專利名稱：硅板及其生產(chǎn)方法和太陽(yáng)能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅板，其特征在于在其表面存在晶粒間界線。本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種由該硅板形成的太陽(yáng)能電池以及該硅板的生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
通常用單晶硅片制造太陽(yáng)能電池。然而，由于單晶硅片的形成需要長(zhǎng)的時(shí)間，導(dǎo)致其非常昂貴，使得使用它們的太陽(yáng)能電池也非常昂貴。
近年來(lái)，具有多晶硅襯底的硅太陽(yáng)能電池的成本日益跌落，其產(chǎn)量顯著增加。然而，為了太陽(yáng)能電池的廣泛應(yīng)用，需要進(jìn)一步降低成本。
現(xiàn)在，對(duì)于如此迅速地流行的太陽(yáng)能電池，主要用多晶硅作為襯底。通常多晶硅通過(guò)鑄造法生產(chǎn)，如日本專利公開(kāi)No.11-21120中的公開(kāi)。在鑄造技術(shù)中，坩堝中的熔融硅從硅固化用坩堝的底部逐漸地冷卻，以獲得從坩堝底部長(zhǎng)出的具有長(zhǎng)晶粒的硅錠作為其主體。把硅錠切成薄板得到用于太陽(yáng)能電池的晶片。
作為另一個(gè)無(wú)需這種切片步驟的形成薄硅板的方法，如日本專利公開(kāi)No.2000-302431公開(kāi)了一種橫向牽拉的方法。貯槽容納熔融態(tài)的硅，一個(gè)靠近貯槽放置的固化槽裝有溫度低于硅固化溫度的熔融金屬。當(dāng)熔融硅與固化槽中熔融金屬接觸時(shí)，熔融硅被橫向牽拉，使其連續(xù)地冷卻并固化形成硅板。
在固化槽中，凝固點(diǎn)低于硅凝固點(diǎn)的錫、錫合金等被保持在高于自身凝固點(diǎn)的溫度下，以使熔融硅固化。
作為另一種方法，無(wú)需切片的硅帶生長(zhǎng)已經(jīng)被研究約20年。尤其是RGS(帶生長(zhǎng)硅)和其它技術(shù)已使引起人們對(duì)于以更塊速度生長(zhǎng)硅的關(guān)注。使用RGS技術(shù)，從硅熔融物直接形成薄硅板。這個(gè)想法是通過(guò)從接近硅襯底的凝固生長(zhǎng)前沿的表面迅速傳熱(提取熱)而實(shí)現(xiàn)硅襯底的高速生長(zhǎng)。
對(duì)于RGS方法，裝有熔融硅的坩堝的底部平板部分在冷卻的同時(shí)橫向移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)硅板的迅速生長(zhǎng)。(“MICROSTRUCTURALANALYSIS OF THE CRYSTALUZATION OF SILICON RIBBONSPRODUCED BY THE RGS PROCESS”I.Steinbach等人，26th PVSC，1997，第91-93頁(yè))。當(dāng)?shù)撞科桨宀糠直粡娜廴谖镏欣鰰r(shí)，平板上的硅在拉出后即刻是液相的，其同時(shí)從兩個(gè)表面冷卻，即從拉出平板的下表面和從硅的表面。
日本專利公開(kāi)No.61-275119描述了另一個(gè)形成硅帶的方法，其中水冷金屬輥(襯底)的表面浸入硅熔融物中，以在襯底表面形成固體硅層。這個(gè)方法具有純化作用，如此得到的固化帶的純度比熔融硅的純度更高。
如上所述的從硅錠生產(chǎn)硅片和從熔融態(tài)硅直接生產(chǎn)硅板的常規(guī)方法具有以下問(wèn)題。
首先，對(duì)于鑄造方法而言，使在坩堝中熔融的硅固化。當(dāng)硅熔融物固化時(shí)，其膨脹并受到坩堝壁表面的應(yīng)力。為松弛應(yīng)力和抑制裂紋的產(chǎn)生，并同時(shí)改善結(jié)晶質(zhì)量，需要花費(fèi)長(zhǎng)時(shí)間來(lái)生產(chǎn)硅錠。另外，硅錠被生產(chǎn)之后，需要分批型切片步驟以加工硅錠形成晶片。例如使用多線鋸進(jìn)行切片步驟以一次形成多個(gè)晶片。然而切片還需要數(shù)十個(gè)小時(shí)。這樣，使用鑄造方法很難提供低成本的晶片，因?yàn)樾纬删枰ㄙM(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，并且切片步驟中的切片損失會(huì)降低硅原料的利用率。此外，從坩堝底部附近、壁附近和中心得到的晶片的結(jié)晶質(zhì)量不同。
