用于制备具有对称晶界的硅锭的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种新的用于制造具有对称晶界的硅锭的方法。特别是，这样的锭可有利地有助于通过切割制备无晶界的单晶硅晶片。
[0002]这样的晶片在制备光伏电池和模块的情况下是特别有利的。
【背景技术】
[0003]目前，光伏电池主要由单晶硅或多晶硅制造。晶体硅的最常见的制备链采用从液体硅浴凝固锭。然后将这些锭切割成可被转换成光伏电池的晶片。
[0004]多晶硅锭通常通过熔化硅原料，接着通过定向凝固来制备。该技术有利地使得使大量的硅结晶成为可能；且可通过改变坩祸的尺寸来调节所制造的锭的尺寸。
[0005]不幸的是，这种高产方法在由此制备的硅锭的结晶结构方面具有一个主要缺点。事实上，该技术获得具有结晶结构的锭，其特征在于非常大量的不同的结晶取向和晶粒，而且还在于高密度的位错，这些位错在锭中分布不均匀。因此，该方法不能有效地获得单晶状(被称为“类单晶”)硅锭，即非常主要地(特别是90%以上)由单晶材料组成的硅锭。
[0006]若干年前，开发了通过定向凝固制备具有改进的结晶结构的类单晶硅锭的技术，尤其通过更好地控制成核，如由Fujiwara等人的Growth of structure-controlledpolycrystal 1ine silicon ingots for solar cells by casting,ActaMaterial ia，54 (2006)，3191-3197文献中描述的，或其他通过使用单晶晶种覆盖凝固模具的底部，如在文献 W0 2007/084934、US 2010/0192838、US 2010/0193989、US2010/0193664、TO 2009/014963、US 2010/0197070 和 US 2013/0095028 中提出的。
[0007]然而，使用单晶晶种对于无缺陷的生长是不足的。事实上，为了制备适于工业坩祸尺寸的类单晶锭，有必要将几个晶种添加到坩祸的底部。不幸的是，在坩祸的底部彼此靠近放置的晶种，根据它们的尺寸和它们各自的取向差创建许多晶种边界，这是类单晶锭中缺陷的来源。事实上，所述存在于坩祸底部的铺面中的晶种边界在晶界的形成之后，这可能与结晶方向不平行，并且其附近的位错和亚晶界可在通过由在晶种上的再生长的定向凝固获得的类单晶锭中发展。
[0008]因此，晶界从硅锭中晶种边界的初始位置的扩展决不受控制。因此，这些结晶缺陷可位于所形成的类单晶锭中的不同位置，并且因此位于从切割此锭成砖形物所得的硅晶片中。
[0009]此外，围绕这些边界累积的位错和亚晶界降低了用含有它们的材料制备的电池的光伏特性(电流、形状因数、电压)，并且，因此可证明对于将由这样的晶片形成的光伏电池的效率是特别不利的。
[0010]因此，仍然需要提供一种使得它可能克服上述缺点的类单晶硅锭的制备方法。
【发明内容】
[0011]本发明的目的特别在于满足这种需要。
[0012]更具体而言，本发明提出了一种用于形成类单晶硅锭的新方法，使得它能够控制晶界在锭的整个高度上的扩展。
[0013]因此，根据本发明的第一个方面，其涉及一种用于制造具有对称晶界的硅锭的方法，其至少包括由以下组成的步骤:
[0014](i)提供具有纵向轴线(Z)的坩祸，其底部包括由直棱柱形状的单晶硅晶种形成的铺面(tiling);和
[0015]( ii )通过在与轴线(Z)共线的生长方向的在晶种上的再生长(seeded regrowth)进行娃的定向凝固；
[0016]其特征在于，步骤(i)中的所述铺面由两种不同结晶取向的且以连续和交替方式被定位的晶种A和B形成，
[0017]晶种A具有相对于由所述晶种A和B之间的边界所限定的平面P对称于相邻晶种B的晶格的晶格。
[0018]特别是，根据本发明的方法可以是这样的:
