用于硅純化的覆蓋熔劑和方法
【專利說(shuō)明】用于硅純化的覆蓋熔劑和方法
【背景技術(shù)】
[0001] 本申請(qǐng)要求于2013年1月29日提交的第61/758, 088號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán) 的權(quán)益，其通過(guò)引用整體并入本文。
【背景技術(shù)】
[0002]
[0003] 太陽(yáng)能電池可以通過(guò)利用其將日光轉(zhuǎn)換為電能的能力而成為可行的能源。硅是在 太陽(yáng)能電池的制造中使用的半導(dǎo)體材料；然而，對(duì)硅用途的限制涉及將其純化至太陽(yáng)能級(jí) (SG)的成本。
[0004] 已知一些用來(lái)純化用于太陽(yáng)能電池的硅的技術(shù)。這些技術(shù)中的大部分技術(shù)基于以 下原理來(lái)操作：當(dāng)硅從熔融溶液凝固時(shí)，不期望的雜質(zhì)可以傾向于保留在熔融溶液中。例 如，浮區(qū)（float zone)技術(shù)可以用于制造單晶錠塊，并使用在固體材料中的移動(dòng)液體區(qū)，將 雜質(zhì)移動(dòng)到材料的邊緣。在另一實(shí)例中，Czochralski技術(shù)可以用于制造單晶錠塊，并使用 緩慢地從溶液中汲取出的晶種，使硅的單晶柱形成，同時(shí)將雜質(zhì)留在溶液中。在又一實(shí)例 中，Bridgeman技術(shù)或熱交換器技術(shù)可以用于制造多晶錠塊，并使用溫度梯度來(lái)引起定向凝 固。
[0005] 附圖簡(jiǎn)述
[0006] 在附圖中，在全部幾幅視圖中相同的數(shù)字可以用于描述相似的要素。具有不同字 母后綴的相同數(shù)字可以用于表示相似要素的不同視圖。示例且非限制地，附圖通常例示出 本文件中討論的各種實(shí)例。
[0007] 圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的在純化硅的方法中使用的模具的橫截面圖。
[0008] 圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的在純化硅的方法中使用的另一模具的橫截面圖。
[0009] 圖3是純化硅的示例方法的流程圖。
[0010] 圖4是純化硅的示例方法的另一流程圖。
[0011] 圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的定向凝固系統(tǒng)的等軸側(cè)視圖。
[0012] 圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的可用于定向凝固硅的加熱器的橫截面圖。
[0013] 圖7是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的得自兩種不同純化方法的雜質(zhì)量的圖。
[0014] 詳述
[0015] 本公開描述了利用定向凝固來(lái)純化硅的設(shè)備和方法。所述設(shè)備和方法可以包括使 用減少熔融硅內(nèi)的雜質(zhì)的覆蓋熔劑。本發(fā)明的所述設(shè)備和方法可用來(lái)制造用于太陽(yáng)能電池 的硅晶體。
[0016] 定義
[0017] 單數(shù)形式〃一（a) 〃、〃一（an) 〃和〃該（the) 〃可以包括復(fù)數(shù)指示對(duì)象，除非上下 文另外清楚地指出。
[0018] 如本文所用的，"定向凝固"或"定向地凝固"等可以是指在大致一個(gè)位置開始、以 大致線性方向（例如垂直地、水平地、或垂直于表面）進(jìn)行并在大致另一位置結(jié)束的方式使 材料結(jié)晶。如該定義中所用的，位置可以是點(diǎn)、平面或包括環(huán)形或碗形的曲面。
[0019] 如本文所用的，"耐火材料"可以是指在高溫下、尤其是在與熔化和定向凝固硅相 關(guān)的高溫下在化學(xué)和物理方面穩(wěn)定的材料。耐火材料的實(shí)例包括但不限于氧化鋁、氧化硅、 氧化鎂、氧化鈣、氧化鋯、氧化鉻、碳化硅、石墨或其組合。
[0020] 如本文所用的，"硅"可以是指具有化學(xué)符號(hào)Si的元素，并且可以是指任何純度的 Si，但是通常指至少50重量％純、優(yōu)選75重量％純、更優(yōu)選85 %純、更優(yōu)選90重量％純、且 更優(yōu)選95重量％純、且甚至更優(yōu)選99重量％純的硅。
[0021] 圖1示出根據(jù)本公開的模具10的實(shí)例。在本公開中，將該模具限定為其中進(jìn)行定 向凝固的容器。模具10可以由至少一種耐火材料12形成，其配置為提供熔融硅的定向凝 固。
[0022] 模具10可以具有底部14和從底部14向上延伸的一個(gè)或多個(gè)側(cè)面16。模具10可 以成形為與厚壁大碗相似的形狀，其可以具有圓形的或大致圓形的橫截面。模具10可以具 有其他橫截面形狀，包括但不限于方形、或六邊形、八邊形、五邊形、或帶有任何合適數(shù)目的 邊的任何合適的形狀。
