用于制造包括多个竖向结的单块硅晶圆的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于制造具有竖向P-η多结的单块硅晶圆的新方法。
【背景技术】
[0002]在创造光伏电池和模块的环境中，这样的晶圆是特别有利的。
[0003]目前，光伏模块(PV)大多数是用单晶硅电池或多晶硅电池的组装制造的，通常用具有电导率P的晶圆生产这些电池。
[0004]在尺寸合理的PV模块(达到m2的程度)中，对于晶圆的尺寸标准(I56mmX 156mm)意味着PV模块的开路电压(V。。)被限制为几十伏。
[0005]已经研宄各种途径，以试图增大PV模块的电压V。。。
[0006]第一选择可以在于使用除晶体硅(Si)以外的材料，尤其是呈现大于硅的1.1eV(电子伏)的带隙幅度的半导体，例如，从所谓的异质结技术获得的晶体Si上非晶Si类型的材料，或者甚至CdTe (碲化镉)类型的材料。遗憾的是，在开路电压方面的改善受到限制，这是因为具有过高带隙(>2eV)的半导体的使用导致所吸收的光子的量的显著减少和能量转换效率的损失。
[0007]另一可能的将是，相比于当前的156mmX 156mm的标准，减小电池的尺寸，这使得通过串接形成模块的更大数量的电池，可以增大电压V。。的值。然而，该解决方案会使处理模块创造的操作更加困难。此外，保持形成PV模块的电池之间用以连接的空间的需求导致有用表面面积的损失(即允许电载流子的光生作用)。伴随更大数量的较小尺寸的电池的实施，表面面积的这种损失更大。
[0008]为了试图降低有用表面面积的这种损失，可以考虑生产标准尺寸156mmX 156mm的单块晶圆，并且凭经验地蚀刻沟槽(例如通过激光消融)，这会具有有效地创造多个更小尺寸的电池的效果。然而，蚀刻工艺很可能引起晶圆的脆化，从而引起机械强度问题。此外，子电池之间的隔离问题是复杂的，尤其是如果针对目标应用需要显著的绝缘电阻。
[0009]Gatos等人(US 4，320, 247)提出了利用根据切克劳斯基(Czochralski)方法通过定向性凝固所获得的P型硅晶体中本身存在的氧浓度波动，以在晶体的切割和通过基于氧气的热施主的热焙烧的激活之后获得p/n结构的晶圆。热施主(通过在400°C-500°c的温度的热焙烧而可在硅晶圆中生成的氧气的小的附聚物)充当电子供体，因此可以引起材料的补偿及其导电性的变化。遗憾的是，氧浓度波动且因此最终晶圆中的η区和P区的尺寸(通常达到大约一百微米的程度)难以控制。
[0010]最近，Pozner等人(“Progress in Photovoltaics”，20 (2012)，197)已经通过建模设想出具有竖向P-η结平面的电池的串接，与结平面是水平的传统晶圆的配置不同。该方法的益处是能够设想出在单块衬底上用于生产电池的集合类型的工艺。然而，关于这种结构的实际生产、其成本以及非常高的风险的几个技术问题仍未得到解决。
【发明内容】
[0011]因此，依然需要一种可用于制造适于生产具有高开路电压的PV模块且使不活跃的表面(即不允许光生载流子的聚集的表面)最小化的晶圆的方法。
[0012]本发明恰好旨在解决该需要。
[0013]更特别地，本发明提出了一种用于制造具有竖向p-n多结的单块硅晶圆的方法。
[0014]因此，根据本发明的第一方面，本发明涉及一种用于制造具有竖向多结的单块硅晶圆的方法，上述竖向多结呈现η掺杂区和P掺杂区的交替，该方法至少包括如下步骤:
[0015](i)提供液浴，所述液浴包含硅、至少一种η型掺杂剂和至少一种P型掺杂剂；
[0016](ii)通过改变对流-扩散参数以使η掺杂硅层和P掺杂硅层的生长交替，以在方向I上定向地凝固所述娃；以及
[0017](iii)平行于所述方向I，切割在步骤(ii)完成时所获得的多层结构的薄片，从而获得预期的所述晶圆。
[0018]在该文本中的下文中，通常包括一种或多种P型掺杂剂(或一种或多种η型掺杂剂)的硅层或硅区将被更简化地称为“P掺杂”(或“η掺杂”)层或区。
[0019]与文献US 4，320, 247中所描述的方法不同，η掺杂区因此在硅的定向凝固期间形成，并且绝不源于基于间隙氧的热施主的通过焙烧的后续激活。
[0020]在该文本中的下文中，除了另有指示外，否则当在其水平位置上观察时，描述晶圆的特征。
[0021]因此，特别地，该晶圆被限定成在水平定位的晶圆的竖向切割平面上呈现“竖向”结。
[0022]根据本发明的另一方面，本发明涉及一种具有竖向多结的单块硅晶圆，特别地根据前文所限定的方法获得的晶圆，所述晶圆在至少一个竖向切割平面上呈现η掺杂区和P掺杂区的交替，这些区中的每个区都在该晶圆的整个厚度上延伸且在切割平面上具有至少2mm的宽度。