[0019]-所有或一些晶种是具有长方形-或正方形底部的直块形状，
[0020]-晶种的铺面是网格的形式，尤其是分成正方形或长方形，
[0021]_晶种A的晶格和相邻晶种B的晶格之间的取向差2 Θ大于4°，特别是大于或等于5°，更特别是介于6°至45°之间，和
[0022]-其中铺面从相同的晶种获得，晶种B从晶种A获得，晶种A围绕垂直于晶种侧面的向量之一已经经历180°角度的旋转。
[0023]根据一个特别优选的实施方案，本发明的方法至少包括由以下组成的步骤:
[0024](i)提供具有纵向轴线(Z)的坩祸，其底部包括由具有正方形或长方形底部的直块形状的单晶硅晶种形成的铺面，所述单晶硅晶种被连续定位，沿着轴线(Z)看到的所述铺面呈具有平行于晶种边缘的正交方向(X)和(y)的网格形式；和
[0025]( ii )通过在与轴线⑵共线的生长方向的在晶种上的再生长进行硅的定向凝固；
[0026]其特征在于，步骤⑴中的铺面由相同的硅晶种制备，其中沿着方向(X)的两个相邻晶种通过轴线(y)上的翻转互为映像且沿着方向(y)的两个相邻晶种通过轴线(X)上的翻转互为映像，且两个相邻晶种的晶格之间的取向差2 Θ大于4°。
[0027]表述“在轴线(T)上的翻转”，也被称为轴(T)的正交对称，被理解为是指围绕轴线(T)180°的旋转。
[0028]换言之，根据本发明，铺面的两个相邻晶种表示为晶种Α和晶种B，是这样的，晶种B从围绕垂直于晶种侧面的向量之一已经历了 180°角度的旋转的晶种A得到，换言之在网格形式的铺面的情况下，围绕轴线(X)或(y)。
[0029]如在本文的剩余部分中详细说明的，这样的实施方案有利地使得能够保证两个相邻晶种A和B的晶格相对于由所述晶种之间的边界所限定的平面P的对称性，而没有必要依靠结晶取向测量。
[0030]在本文的剩余部分中，除非另有说明，随后定义的晶种和/或锭和/或晶片特征在于参照轴线(X)，(y)和(z)的正交框架分别对应于晶种、锭或晶片的三个主要方向。优选地，晶种和/或锭的轴线⑴与坩祸的纵向轴线⑵是共线的。在网格型铺面的情况下，方向(X)和(y)也对应平行于网格的线的方向，随后也被称为“铺面方向”。
[0031]坩祸的纵向轴线表示连接所有所述坩祸的横截面的质心的线(包括坩祸的壁)。纵向轴线可更具体地是坩祸的对称轴线。
[0032]表述“对称晶界”被理解为表示在硅的定向凝固结束时形成的硅锭中存在的平面晶界，并为晶格限定出结晶对称平面，所述晶格位于该平面的任一侧。优选地，对称晶界的平面包括与坩祸的轴线(Z)共线的轴。
[0033]表述“直棱柱形状”当然被理解为指接近于直棱柱形状的形状。特别是，铺在坩祸底部的晶种具有垂直的或基本上垂直(±5°的偏差)的侧壁。此外，除了表面不规则，晶种的表面近似为平面。
[0034]面向坩祸底部的晶种的整个平面表面在本文的剩余部分将被表示为“晶种的底部”。
[0035]如随后详细描述的，晶种的底部可为不同的形状，特别是正方形或长方形或其它平行四边形形状。优选地，它是正方形或长方形形状，晶种则近似为直块形状。
[0036]根据其另一个方面，本发明涉及一种具有对称晶界的硅锭，它是根据这样的方法获得的。
[0037]如在下面的实施例中所示的，由于晶界的位置在根据本发明方法的锭的制造过程中是如此控制的，根据一个实施方案变型，在将锭切割成砖形物的过程中则有可能消除这些晶界。因此，由这些砖形物形成的硅晶片有利地为无晶界。
[0038]因此，根据其又一个方面，本发明涉及一种用于制造无晶界的单晶硅晶片的方法，包括将如前面所定义的硅锭沿平面P切割成砖形物的步骤。
【附图说明】
[0039]根据本发明得到的硅锭和晶片的其他特征，优点和应用所述方法的方法在阅读随后的本发明的示例性实施方案的详细描述，以及阅览附图的基础上将更清楚地显现，其中:
[0040]-图1以横截面