在如日本專利公開(kāi)No.2000-302431中公開(kāi)的橫向牽拉方法中，硅熔融物被從橫方向拉出，其通過(guò)裝有錫或錫合金熔融金屬的固化槽，從而獲得硅板。根據(jù)該方法，可以節(jié)約生產(chǎn)硅錠所需的長(zhǎng)時(shí)間，切片步驟也是不必要的，因此避免了切片損失。因此可增加硅原料的利用率。另外，因?yàn)橥ㄟ^(guò)從凝固槽中熔融金屬的表面提取熱量獲得結(jié)晶，故結(jié)晶可在一個(gè)方向上被定向。然而由于裝有熔融金屬的凝固槽靠近硅熔融物的貯槽放置，所以難以進(jìn)行嚴(yán)格的熱控制。更具體地說(shuō)，硅熔點(diǎn)為約1420℃，而錫熔點(diǎn)是232℃，因此裝有硅熔融物的貯槽和含有錫熔融物的凝固槽之間的界面會(huì)受到熱對(duì)流的顯著影響。另外，如果提高固化槽的溫度以避免對(duì)流的這種影響，則由于凝固槽中熔融金屬產(chǎn)生蒸氣，會(huì)發(fā)生相當(dāng)多的雜質(zhì)污染。
在RGS帶生產(chǎn)方法中，RGS帶本身的穩(wěn)定生長(zhǎng)是困難的。據(jù)描述在所得結(jié)晶的生長(zhǎng)前沿，在固液界面與平板表面成一定角度的狀態(tài)下硅固化和生長(zhǎng)。另?yè)?jù)描述晶粒是垂直于平板表面的柱狀結(jié)晶。然而，結(jié)晶是不受控制的，使太陽(yáng)能電池之間性質(zhì)會(huì)有相當(dāng)大的差異。因此，雖然可能生產(chǎn)出廉價(jià)的硅板，還需改進(jìn)電池工藝以改善或者穩(wěn)定所得的太陽(yáng)能電池的性能。這需要復(fù)雜的過(guò)程，阻礙了廉價(jià)太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)。
在日本專利公開(kāi)No.61-275119中公開(kāi)的另一個(gè)硅帶生產(chǎn)方法中，據(jù)描述得到了一種晶粒尺寸至少為100μm的硅帶。然而沒(méi)有任何詳細(xì)說(shuō)明。
基于以上所述，本發(fā)明的目標(biāo)是克服上述問(wèn)題，提供廉價(jià)的晶片及其生產(chǎn)方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供的硅板是在其表面具有晶粒間界線的多晶硅板，其中晶粒間界線中的至少一條是準(zhǔn)線性晶粒間界線。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供的硅板是在其表面具有晶粒間界線的多晶硅板，其中晶粒間界線中的至少一條是準(zhǔn)線性晶粒間界線，并且形成準(zhǔn)線性晶粒間界線的晶粒的至少90％是隨機(jī)排列的。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供的硅板是在其表面具有晶粒間界線的多晶硅板，其中晶粒間界線中的至少兩條是大約彼此平行的準(zhǔn)線性晶粒間界線。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供的硅板是在其表面具有晶粒間界線的多晶硅板，其中晶粒間界線中的至少兩條是彼此交叉的準(zhǔn)線性晶粒間界線。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供的硅板是在其表面具有晶粒間界線的多晶硅板，其中晶粒間界線中的至少兩條是彼此交叉的準(zhǔn)線性晶粒間界線，并且它們的交點(diǎn)的銳角至少為30°以及不大于90°。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供的硅板是在其表面具有晶粒間界線的多晶硅板，其中晶粒間界線的間距為至少0.05mm以及不大于5mm。
