材料是紧密密封的，即底部2和侧壁3不能使熔化的材料泄漏。坩埚可为单块的，甚至为单片的，即由单一材料制造。