硅锭的制作方法

本发明涉及一种硅锭和由其生产的晶圆。此外，本发明还涉及由这种晶圆生产而成的太阳能电池以及具有多个这种太阳能电池的太阳能模块。最后，本发明还涉及一种用于生产晶锭的方法和一种用于生产晶圆的方法。

背景技术：

由DE 10 2010 029 741 A1公知一种用于生产硅锭的方法，其中使硅熔体定向凝固。

技术实现要素：

本发明的一个目的是，改进这种方法或者改进根据该方法生产的晶锭和由该晶锭生产的晶圆。该目的通过根据权利要求1所述的方法或者根据所述方法生产的晶锭来实现。

本发明的核心在于，所述硅熔体设有掺杂物或者附加物，所述掺杂物或者附加物具有比硅更大的原子半径。所述掺杂物的原子半径尤其为至少110pm，尤其为至少120pm，尤其为至少125pm。

令人惊讶地发现，由此可以显著改善根据该方法生产的晶锭的晶体结构。尤其是，已经证实由此可以减少位错倍增的问题。根据本发明的方法尤其能够生产在生长方向上具有大延展部的硅锭，所述大延展部基本上跨越其整个高度地具有低的、尤其是恒定的位错密度。

根据本发明的一个方面，所述掺杂物和/或附加物选自以下物质：镓、锗、砷、铟、碳、锡和锑、以及上述这些物质的组合或者这些物质的化合物。优选地，镓充当掺杂物。

根据本发明的一个方面，以高掺杂的硅的形式将所述掺杂物添加到所述硅熔体中。所述掺杂物也能够以元素的形式或者经由气相添加。此外，所述掺杂物可以是晶芽预设点(Keimvorgabe)的一部分。在这种情况下，晶芽预设点中的浓度必须高到足以使得待添加的掺杂物的量位于熔融的晶芽体积中。

如果所述掺杂物是三价元素，尤其是镓，那么优选如此地选择待添加的量，以使得在所述晶锭中出现0.1Ohm×cm至10Ohm×cm之间，尤其是0.3Ohm×cm至5Ohm×cm之间，尤其是0.5Ohm×cm至3Ohm×cm之间的平均阻抗。

为此，以如下的量将所述掺杂物，尤其是镓或者铟，添加到熔体中，使得所述掺杂物在所述熔体中的总浓度处于1.3×10²¹cm^-3至2.8×10²³cm^-3的范围内，尤其是处于2.7×10²¹cm^-3至6.0×10²²cm^-3的范围内，尤其是处于4.5×10²¹cm^-3至3.2×10²²cm^-3的范围内。此外，可以将四价元素，尤其是锗，作为附加物添加到所述熔体中。这可以用于晶格加固。附加物与掺杂物的浓度之比尤其可以为至少5:1，尤其为至少10:1，尤其为至少100:1。

根据本发明的另一个方面，使所述硅熔体从一个或多个晶芽预设点出发以定向的方式凝固。所述晶芽预设点尤其具有单晶结构。所述晶芽预设点优选具有确定的晶体取向。所述晶芽预设点优选具有平行于<110>取向分布的表面。

根据本发明的另一个方面，使所述硅熔体在坩埚中凝固。对此，可供选择地，可以设置用于使所述硅熔体凝固的无坩埚方法。详情请参阅EP 2 692 908A1，其在此完全并入本申请中。

根据本发明的晶锭的显著特征在于晶体结构，其中，在所述晶体结构中装入有原子半径为至少110pm的杂质原子。所述杂质原子具有10²¹m^-3至10²⁴m^-3范围内的密度。所述硅锭在其体积的至少50％，尤其是至少70％，尤其是至少90％内具有单晶结构。因此，它也被称为准单晶锭。

根据本发明的一个方面，所述晶锭具有矩形的，尤其是正方形的横截面。所述晶锭可以具有如下横截面，所述横截面的边长大于40cm，尤其是大于50cm，尤其是大于60cm，尤其是大于80cm。

充当杂质原子的尤其是上述元素、它们的组合或者它们的化合物。优选地，镓原子充当杂质原子。因此，所述晶锭尤其是指掺杂了镓的硅锭。已经证实的是，这种掺杂了镓的硅锭具有特别高并且均匀的空载电压。这种晶锭尤其具有特别均匀的质量。

根据本发明的一个方面，所述晶锭的底部区域由一个或多个单晶的晶芽预设点形成。所述底部区域尤其可以是基本上不掺杂的。优选地，所述晶芽预设点在起始点中包含成品块的掺杂物总量的至少50％，尤其是至少70％，尤其是至少90％。