上述硅板的進(jìn)一步特征可在于，硅板表面的準(zhǔn)線性晶粒間界線位于與具有突起和凹陷的襯底表面上的凹陷對(duì)應(yīng)的位置，并且100mm2的硅板表面范圍包括不超過(guò)50條這種準(zhǔn)線性晶粒間界線，或者由硅板表面的準(zhǔn)線性晶粒間界線限定的部分的面積不小于0.25mm2。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供的太陽(yáng)能電池是通過(guò)在具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板上形成電極而獲得的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供的太陽(yáng)能電池的特征在于在具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板上形成太陽(yáng)能電池。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了硅板的生產(chǎn)方法，該方法包括步驟通過(guò)在溫度不高于硅熔融溫度的襯底上使硅熔融物固化形成硅板。硅板的生產(chǎn)方法的進(jìn)一步特征在于襯底至少在其與熔融硅接觸的表面上具有突起和凹陷部分，并且該突起是線性排列的。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板的示意圖。
圖2為本發(fā)明的具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板的一部分的示意圖。
圖3為本發(fā)明的另一個(gè)具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板的示意圖。
圖4為常規(guī)使用的普通多晶太陽(yáng)能電池的透視圖。
圖5為使用本發(fā)明的具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板的太陽(yáng)能電池的透視圖。
圖6為生產(chǎn)本發(fā)明的硅板的裝置的示意圖。
圖7為生產(chǎn)本發(fā)明的硅板的另一個(gè)裝置的示意圖。
圖8為用于生產(chǎn)本發(fā)明的具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板的襯底的透視圖。
圖9為用于生產(chǎn)本發(fā)明的具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板的另一個(gè)襯底的透視圖。
圖10為用于生產(chǎn)本發(fā)明的具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板的另一個(gè)襯底的透視圖。
圖11為用于生產(chǎn)本發(fā)明的具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板的另一個(gè)襯底的透視圖。
圖12為一種常規(guī)硅板受到堿蝕后獲得的鑄造襯底的光學(xué)顯微鏡照片。
圖13顯示了取自本發(fā)明的具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板表面的光學(xué)顯微鏡照片的準(zhǔn)線性晶粒間界線。
圖14為用于生產(chǎn)本發(fā)明的具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板的另一個(gè)襯底的透視圖。
實(shí)施發(fā)明的最佳方式本發(fā)明的硅板的特征在于，在表面具有晶粒間界線并遍布硅板的多晶硅板內(nèi)，晶粒間界線中的至少一條是作為具有一定程度規(guī)則性的準(zhǔn)線性晶粒間界線形成的。
首先說(shuō)明本發(fā)明涉及的晶粒間界線。多晶硅板是許多結(jié)晶的集合體，因此在其表面有大量晶粒。本文的晶粒間界線是指通過(guò)連接存在于一個(gè)結(jié)晶和與其相鄰的另一個(gè)結(jié)晶之間的各晶粒間界得到的線。