[0023]本发明还涉及包括这样的硅晶圆的光伏设备，尤其涉及包括这样的硅晶圆的光伏电池。
[0024]有利地，被划分成多个更小尺寸的子电池的根据本发明的硅晶圆可以生产呈现增大的开路电压、同时保持达到Hl2的程度的合理标准尺寸的PV模块。
[0025]通过示例性应用，如在该文本中下文所阐述的，这些高电压的PV模块允许PV系统中的PV模块的组件的新配置，更特别地，允许光伏设施中的PV模块与逆变器之间的电压电平的标准化。
[0026]因此，根据本发明方面中的另一方面，本发明还涉及光伏系统，该光伏系统包括多个串联和/或并联连接的如前文所限定的光伏设备，从而允许调整与所述系统相关联的逆变器的输入电压。
【附图说明】
[0027]通过阅读本发明的示例性实施方式的以下详细描述以及研宄附图，根据本发明的方法、硅晶圆和光伏设备的其它特征、优势和应用模式将变得更明显，附图中:
[0028]-图1以横截面示意性且部分地示出在本发明的方法的步骤(ii)期间所形成的多层结构。
[0029]-图2在竖向切割平面上示意性示出根据本发明的硅晶圆的结构。
[0030]-图3示意性示出被再分成六个子电池且产生3.6V的电压的根据本发明的PV电池(图3a)和产生0.6V的电压的传统PV电池(图3b)的架构。
[0031]-图4示出传统PV设施的示例性配置，其包括15个串联的PV模块的一条链(模块规格:7AMPP;31VMPP，217W。，其中，Ampp表示在25°C的温度下的最大功率电流，V MPP表示在25°C的温度下的最大功率电压，以及W。表示在25°C的温度下的最大功率)。
[0032]-图5示出利用从本发明的PV电池制造的PV模块设想的两种新配置(模块规格:1.75Ampp；122V ?pp,216ffc):引起366V-的DC母线电压的三个模块的五条链的配置(图5a)；和引起610VMPP的母线电压的五个模块的三条链的配置(图5b)。
[0033]在图4和图5中，传统地，Ampp用于表示在25°C的温度下的最大功率电流，Vmpp用于表示在25°C的温度下的最大功率电压。
[0034]-图6示出传统PV逆变器的架构(图6a)和根据本发明所允许的逆变器的新架构(图 6b)。
[0035]应当注意，为了清楚起见，图中的不同元件并未按比例示出，未遵守不同部分的实际尺寸。
【具体实施方式】
[0036]在该文本中的下文中，表达“位于…与…之间”、“从…到…”和“从…变化到…”是等同的且意图指的是包括界限，除非另有规定。
[0037]除非另有指示，否则表达“包括/包含”应当被理解成指的是“包括/包含至少一个”。
[0038]晶圆的制造
[0039]步骤(i):液浴
[0040]如前文所述，本发明的方法的步骤⑴在于提供液浴，也被称为“熔体”浴，该液浴包含硅、至少一种η型掺杂剂和至少一种P型掺杂剂。
[0041]一种或多种所述P型掺杂剂可以选自于硼⑶、销(Al)、镓(Ga)、铟(In)、锌(Zn)及其混合物。
[0042]优选地，P型掺杂剂为硼。
[0043]更特别地，一种或多种P型掺杂剂可以以从每立方厘米5 X 115个原子到每立方厘米117个原子、特别地从每立方厘米10 16个原子到每立方厘米4 X 10 16个原子的比例存在于液浴中。
[0044]一种或多种所述η型掺杂剂可以选自于磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、锡(Sn)及其混合物。
[0045]优选地，η型掺杂剂为锑。
[0046]更特别地，一种或多种η型掺杂剂可以以从每立方厘米116个原子到每立方厘米5 X 118个原子、特别地从每立方厘米10 17个原子到每立方厘米10 18个原子的比例存在于液浴中。
[0047]优选地，P型掺杂剂为硼且η型掺杂剂为锑。
[0048]显然，对于本领域技术人员来说，可改变在本发明的方法的步骤(i)中所实施的液浴的体积，尤其根据所期望的硅晶圆的尺寸进行改变。
[0049]在本发明的方法的步骤(i)中所实施的液浴的制备落在本领域技术人员的常识内。
[0050]例如，可以通过以固相混合娃、η型掺杂的娃晶圆和P型掺杂的娃晶圆和/或η掺杂的硅晶圆和P掺杂的硅晶圆，之后将所有物质加热到高于硅的熔点的温度，来预先形成液浴。
[0051]根据特定实施方式，使用搅拌系统在本发明的方法的步骤(ii)中的实施之前，搅动液浴，例如利用磁力搅拌、通过振动台的搅拌等来实现，以便确保浴的良好均匀性，尤其是η型掺杂剂和P型掺杂剂在液态硅中的良好分散。
[0052]可以在石英坩祸或石墨坩祸(可能覆盖有一层SiC)中产生所述液浴。已知坩祸能经受加热至高到足以获得液浴的温度。
[0053]步|聚(ii):娃的定向?疑固
[0054]在本发明的方法的第二步骤中，通过改变对流-扩散参数以使η掺杂硅层