硅的受控的定向凝固的制作方法
【专利说明】硅的受控的定向凝固
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2012年6月25日提交的第61/663, 940号美国临时申请的优先权，其 通过引用方式将其全部内容并入本文。
【背景技术】
[0003] 太阳能电池通过利用其将太阳光转化为电能的能力而是可行的能源。硅是在制造 太阳能电池中使用的半导体材料；然而，对硅使用的限制涉及将其纯化至太阳能级（SG)的 成本。
[0004] 已知一些用来制备用于太阳能电池的硅晶体的技术。这些技术中的大部分基于以 下原则来操作：当硅从熔融溶液中凝固时，不期望的杂质倾向于保留在熔融溶液中。例如， 浮区（float zone)技术可以用于制作单晶锭块，并在固体材料中使用移动的液体区域，将 杂质移动到材料的边缘。在另一实例中，Czochralski技术可以用于制作单晶锭块，并使用 缓慢地从溶液中拉出的晶种，使得能够形成硅的单晶柱，同时将杂质留在溶液中。在又一实 例中，Bridgeman方法或热交换器技术可以用于制作多晶锭块和单晶锭块，在凝固的方向上 使用朝向锭块的中心轴的温度梯度来产生定向凝固。这类技术采用高度绝热的锭块侧面。 由于在凝固期间缺少娃与i甘埚的接触，锭块的尺寸和生产成本与Bridgeman技术相当。
[0005] 利用用于定向凝固硅的温度梯度的多种技术可以采用许多冷却或加热机制。这类 温度控制机制可以涉及定向凝固坩埚内的相对昂贵并难以维护的冷却或加热导管。
[0006] 附图的简要说明
[0007] 在不一定按比例绘制的附图中，在数个视图中相同的数字描述基本上相似的部 件。具有不同字母后缀的相似数字表示基本上相似的部件的不同实例。举例来说而非限制 地，附图通常示出本文件中讨论的各种实施方案和设计。
[0008] 图1为根据至少一个实施方案所构建的可以用于纯化硅的定向凝固坩埚的一个 实例的横截面图。
[0009] 图2示出了根据至少一个实施方案所构建的用于定向凝固硅的设备的立体图 (prospective view)〇
[0010] 图3示出了根据至少一个实施方案所构建的用于定向凝固硅的冷却平台的一个 实例。
[0011] 图4示出了根据至少一个实施方案所构建的用于定向凝固硅的设备的3D投影，所 述设备包括放置在坩埚顶部上的加热器。
[0012] 图5示出了根据至少一个实施方案所构建的用于定向凝固硅的设备的底部的等 距视图。
[0013] 图6为根据至少一个实施方案所构建的可以用于定向凝固硅的顶部加热器的一 个示例的横截面图。
[0014] 图7为示出了在硅的示例性定向凝固期间，凝固的硅的百分比关于时间的图。
[0015] 图8为示出了在硅的示例性定向凝固期间，硅结晶前沿的速度关于时间的图。
[0016] 图9为示出了在硅的示例性定向凝固期间，凝固的硅的百分比关于时间的图。
[0017] 图10为示出了在硅的示例性定向凝固期间，硅结晶前沿的速度关于时间的图。
[0018] 图11为关于硅的示例性定向凝固，对于多个加热和冷却循环而言，工艺温度分布 和在定向凝固坩埚的底部处测量的温度关于时间的图。
【发明内容】
[0019] 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 (或比太阳能级硅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。该方法可以用于其他材料，如蓝宝石。
[0020] 在各种实施方案中，本发明提供了用于定向凝固的设备。该设备包括定向凝固坩 埚。定向凝固坩埚包括底部。该设备还包括冷却平台。冷却平台包括第一表面。第一表面 限定了孔，所述孔配置为接收定向凝固坩埚的底部的一部分。冷却平台还包括冷却管道。冷 却管道配置为将一部分的强制空气提供到定向凝固坩埚的底部的一部分。
[0021] 在一个实例中，定向凝固坩埚的多个侧壁包含热面耐火材料。
[0022] 在一个实例中，定向凝固坩埚的底部包含传导性耐火材料。
[0023] 在一个实例中，定向凝固坩埚的底部的一部分利用强制空气以每小时约10%的速 率散热。
[0024] 在一个实例中，定向凝固坩埚的底部的至少一部分包括配置为散热的多个传热 片。
[0025] 在一个实例中，多个传热片中的至少一部分沿着定向凝固坩埚的底部向外延伸。
[0026] 在一个实例中，传热片包括扁钢条。
[0027] 在一个实例中，传热片包含不锈钢。
[0028] 在一个实例中，定向凝固坩埚的底部的至少一部分包括配置为位于孔内的凸面。
[0029] 在一个实例中，孔基本上接收定向凝固坩埚的底部的中心。
[0030] 在一个实例中，孔配置为通过允许坩埚基本上水平地支撑在冷却平台上来接收定 向凝固坩埚的底部的一部分。
[0031] 在一个实例中，孔配置为接收约25 %的底部表面积。
[0032] 在一个实例中，孔是圆形的。
[0033] 在一个实例中，孔是矩形的。
[0034] 在一个实例中，第一表面与第二表面分隔开以限定冷却管道的矩形横截面。