如圖1所示，本發(fā)明的硅板T的表面具有準(zhǔn)線性晶粒間界線1(1a、1b和1c)。在存在于襯底表面的晶粒間界線中，準(zhǔn)線性晶粒間界線不是指存在于單個(gè)晶粒周圍的晶粒間界線，而是指被至少三個(gè)晶粒共有的晶粒間界線。具體地說(shuō)，在圖1中，晶粒間界線1b從晶粒S1延伸到晶粒S13，近似于線性地沿著至少三個(gè)晶粒延伸。
例如，雖然晶粒間的晶粒間界線2a是線性的，但它存在于一個(gè)晶粒的周邊，換句話說(shuō)，它是兩個(gè)晶粒S14和S15之間的晶粒間界線。雖然這種晶粒間界線可能具有優(yōu)異的線性，但它不是本文所指的準(zhǔn)線性晶粒間界線，因?yàn)檫@種具有優(yōu)異線性的晶粒間界線被夾在雙晶之間是常見(jiàn)的。這類晶粒間界線經(jīng)常伴隨有與其平行的另一條晶粒間界線2b。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2說(shuō)明準(zhǔn)線性晶粒間界線橫切襯底表面的情況。在圖2中，準(zhǔn)線性晶粒間界線21從襯底的一邊22延伸到另一邊24。晶粒間界線21與邊22相交于起點(diǎn)23，并與邊24相交于終點(diǎn)25。圖2中畫出了晶粒間界線21的近似直線26和另一條連接起點(diǎn)23和終點(diǎn)25的直線27。
本發(fā)明的準(zhǔn)線性晶粒間界線21是指沿起點(diǎn)23到終點(diǎn)25之間最短距離的晶粒間界線。因?yàn)榫Яｉg界線各自方向不同，它們可能在晶粒彼此相遇的位置分支。在這種情況下，準(zhǔn)線性晶粒間界線被引向終點(diǎn)25。這樣，準(zhǔn)線性晶粒間界線可通過(guò)沿起點(diǎn)23到終點(diǎn)25的晶粒間界線而確定。在這個(gè)圖中，本發(fā)明的準(zhǔn)線性晶粒間界線與14個(gè)晶粒接觸。
雖然結(jié)合圖2對(duì)晶粒間界線進(jìn)行了說(shuō)明，起點(diǎn)23和終點(diǎn)25不一定必需位于硅板的邊上，它們可位于硅板的表面內(nèi)。在這種情況下，準(zhǔn)線性晶粒間界線存在于襯底的一部分表面內(nèi)，而不是從硅板的一邊到另一邊橫切硅板。設(shè)定準(zhǔn)線性晶粒間界線21的近似直線的長(zhǎng)度L1(未表示)優(yōu)選為連接起點(diǎn)23和終點(diǎn)25的直線長(zhǎng)度L2的至少100％和不大于150％，更優(yōu)選至少100％和不大于120％，最優(yōu)選至少100％和不大于110％。需要指出的是，本發(fā)明的晶粒間界線不必需是線性的，但是其得到很好的控制。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3說(shuō)明準(zhǔn)線性晶粒間界線彼此交叉的情況。圖3顯示了在垂直方向延伸的各準(zhǔn)線性晶粒間界線近似直線310-315和在水平方向延伸的各準(zhǔn)線性晶粒間界線的近似直線320-323。在圖3中，六條在垂直方向延伸的準(zhǔn)線性晶粒間界線的近似直線彼此平行，四條在水平方向延伸的準(zhǔn)線性晶粒間界線的近似直線也彼此平行。雖然在相同方向上的任何兩條準(zhǔn)線性晶粒間界線的近似直線嚴(yán)格來(lái)講不是平行的，但優(yōu)選控制它們近似于彼此平行地延伸。
此外，在圖3中，近似于平行的準(zhǔn)線性晶粒間界線排列形成格子。最優(yōu)選具有以此方式受控而彼此交叉的準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板，因?yàn)槠浞奖愕赜糜谥圃焯?yáng)能電池，這將在隨后描述。
雖然在圖3中平行的準(zhǔn)線性晶粒間界線之間或近似直線之間的距離彼此近似于相等，但本發(fā)明不受其限制。由近似直線限定的形狀在圖中近似地為正方形，也可是矩形、三角形或六邊形。