根据本发明的另一个方面，所述晶锭借助于定向的凝固法来生产，尤其是借助于布里奇曼法或者垂直梯度凝固法来生产。

所述晶锭尤其可以根据上面所描述的方法来生产。

根据本发明的另一个方面，所述晶锭在生长方向上具有15cm至50cm的高度h，优选是至少30cm。原则上，也可以实现更大的高度。令人惊讶地，已经证实，利用根据本发明的方法可以生产在所述生长方向上具有大延展部的晶锭，所述大延展部基本上跨越其整个高度地在所述生长方向上具有低的、尤其是恒定的位错密度。

根据本发明的另一个方面，高度为0.8h范围内的平均位错密度与高度为0.2h范围内的平均位错密度之比最大为1.5:1。优选地，高度为0.9h范围内的平均位错密度与高度为0.1h范围内的平均位错密度之比最大为1.1:1。所述晶锭尤其在其在所述生长方向上至少80％的延伸部上具有基本上恒定的平均位错密度。

所述晶锭被确定数量的位错线穿越。在这种情况下，所述位错线是指也被称为小角度晶界区域的区域。在这些区域内部，所述位错密度可能非常大。在这些区域之间，在所述晶锭的剖面内，尤其是在垂直于所述生长方向或者平行于所述生长方向的剖面内，所述位错密度为最高10000cm^-2，尤其是最高5000cm^-2，尤其是最高3000cm^-2。

所述位错线或者所述小角度晶界区域的平均间距尤其为至少3mm，尤其为至少5mm，尤其为至少10mm。

在垂直于所述生长方向的剖面中，所述晶锭具有面积为至少10mm²，尤其是至少20mm²，尤其是至少50mm²，尤其是至少100mm²的、在至少90％的表面上连贯的区域，在所述连贯的区域中，所述位错密度为最高10000cm^-2，尤其是最高5000cm^-2，尤其是最高3000cm^-2，尤其是最高1000cm^-2。

在根据本发明的晶锭中，所述小角度晶界区域在生长方向上变宽最高0.5毫米/每厘米块高度。

所述小角度晶界区域具有最佳拟合线(Ausgleichsgeraden)，所述最佳拟合线与所述晶芽表面上的法线或者与所述生长方向成最高5°的角度，尤其是成最高3°的角度，尤其是成最高1°的角度。

本发明的其他目的在于，改进晶圆，尤其是改进用于生产太阳能电池的晶圆，以及由所述晶圆生产的太阳能电池，以及带有相应太阳能电池的太阳能模块。这些目的通过由前面所描述的晶锭所生产的晶圆、由这些晶圆生产的太阳能电池或者具有多个这种太阳能电池的太阳能模块来实现。

所述晶圆尤其具有单晶结构。所述晶圆尤其是掺杂了镓的晶圆。

根据本发明的一个方面，所述晶圆在其至少90％的表面上具有位于100cm^-2至20000cm^-2范围内的位错密度。

根据本发明的另一个方面，所述晶圆具有矩形横截面，所述矩形横截面具有至少两个棱边，所述至少两个棱边平行于<110>方向地分布。所述晶圆尤其可以具有带有<100>晶体取向的表面。这能够实现晶圆表面特别有效的纹理化。

对此，可供选择地，所述晶圆表面的晶体取向也可以是<110>取向。在这种情况下，所述晶圆的棱边中的一个优选平行于<110>方向地取向，并且所述棱边中的一个优选平行于<100>方向地取向。

由前面所描述的晶圆生产的太阳能电池优选是所谓的PERC太阳能电池(钝化发射极背面接触太阳能电池)。根据本发明，会被认识到的是，这种太阳能电池正好与镓掺杂相结合是特别具有优点的。即使当掺杂物浓度在其整个表面上变化尤其是具有强梯度时，这种太阳能电池也能够尤其具有高效率。