[0023] 底部14和側(cè)面16限定了模具10的內(nèi)部，該內(nèi)部可以接收熔融材料，諸如熔融硅 2。該內(nèi)部也可以接收可經(jīng)熔化而形成熔融材料的固體材料，例如固體硅（未示出）。耐火 材料12可以包括面向該內(nèi)部的內(nèi)表面20。在一個(gè)實(shí)例中，內(nèi)表面20包括底部14的上表面 22和一個(gè)或多個(gè)側(cè)面16的內(nèi)表面24。
[0024] 耐火材料12可以是任何合適的耐火材料，尤其是適用于熔化或定向凝固硅的模 具的耐火材料?？梢杂米髂突鸩牧?2的材料的實(shí)例包括但不限于氧化鋁（A1 203，也稱為三 氧化二鋁）、氧化娃（Si02，也稱為二氧化娃）、氧化鎂（MgO,也稱為鎂砂）、氧化媽（CaO)、氧 化鋯（Zr0 2，也稱為二氧化鋯）、氧化鉻（III) (Cr203，也稱為三氧化二鉻）、碳化硅（SiC)、石 墨或其組合。模具10可以包含一種耐火材料，或多于一種的耐火材料。包含在模具10中 的一種或多種耐火材料可以混合，或者它們可以位于模具10的分開的部分中，或其組合。 一種或多種耐火材料12可以按層布置。模具10可以包括多于一層的一種或多種耐火材料 12。模具10可以包括一層的一種或多種耐火材料12。模具10的側(cè)面16可以由與底部14 不同的耐火材料形成。與模具10的底部14相比，側(cè)面16可以具有不同的厚度，包含不同的 材料組成，包含不同量的材料，或其組合。在一個(gè)實(shí)例中，側(cè)面16可以包含加熱面耐火物， 例如氧化錯(cuò)。t旲具1〇的底部14可以包含導(dǎo)熱材料，例如碳化娃、石墨、鋼、不鎊鋼、鑄鐵、銅 或其組合。在一個(gè)實(shí)例中，側(cè)面16包含氧化鋁（三氧化二鋁）耐火材料，且底部14包含具 有含磷粘結(jié)劑的碳化硅耐火物。
[0025] 雜質(zhì)可以從耐火材料12傳遞到熔融硅2,使得一些雜質(zhì)的雜質(zhì)水平可能比在光伏 器件中使用硅時(shí)可接受的雜質(zhì)水平更高。例如，硼或磷雜質(zhì)可以存在于耐火材料12中。甚 至在非常小的硼或磷水平下，在由于存在熔融硅2而使耐火材料12經(jīng)歷的高溫下，可以驅(qū) 使硼或磷從耐火材料12中擴(kuò)散出并進(jìn)入熔融硅2中。
[0026] 在一個(gè)實(shí)例中，在耐火材料12的內(nèi)表面20上，例如在上表面22和一個(gè)或多個(gè)內(nèi) 表面24上，可以包括襯里30。襯里30可以配置為防止或減少熔融硅2的污染，例如通過(guò)諸 如硼（B)和磷（P)的雜質(zhì)從模具10的耐火材料12轉(zhuǎn)移至熔融硅2中，或者通過(guò)將雜質(zhì)或 污染物從耐火材料12反應(yīng)至熔融硅2中而存在的污染。襯里30可以提供對(duì)可存在于耐火 材料12中的污染物或雜質(zhì)的屏障。盡管在圖1示出襯里30,但是其他的模具實(shí)例可以不包 括襯里。
[0027] 在一個(gè)實(shí)例中，襯里30包含三氧化二鋁（A1203)。當(dāng)三氧化二鋁是諸如硼（B)和 磷（P)的多種雜質(zhì)的有效屏障時(shí)，用三氧化二鋁的一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)是在存在熔融硅2的情況 下三氧化二鋁可經(jīng)歷還原反應(yīng)而在熔融硅2中以不期望的水平形成金屬鋁（A1)。
[0028] 圖1示出覆蓋熔劑4位于硅2的頂表面上。熔劑材料的實(shí)例包括但不限于碳酸鈉 (Na2C0 3)、氧化鈣（CaO)、氟化鈣（CaF2)、二氧化硅（Si02)和氮化硅（Si 3N4)中的至少一種。 熔劑組合物的選例包括在以下表格中。在一個(gè)實(shí)例中，熔劑包含使用一種或多種所列的熔 劑組分形成的玻璃材料。
[0030] 在一個(gè)實(shí)例中，熔劑的添加去除了存在于硅源材料中的雜質(zhì)。在一個(gè)實(shí)例中，熔劑 的添加去除了耐火物12中的未被襯里30阻止的雜質(zhì)。在一個(gè)實(shí)例中，熔劑的添加去除了 可能由襯里30的三氧化二鋁引入硅2中的鋁。
[0031] 示于圖1中的覆蓋熔劑4位于硅2的頂表面3上。在定向凝固中，隨著凝固前沿 從模具5的底部向娃2的頂表面3移動(dòng)，雜質(zhì)被驅(qū)趕出固體娃并進(jìn)入液體中，這導(dǎo)致在凝固 結(jié)束時(shí)雜質(zhì)在硅的頂表面3處濃縮。在示出的構(gòu)造中，因?yàn)閷㈦s質(zhì)向上驅(qū)趕至覆蓋熔劑4， 因此熔劑更有效地與雜質(zhì)反應(yīng)。下文關(guān)于圖3和4更詳細(xì)地討論在硅2的頂表面3處形成 覆蓋熔劑4的方法。
[0032] 盡管圖1示出其中定向凝固從模具5的底部向硅的頂表面3移動(dòng)的示例構(gòu)造，但 是本發(fā)明并不由此受限。在其他實(shí)例中，定向凝固可以從硅的頂表面向位于硅的底表面的 熔劑層移動(dòng)。定向