現(xiàn)在描述提取圖1-3所示的晶粒間界線的方法。例如，舉在常規(guī)的硅板受到堿蝕后獲得鑄造襯底的情況。如圖12所示，鑄造襯底有兩條晶粒間界線141和142。然而各晶粒間界線只由兩個(gè)晶粒夾入，因此它不符合本發(fā)明。這種晶粒間界線可由上述的堿蝕提取，或通過(guò)在拋光板表面后的酸蝕提取，可以對(duì)其進(jìn)行更詳細(xì)的檢查。堿或酸蝕之后可使用市售軟件進(jìn)行數(shù)字圖像處理，使晶粒間界線進(jìn)一步明晰。
本發(fā)明的硅板的特征在于其具有如圖1-3所示的準(zhǔn)線性晶粒間界線。另一方面，同樣存在于鑄造襯底中的準(zhǔn)線性晶粒間界線具體位于伸長(zhǎng)晶粒的周邊。此外，當(dāng)只有兩個(gè)或略大數(shù)目的晶粒與存在于鑄造襯底中的準(zhǔn)線性晶粒間界線接觸時(shí)，沿著本發(fā)明的準(zhǔn)線性晶粒間界線有更大數(shù)目的晶粒。鑄造襯底通常是正方形或者矩形，其具有約50-155mm的縱向長(zhǎng)度和約50-155mm的橫向長(zhǎng)度，因?yàn)樯a(chǎn)的是柱形硅錠，并使用鋼絲鋸等切割該硅錠。這樣，晶片的形狀限于四邊形例如近似于矩形或正方形，以對(duì)應(yīng)硅錠的形狀。在具有這種一般尺寸的鑄造襯底中，不可能所有的準(zhǔn)線性晶粒間界線從一邊延伸到其另一邊。也就是說(shuō)，存在于鑄造襯底中的準(zhǔn)線性晶粒間界線與本發(fā)明無(wú)關(guān)。
得到的具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板優(yōu)選具有至少100mm的周長(zhǎng)。如果周長(zhǎng)小于100mm，生產(chǎn)一個(gè)裝置需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。從而，即使可以提供廉價(jià)的硅板，也很難以低成本提供裝置。如果周長(zhǎng)大于100mm，可以縮短生產(chǎn)裝置所需的時(shí)間并能提供廉價(jià)的裝置。當(dāng)由硅板制造太陽(yáng)能電池時(shí)，更優(yōu)選使用較大的硅板。因?yàn)槭褂酶竺娣e硅板的太陽(yáng)能電池能得到更大的輸出電流。
此外，得到的硅板優(yōu)選一個(gè)邊不短于20mm。例如，即使周長(zhǎng)是100mm，如果硅板是垂直長(zhǎng)度為10mm，水平長(zhǎng)度為40mm的矩形，則在鑄造襯底中常見(jiàn)的準(zhǔn)線性晶粒間界線可能在板內(nèi)出現(xiàn)。但是，如上所述，鑄造襯底中常見(jiàn)的晶粒間界線自發(fā)發(fā)生，其是不受控制的并伴隨有伸長(zhǎng)晶粒。
優(yōu)選在硅板制成裝置如太陽(yáng)能電池的狀態(tài)下，本發(fā)明的準(zhǔn)線性晶粒間界線從多邊形的一邊貫通到另一邊。尤其是，雖然部分在硅板表面內(nèi)延伸的準(zhǔn)線性晶粒間界線在某種程度上表現(xiàn)了其作用，但優(yōu)選準(zhǔn)線性晶粒間界線貫通硅板以突出其作用。更優(yōu)選所述裝置為矩形，準(zhǔn)線性晶粒間界線從其一邊延伸到其對(duì)邊。
本發(fā)明的特征在于硅板具有準(zhǔn)線性晶粒間界線。通過(guò)本發(fā)明的硅板生產(chǎn)方法可以控制準(zhǔn)線性晶粒間界線。換句話說(shuō)，本發(fā)明的準(zhǔn)線性晶粒間界線不是自然形成的，而是有意形成的。因此，存在于本發(fā)明的準(zhǔn)線性晶粒間界線周圍的晶粒是狹窄的或伸長(zhǎng)的晶粒的情形少。
通常，擴(kuò)大晶粒以改善太陽(yáng)能電池的性能。這減少了存在于晶片表面上的晶粒間界的數(shù)目。然而，由于本發(fā)明的準(zhǔn)線性晶粒間界線與大量晶粒相鄰，故大量晶粒存在于其鄰近?，F(xiàn)在給出對(duì)本發(fā)明的具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板的特征和當(dāng)這種硅板用于太陽(yáng)能電池時(shí)的益處的說(shuō)明。