[0035] 在一个实例中，冷却管道还包含第二表面，该第二表面配置为与第一表面一起限 定喷嘴，其中所述喷嘴将一部分的强制空气提供到由孔所接收的定向凝固坩埚的底部的一 部分。
[0036] 在一个实例中，冷却管道配置为将一部分的强制空气基本垂直地提供到定向凝固 i甘埚的底部的一部分。
[0037] 在一个实例中，冷却管道包括配置为向冷却管道提供强制空气的冷却管道入口。
[0038] 在一个实例中，冷却管道入口包括配置为接收来自风扇的强制空气的至少一个强 制空气入口。
[0039] 在一个实例中，冷却管道配置为以基本均匀的方式将一部分的强制空气提供到定 向凝固坩埚的底部的一部分。
[0040] 在一个实例中，被提供到定向凝固坩埚的底部的一部分的一部分强制空气是湍流 的。
[0041] 在一个实例中，被提供到定向凝固坩埚的底部的一部分的一部分强制空气的速度 为至少约16米/秒（m/s)。
[0042] 在一个实例中，被提供到定向凝固坩埚的底部的一部分的一部分强制空气的体积 速度为至少约5000立方英尺/分钟。
[0043] 在一个实例中，通过冷却管道入口接收的强制空气大约在环境温度下。
[0044] 在一个实例中，所述设备可以包括包含至少一个加热构件的顶部加热器，所述加 热构件包括加热元件或感应加热器。
[0045] 在一个实例中，顶部加热器还包括隔热体，所述隔热体包括隔热砖、耐火材料、耐 火材料的混合物、隔热板、陶瓷纸、高温毛或其混合物。
[0046] 在一个实例中，顶部加热器还包括外套，其中在加热元件和顶部加热器外套之间 至少部分地设置所述隔热体。
[0047] 在一个实例中，顶部加热器外套包含不锈钢。
[0048] 在一个实例中，定向凝固坩埚还包括外套，其中所述外套限定了接收一部分的强 制空气的定向凝固坩埚的底部的一部分。
[0049] 在各种实施方案中，本发明提供用于定向凝固的方法。所述方法包括提供或接收 第一硅，并提供或接收包括底部的定向凝固坩埚。所述方法包括提供或接收冷却平台。冷 却平台包括第一表面，其限定了被配置为接收定向凝固坩埚的底部的一部分的孔；和冷却 管道，所述冷却管道配置为将强制空气提供至定向凝固坩埚的底部的一部分。所述方法还 包括利用强制空气来冷却定向凝固坩埚的一部分。所述方法包括在定向凝固坩埚中定向凝 固第一硅以提供第二硅。
[0050] 在一个实例中，所述方法还包括将加热器放置在定向凝固坩埚的上方，包括将选 自加热元件和感应加热器的加热构件放置在定向凝固坩埚的上方。
[0051 ] 在一个实例中，接收包括接收来自风扇的强制空气。
[0052] 在一个实例中，所述方法还包括以湍流形式将强制空气提供至定向凝固坩埚的一 部分。
[0053] 在一个实例中，所述方法还包括将强制空气垂直地提供至定向凝固坩埚的一部 分。
[0054] 在一个实例中，所述方法还包括当约80%的第一硅直接凝固为第二硅时，基本上 停止定向凝固第一硅，包括停止冷却定向凝固坩埚的一部分。
[0055] 在一个实例中，所述方法还包括利用对定向凝固坩埚或模具的热分布的控制来调 节第一硅的结晶生长速率。
[0056] 在一个实例中，调节结晶生长速率包括对冷却定向凝固坩埚的一部分进行调节。
[0057] 在各种实施方案中，本发明提供了用于定向凝固的设备。设备包括包含底部的定 向凝固坩埚。设备还包括冷却平台。冷却平台还包括第一表面，所述第一表面限定了被配 置为接收定向凝固坩埚的底部的一部分的孔。定向凝固坩埚的底部包括碳化硅、石墨或其 组合，以及配置为散热的多个纹理。冷却平台还包括配置为接收强制空气的在第一表面下 方的冷却管道入口。冷却管道入口包括配置为将强制空气湍流地提供到定向凝固坩埚的底 部的一部分的冷却管道。设备还包括顶部加热器，其包括加热构件，所述加热构件包括加热 元件或感应加热器，其中所述加热元件包含碳化硅、二硅化钼、石墨或其组合。
[0058] 本发明提供了优于现有的用于定向凝固硅的设备和方法的优点。在一个实例中， 本发明由于更加成本有效的冷却设备而可以提供更经济的纯化硅的方法。例如，本发明可 以通过使用空气作为冷却介质来提供更经济有效的定向凝固硅的方法。另外，在本发明的 一些实施方案中存在的顶部加热器提供了方便且有效的加热硅的方式，保持硅的温度，控 制硅的冷却速率，或其组合，这可以允许对温度梯度的精确控制和相应的硅的定向凝固。改 善的对硅的定向凝固的控制会产生更纯的产物，更一致的产物，或其组合。本发明的设备和 方法尤其可用于制造在太阳能电池中使用的硅晶体。
[0059] 该概述旨在提供本公开的主题的概述。其不旨在提供对本发明的唯一的或详尽的 解释。包括详细说明以提供关于本公开的更多信息。
【具体实施方式】
[0060] 现在将详细地参照公开的主题的特定实例，其中的一些示于附图中。尽管公开的 主题会主要结合附图来描述，但是应理解这种描述不旨在将公开的主题限制于那些附图。 相反地，公开的主题旨在覆盖所有替代方案、修改和等同方案，其均可以被包括在本公开的 主题的范围内，如由权利要求所限定的。
[0061 ] 说明书中提及" 一实施方案"、"一个实施方案