[发明专利]包含成核促进颗粒的硅晶铸锭及其制造方法

说明书

技术领域

本发明关于一种硅晶铸锭(crystalline silicon ingot)及其制造方法，特别地说，是关于一种利用成核促进颗粒(nucleation promotion particle)让其底部为小尺寸硅晶粒且整体缺陷密度低的硅晶铸锭及其制造方法。

背景技术

大多数的太阳能电池是吸收太阳光，进而产生光伏效应(photovoltaic effect)。目前太阳能电池的材料大部份都是以硅材为主，主要是因为硅是目前地球上最容易取到的第二多元素，并且其具有材料成本低廉、没有毒性、稳定性高等优点，并且其在半导体上的应用已有深厚的基础。

以硅材为主的太阳能电池有单晶硅、多晶硅以及非晶硅三大类。以多晶硅做为太阳能电池的原材，主要是基于成本的考虑，因为相较于现有的拉晶法(Czochralski method, CZ method)以及浮动区域法(floating zone method, FZ method)所制造的单晶硅，多晶硅价格相对地便宜许多。

在制造太阳能电池上使用的多晶硅，传统上是利用一般铸造工艺来生产。利用铸造工艺来制备多晶硅，进而应用在太阳能电池上是本技术领域的现有技术。简言之，将高纯度的硅熔融在模内(例如，石英坩埚)成硅熔汤(silicon melt)，在控制凝固下冷却硅熔汤以形成多晶硅铸锭。接着，所述多晶硅铸锭被切割成接近太阳能电池尺寸大小的晶圆，进而应用在制造太阳能电池上。以这种方法制造的多晶硅铸锭为硅结晶晶粒的聚集体，其中在由其制成的晶圆中，晶粒相互之间的晶向实际上是随机的。

在依传统铸造工艺所制造的多晶硅中，因为晶粒的随机晶向而难以对所制成的芯片表面进行粗糙化。表面粗糙化后可降低光反射并提高通过电池表面的光能吸收，来提高光伏电池的效率。另外，在现有的多晶硅晶粒之间的晶界中形成的扭折，倾向形成成核差排的簇集、或形成多条线差排形式的结构缺陷。这些差排以及它们趋向吸引的杂质，造成了由现有的多晶硅制成的光伏电池中电荷载子的快速复合。这会导致电池的效率降低。由这类多晶硅制成的光电池通常比由单晶硅制成的等效光伏电池的效率低，即使考虑了由现有技术制造的单晶硅中所存在的缺陷的径向分布。然而，因为制造现有的多晶硅相对简单且成本更低，以及在电池加工中有效的缺陷钝化，多晶硅成了广泛用于制造光伏电池的硅材料。

现有技术揭露利用单晶硅籽晶层并基于方向性凝固制成硅晶铸锭，且一般是利用大尺寸且晶向为(100)的单晶硅立方体作为主要籽晶。其希望用于硅单晶太阳能电池制造硅晶圆的晶向为(100)方向，因为在（100）晶向上利用刻蚀方法可以方便地形成光捕获表面(light-trapping surface)。不幸的是，在(100)晶向的晶粒与随机成核的晶粒竞争的结晶期间(100)晶向的晶粒表现差。为了使得在铸锭中引晶的结晶体积最大化，现有技术揭示利用(111)晶向的硅的边界包围(100)晶向的硅籽晶。所述边界非常成功地抑制了其它晶向的晶体。采用这种方法，能够铸造具有高性能的单晶硅及/或双晶(bi-crystal)硅块状体的铸锭，其使得所得的晶圆的少数载流子的寿命最大化，所述晶圆用于制造高效太阳能电池。在此，术语“单晶硅”是指单晶硅的主体，其在整个范围内具有一个一致的晶体晶向。术语双晶硅是指如下的硅的主体，其在大于或等于所述主体体积50% 的范围内具有一个一致的晶体晶向，且在主体的剩余体积内具有另一个一致的晶体晶向。例如，这种双晶硅可以包含具有一个晶体晶向的单晶硅主体，其紧邻构成结晶硅剩余体积的另一种具有不同晶体晶向的单晶硅主体。此外，现有的多晶硅是指具有厘米规模的细微性分布的结晶硅，且在硅的主体内具有多种随机晶向的晶体。然而，前述现有技术是利用昂贵单晶硅籽晶的方法，大幅增加硅晶铸锭整体的制造成本。

另一现有技术则不借助昂贵的单晶硅籽晶，其利用局部过冷(undercooling)先在坩埚底部布满横向长晶，再向上成长柱状结构，其大尺寸硅晶粒具有低缺陷密度。因此，根据其它现有技术制造的硅晶铸锭，经切片后的硅晶圆制成太阳能电池，可以获得较高的光电转换效率。

然而，上述的局部过冷的技术仅在实验室里成功验证。延伸至工业级尺寸时，多晶硅铸造欲以局部过冷控制晶面树枝状晶成长布满于坩埚底部变得较为困难。工业等级多晶硅铸造受到坩埚与整体受热均匀性的影响，增加初始过冷度的控制的不同，容易令多晶硅在坩埚底部成长为大晶粒且成为缺陷密度偏高的区域，在成长延伸时更快速增加缺陷密度，致使硅晶铸锭整体晶体质量变差，后续制成的太阳能电池的光电转换效率也较低。

发明内容