如圖4所示，通常使用的常規(guī)多晶太陽(yáng)能電池具有p型多晶襯底61。在襯底的一個(gè)側(cè)面上形成n層62、防反射膜63、作為通過(guò)銀膏形成的光接受面電極的主電極的基桿(bas-bar)電極64，和作為光接受面電極的副電極的指狀電極65。在p型多晶襯底61的另一側(cè)面上形成p+層66和由鋁膏形成的背面電極67。在太陽(yáng)能電池的光入射側(cè)形成的防反射膜63用于抑制太陽(yáng)光線的反射以改善太陽(yáng)能電池的性能。作為防反射膜，可使用SiNx膜(氮化硅膜)、TiO2膜(二氧化鈦膜)、SiO2膜(二氧化硅膜)、MgF2膜(氟化鎂膜)以及由其形成的多層膜。特別是，當(dāng)使用多晶襯底時(shí)適合使用SiNx膜。為形成SiNx膜，將SiH4(硅烷)和NH3(氨)和/或N2(氮?dú)?引入室中，在射頻等離子體中沉積膜。當(dāng)SiH4或者NH3分解時(shí)產(chǎn)生氫游離基，其能起到使晶粒間界、缺陷等鈍化的作用。換句話說(shuō)，鈍化與防反射膜的形成一起進(jìn)行，以改善太陽(yáng)能電池的性能。
與鑄造襯底中的無(wú)規(guī)則晶粒間界線相比，本發(fā)明這些準(zhǔn)線性晶粒間界線的存在有利于晶粒間界的鈍化。在使用等離子體CVD裝置形成防反射膜期間，將樣品與電極平行設(shè)置，在陰極和陽(yáng)極之間施加高頻電壓，陰極具有氣體可通過(guò)的孔。通過(guò)孔的氣體被等離子體分解成為自由基。也就是說(shuō)，通過(guò)僅在與準(zhǔn)線性晶粒間界線對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置氣體通過(guò)孔，使得可以鈍化晶粒間界和缺陷，而無(wú)需特別復(fù)雜的裝置，并且可獲得具有優(yōu)良太陽(yáng)能電池性能的太陽(yáng)能電池。
此外，因?yàn)槠焚|(zhì)比晶粒內(nèi)差的晶粒間界線為線性排列，因此也可以對(duì)將導(dǎo)致太陽(yáng)能電池性能低下的部分進(jìn)行選擇性鈍化。與具有彎曲晶粒間界線的部分相比，在具有這種晶粒間界線的部分中，可以相對(duì)容易地引入氫。因此，提供準(zhǔn)線性晶粒間界線不僅在形成防反射膜期間引入氫自由基時(shí)非常有效，而且在電池工藝中進(jìn)行氫處理時(shí)也非常有效。在電池工藝中的氫處理可包括使用含3％氫氣的氮?dú)獾臒崽幚?，和在等離子體中進(jìn)行的氫處理。然而只要?dú)錃饣驓渥杂苫苎販?zhǔn)線性晶粒間界線被引入，氫處理的方法并不是嚴(yán)格限定的。
本發(fā)明的多晶硅板中的準(zhǔn)線性晶粒間界線比其它的晶粒間界線能更快地被腐蝕。通常知道晶粒間界比晶粒內(nèi)部腐蝕更快，不同晶粒間界線的腐蝕速度也是不同的。本發(fā)明的準(zhǔn)線性晶粒間界線的腐蝕速度快，因?yàn)閵A住準(zhǔn)線性晶粒間界線的晶粒之間的關(guān)聯(lián)性少。
本發(fā)明的準(zhǔn)線性晶粒間界線是有意形成的，這意味著也可控制晶粒間界線的位置。因?yàn)轭A(yù)先已知將在所得硅板的何處形成晶粒間界線，因此在太陽(yáng)能電池工藝中可容易地恢復(fù)電池性能。此外，因?yàn)楣璋宓纳L(zhǎng)速度比鑄造襯底的生長(zhǎng)速度充分地快，所以有可能顯著地減少太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)成本。這主要是因?yàn)椴槐厍衅?，從而?jié)約切片所需的成本和時(shí)間并且排除了切片損失。
多晶硅板的特征在于，在橫切其表面的晶粒間界線中，準(zhǔn)線性晶粒間界線由晶粒形成，其中至少90％的晶粒是隨機(jī)排列的。更具體地說(shuō)，夾住本發(fā)明的準(zhǔn)線性晶粒間界線的晶粒之間幾乎沒(méi)有關(guān)聯(lián)性。
這意味著本發(fā)明的準(zhǔn)線性晶粒間界線不包括由雙晶夾住的晶粒間界線，經(jīng)常的情況是在鑄造襯底中存在的晶粒間的準(zhǔn)線性晶粒間界在雙晶間形成。這種晶粒間界與本發(fā)明的準(zhǔn)線性晶粒間界線在特征上是不同的。在本發(fā)明中，控制的不是晶粒而是晶粒間界線。優(yōu)選被控的晶粒間界線是因?yàn)槠淠苋缟纤鲇脷溥M(jìn)行選擇性鈍化。