本发明的另一个目的在于，改进生产晶圆的方法。

该目的通过生产前面所描述的晶锭并且紧接着沿着预先给定的方向将所述晶锭分配成晶圆来实现。优点由所述晶锭或其生产的优点得知。

具体而言，本发明的一些方面可以阐述如下：

1.一种用于生产晶锭的方法，其包括以下步骤：

1.1、提供带有掺杂物的硅熔体(29)；

1.2、使所述硅熔体(29)定向凝固；

1.3、其中所述掺杂物具有比硅更大的原子半径。

2.根据条款1所述的方法，其特征在于，掺杂物选自以下物质：Ga、Ge、As、In、C、Sn和Sb、以及上述这些物质的组合或者上述这些物质的化合物。

3.根据前述条款之一所述的方法，其特征在于，将高掺杂的硅形式的所述掺杂物以10²⁴m^-3至10²⁶m^-3范围内的掺杂物浓度添加到所述硅熔体(29)中。

4.根据前述条款之一所述的方法，其特征在于，使所述硅熔体(29)从一个或多个晶芽预设点(30)出发以定向的方式凝固。

5.一种具有晶体结构的硅锭(1)，

5.1、其中，在所述晶体结构中装入有原子半径为至少110pm的杂质原子，

5.2、其中，所述杂质原子具有10²¹m^-3至10²⁴m^-3范围内的密度，

5.3、其中，所述晶体结构主要是单晶的。

6.根据条款5所述的硅锭(1)，其特征在于，底部区域由一个或多个单晶的晶芽预设点(30)形成。

7.根据前述条款之一所述的硅锭(1)，其特征在于，所述硅锭(1)借助于定向的凝固法生产而成。

8.根据前述条款之一所述的硅锭(1)，其特征在于，所述硅锭(1)在生长方向上具有至少40cm的高度h。

9.根据前述条款之一所述的硅锭(1)，其特征在于，高度为0.8h范围内的平均位错密度与高度为0.2h范围内的平均位错密度之比最大为1.5:1，其中，所述高度h是在所述生长方向(12)上测得的。

10.一种晶圆，其由根据条款5至9之一所述的晶锭生产而成。

11.根据条款10所述的晶圆，其特征在于，位错的密度在所述晶圆至少90％的表面上位于100cm^-2至20000cm^-2的范围内。

12.根据条款10或11所述的晶圆，其特征在于具有至少两个棱边的矩形横截面，所述至少两个棱边平行于<110>方向地分布。

13.一种用于生产晶圆的方法，其包括以下步骤：

13.1、生产根据条款1至4之一所述的晶锭，

13.2、使所述晶锭(1)沿着预先给定的取向对准，

13.3、沿着预先给定的方向将所述晶锭(1)分割成晶圆。

14.一种太阳能电池，其由根据条款10至12之一所述的晶圆生产而成。

15.一种太阳能模块，其具有多个根据条款14所述的太阳能电池。

附图说明

本发明的其他细节和详情由结合附图对实施例的描述得知。

图1示意性并且示例性地示出一种用于生产硅锭的装置；

图2A和图2B示例性地示出根据本发明的掺杂了镓的晶锭(图2A)和掺杂了硼的晶锭(图2B)的对比位置。

具体实施方式

首先，结合示意性的图1来描述生产硅锭1的普适性细节。

为生产所述硅锭1设置结晶方法。所述硅锭1尤其可以通过布里奇曼法或者垂直梯度凝固法(VGF法)来生产。为此，根据本发明的系统包括图1中示意性示出的设备3，所述设备3用于熔化硅和使硅结晶。所述设备3包括用于接收硅熔体29的坩埚4。所述坩埚4尤其具有向上敞开的长方体的形状。它尤其可以具有正方形横截面。所述坩埚4界定出一侧敞开的内部空间5。所述内部空间5可以经由开口6来填充。在所述坩埚4的底部，可以布置一个或多个晶芽预设点30。

所述晶芽预设点30可以在单独的工艺中，例如丘克拉斯基法、区域熔融法或者其他的单结晶生产工艺中，例如垂直梯度凝固法中，生产而来。所述晶芽预设点30优选具有预先给定的晶体取向。详情请参阅DE 10 2010 029 741 A1，其在此同样并入本申请中。

此外，所述设备3包括温度控制装置7。所述温度控制装置7就其而言包括多个加热元件8。所述温度控制装置7也可以包括冷却元件9。借助于所述温度控制装置7，可以实现的是，针对性地加热和冷却所述坩埚4的内部空间5。

用于生产硅块1的所述设备3和用于生产所述硅块1的方法的进一步详情，请参阅DE 10 2010 029 741 A1，其在此完全作为本申请的组成部分并入本申请。

为了生产硅块1，也可以设置根据US 2014/0030501A1的方法，它在此同样完全作为本申请的组成部分并入本申请。

所述硅锭1至少50％体积百分比，尤其是至少70％体积百分比，尤其是至少90％体积百分比具有单晶结构。因此，所述硅锭1也被称为准单晶硅锭1。

所述硅锭1具有带有第一侧面和第二侧面的正方形横截面。所述第一侧面垂直于<110>取向地分布。所述第二侧面垂直于<100>取向地分布。

在相应于生长方向12的块纵向方向上，所述硅锭1具有至少250mm的延伸部，尤其是至少330mm，尤其是至少410mm，尤其是至少500mm。所述硅锭1具有830mm×830mm的横截面积。但是，其他尺寸也同样是可能的。

在所述硅熔体29凝固之前，使其设有掺杂物31。尤其是，镓充当掺杂物31。原则上，其它物质也可以充当掺杂物，尤其是来自元素周期表第三或者第五主族的物质，它们具有比硅的原子半径更大的原子半径，尤其是至少110pm的原子半径，尤其是至少120pm的原子半径，尤其是至少125pm的原子半径。