優(yōu)選地，在橫切多晶硅板表面的晶粒間界線中，至少兩條準(zhǔn)線性晶粒間界線彼此近似于平行地形成，這有利于形成太陽(yáng)能電池。如圖4所示，太陽(yáng)能電池的光接受面電極的多個(gè)指狀電極65彼此平行形成。太陽(yáng)能電池通常由基桿電極64(主柵)和指狀電極65(副柵)形成，其中指狀電極65是平行形成的。這是用于改善太陽(yáng)能電池性能所必須的技術(shù)，因?yàn)樗芙档吞?yáng)能電池的串聯(lián)電阻。本發(fā)明的準(zhǔn)線性晶粒間界線的平行形成使得可以有利地使指狀電極沿著準(zhǔn)線性晶粒間界線排列。
在本發(fā)明中，晶粒間界線的間距，即構(gòu)成晶粒間界線的一個(gè)晶粒的長(zhǎng)度優(yōu)選為至少0.05mm和不長(zhǎng)于10mm，更優(yōu)選至少0.1mm和不長(zhǎng)于5mm，進(jìn)一步更優(yōu)選至少0.5mm和不長(zhǎng)于3mm。
如果晶粒間界線的間距小于0.05mm，晶粒尺寸本身變小，這是不優(yōu)選的。另一方面，如果間距超過(guò)10mm，雖然晶粒尺寸變大，但很難得到廉價(jià)的太陽(yáng)能電池。更具體地說(shuō)，當(dāng)晶粒間界線的間距增加時(shí)，盡管晶粒尺寸傾向于增加，但得到的硅板的表面粗糙度也會(huì)增加。這使得在電極形成期間難以實(shí)施低成本的印刷方法，從而難以得到廉價(jià)的太陽(yáng)能電池。
市售的太陽(yáng)能電池的指狀電極是以約2-3mm的間距形成的。因此優(yōu)選設(shè)計(jì)具有該相應(yīng)間距的晶粒間界線。為提供具有良好太陽(yáng)能電池性能的太陽(yáng)能電池，可使用不小于10mm的間距。然而在這種情況下，硅板的生長(zhǎng)需要長(zhǎng)時(shí)間。此外，不能容易地使用印刷方法，因此進(jìn)行蒸鍍以形成電極，使生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的電池工藝(步驟)變復(fù)雜。
多晶硅板的特征在于，在橫切硅板表面的晶粒間界線中，至少兩條準(zhǔn)線性晶粒間界線彼此交叉。此外，至少兩條準(zhǔn)線性晶粒間界線彼此交叉，且在交叉點(diǎn)形成的銳角至少為30°和不大于90°。
在本發(fā)明中，準(zhǔn)線性晶粒間界線彼此交叉。至少應(yīng)有兩條準(zhǔn)線性晶粒間界線形成的銳角優(yōu)選不小于30°和不大于90°。
晶粒間界線以90°的角度彼此交叉是指它們?nèi)鐖D3所示排列。近似直線310-315近似平行地排列。與這些直線交叉的是近似直線320-323，其也是近似于平行地排列。例如，近似直線310和320彼此以約90°交叉。同樣地，近似直線310-315各自與各近似直線320-323以約90°交叉。
為了生產(chǎn)太陽(yáng)能電池，尤其優(yōu)選晶粒間界線彼此以90°交叉，因?yàn)樾纬墒惺厶?yáng)能電池的光接受面電極的主柵和副柵彼此以90°交叉。使本發(fā)明的硅板具有適于改善太陽(yáng)能電池性能的結(jié)構(gòu)。
更優(yōu)選兩條準(zhǔn)線性晶粒間界線彼此以不小于30°的銳角交叉。通過(guò)設(shè)定角度為不小于30°和不大于90°，使生產(chǎn)硅板時(shí)的工藝窗口(process window)加寬。進(jìn)一步，以這種方式控制角度對(duì)形成太陽(yáng)能電池具有有利的作用。
通過(guò)在本發(fā)明的硅板上形成電極得到太陽(yáng)能電池。當(dāng)本發(fā)明的硅板用于光學(xué)裝置例如太陽(yáng)能電池時(shí)，電極是必須的。在形成太陽(yáng)能電池時(shí)，形成低電阻電極以改善太陽(yáng)能電池的性能。太陽(yáng)能電池通常位于戶外，因此電極也需要一定的強(qiáng)度。因此，優(yōu)選使用Ag作為主成分和對(duì)其進(jìn)行焊料涂布而形成光接受面電極，和使用廉價(jià)的鋁作為主成分形成背面電極。制造光接受面電極使其盡可能地窄以增加入射光量，和制造背面電極使其盡可能地寬以增加p+層的作用。