所述掺杂物尤其以高掺杂的硅的形式被添加到所述硅熔体29中。

为了生产所述硅锭1，使所述晶芽预设点30初熔但是并不是熔融。然后，所述晶芽预设点30可以将其晶体结构在所述硅熔体29凝固时传递到所述硅锭1上。

所述硅熔体29的凝固从所述晶芽预设点30的晶芽表面开始沿着生长方向12向上进行。为了以受控的方式使所述硅熔体29结晶，借助于加热元件8和/或冷却元件9精确地控制坩埚4中的温度场。尤其是，可以借助于冷却元件9将热量从所述硅熔体29中导出。在这种情况下，尤其可以精确控制固-液相边界的走向。

为了由所述硅锭1生产晶圆，优选通过线锯工艺来分割所述硅锭1。

为此，可以首先将所述硅锭1锯成方形立柱。这些方形立柱可以平行于或垂直于所述生长方向12地取向。

这些立柱又可以被分割成晶圆。在这种情况下，晶圆的厚度可以根据它们以后的使用来确定。

在将所述硅锭1分割成晶圆之前，可以将边缘区域从所述硅锭1上分离。尤其可以设置的是，将底部区域从所述硅锭1上分离。所述底部区域可以在后续的工艺中被用作晶芽预设点30。

由所述硅锭1生产而来的晶圆拥有与所述硅锭1相同的晶体质量。尤其是，所述晶圆在其至少50％，尤其是至少70％，尤其是至少90％的表面上具有单晶结构。所述单晶结构尤其可以具有<100>取向。这使得后续的纹理化，尤其是通过湿式或干式化学蚀刻法来产生金字塔结构变得容易。所述晶圆在其至少90％的表面上具有位于100cm^-2至20000cm^-2的范围内的位错密度，尤其是最高10000cm^-2的位错密度，尤其是最高5000cm^-2的位错密度，尤其是最高3000cm^-2的位错密度。

在整个晶圆宽度上，也就是说从晶圆棱边出发到对置的晶圆棱边，平均位错密度基本上是恒定的。尤其是，所述平均位错密度在任意两个简单连贯的、具有至少10％晶圆表面面积的凸区域内相差最高10％。

优选地，所述晶圆具有至少两个侧棱，所述至少两个侧棱平行于<110>方向地取向。

在将所述晶圆从所述硅锭1上分离时，所述晶圆已经具有掺杂，尤其是镓掺杂。另外的扩散步骤是没有必要的。掺杂物浓度尤其处于5×10¹⁵cm^-3至10¹⁷cm^-3的范围内。

其它掺杂物尤其是硼、铝或磷的浓度尤其小于1个掺杂物原子/10⁶个硅原子，尤其是小于1个掺杂物原子/10⁷个硅原子，尤其是小于1个掺杂物原子/10⁷个硅原子，尤其是小于1个掺杂物原子/10⁸个硅原子，尤其是小于1个掺杂物原子/10⁹个硅原子。

为了由所述晶圆生产所述太阳能电池，将前侧和/或背侧触点覆加到所述晶圆上。优选地，由所述晶圆生产所谓的PERC太阳能电池。

尤其是，太阳能电池被进一步加工成具有多个太阳能电池的太阳能模块。每个太阳能模块的太阳能电池的数量尤其为至少4个，尤其为至少10个，尤其为至少30个。所述太阳能电池的数量也可以为60、72或者更多。

此外，可以设置的是，将所谓的边缘外皮从所述硅锭1上分离。

已经证实的是，所述硅锭1具有在所述生长方向12上基本恒定的位错密度。

由此，可以实现的是，在所述生长方向12上以恒定的高品质生产高度h高于40cm尤其是高于50cm尤其是高于60cm的所述硅锭1。

此外，已经表明，在所述硅锭1中，尤其是在由所述硅锭1生产的晶圆中，平均载流子寿命能够得以显著提高。这在图2A和图2B中定性地清楚可见。在这些附图中示出了所述硅锭1在平行于所述生长方向12的横截面之上的平均载流子寿命。在这些照片中，能够以亮度推断出所述平均载流子寿命。较亮的区域源于较长的载流子寿命。

此外，可以从图2B中定性推断的是，在根据现有技术生产的硅锭中，所述位错密度尤其在晶锭的上半部分中显著增加。在这种情况下，位错作为暗条纹13是可见的。在以传统方式生产的晶锭(图2B)中，仅仅下面的四分之一是位错少的。随着所述生长方向12上高度增加，导致位错显著成倍增长，这也被称为位错倍增。较高的位错密度反映在由晶锭生产的太阳能电池的效率降低里。

如从图2A中定性地清楚可见的那样，用于生产所述硅锭1的根据本发明的方法产生硅锭1，所述硅锭1基本上在其整个高度h上没有位错。