本發(fā)明提供一種太陽(yáng)能電池，其特征在于使用硅板作為太陽(yáng)能電池的襯底。在本發(fā)明中，得到的硅板用作太陽(yáng)能電池的襯底。也就是說(shuō)，本發(fā)明的硅板可適當(dāng)?shù)赜糜诒∧な教?yáng)能電池的襯底，薄膜式太陽(yáng)能電池使用等離子體CVD等生產(chǎn)。通常，玻璃襯底、石英襯底、金屬襯底或硅片用于薄膜式太陽(yáng)能電池的襯底。然而這些襯底通常耐熱性差和價(jià)格昂貴。相比之下，本發(fā)明的硅板是廉價(jià)的并具有優(yōu)異的耐熱性，因此其可用于薄膜式太陽(yáng)能電池的襯底而沒(méi)有任何問(wèn)題。為了生產(chǎn)太陽(yáng)能電池，通常使用高純度的硅原料，或IC等使用的半導(dǎo)體用CZ或FZ結(jié)晶的不需要部分，即，硅錠的頂部或底部。然而對(duì)于薄膜式太陽(yáng)能電池的襯底而言不必需特別高純度的硅。也就是說(shuō)，即使使用低純度硅形成的硅板也可用于薄膜式太陽(yáng)能電池的襯底。這就意味著能用比較廉價(jià)的原料生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的襯底。
現(xiàn)在描述使用本發(fā)明的具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池。如圖5所示，采用本發(fā)明的具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板的太陽(yáng)能電池具有背面電極72、n層73、i層74、p層75和防反射膜76，這些是在硅板71的表面上順次形成的。為了利用背面電極的背面反射，優(yōu)選使用具有高反射系數(shù)的材料如Ag或Al作為背面電極72。n層73、i層74和p層75構(gòu)成pin結(jié)構(gòu)，其同時(shí)用作能量產(chǎn)生層。p、i和n的順序不是嚴(yán)格限定的。此外，這些薄膜可由非晶膜、微晶膜或與非晶成分混合的微晶膜形成。對(duì)于防反射膜76而言，最好使用導(dǎo)電膜，但不受其限制。同樣地，襯底由廉價(jià)的原料通過(guò)廉價(jià)的加工形成，從而，能提供價(jià)格比較廉價(jià)的薄膜式太陽(yáng)能電池。
本發(fā)明的硅板71具有線性形成的晶粒間界線，其可被選擇性地腐蝕而形成凹陷。這樣的有規(guī)則排列的凹陷，在由等離子體CVD形成薄膜式太陽(yáng)能電池時(shí)，充當(dāng)薄膜層生長(zhǎng)的起點(diǎn)。因此可以說(shuō)硅板具有的結(jié)構(gòu)非常適合用作薄膜式太陽(yáng)能電池的襯底。
本發(fā)明提供一種硅板的生產(chǎn)方法，其特征在于硅板通過(guò)將熔融硅在溫度低于硅熔融溫度的襯底上固化而形成。本發(fā)明的硅板能以以下方式生產(chǎn)。
本發(fā)明的硅板能通過(guò)硅從硅熔融物直接生長(zhǎng)而形成。也就是說(shuō)，本發(fā)明硅板的生產(chǎn)方法的特征在于熔融硅在溫度低于硅熔融溫度的襯底上固化而得到硅板。根據(jù)本發(fā)明的生產(chǎn)方法，不需要切片步驟，也沒(méi)有切片損失。因此，有可能生產(chǎn)廉價(jià)的硅板。
現(xiàn)在說(shuō)明生產(chǎn)硅板用裝置的構(gòu)造，但不受其限制。如圖6所示，用于生產(chǎn)本發(fā)明硅板的裝置包括坩堝83，其通過(guò)隔熱材料87和坩堝平臺(tái)86設(shè)置在坩堝升降軸88上。加熱器85位于坩堝83和坩堝平臺(tái)86的周圍，以維持坩堝83內(nèi)的硅熔融物84處于不低于熔點(diǎn)的溫度。在這個(gè)裝置中，襯底81進(jìn)入、浸入硅熔融物84中并從硅熔融物84中取出，形成硅板82。在圖6中，沒(méi)有示出移動(dòng)襯底81的手段、升降坩堝平臺(tái)86的手段、控制加熱器的手段、另外引入硅的手段、可被抽真空的室及所述裝置的其它外部設(shè)備。然而需要襯底81～坩堝升降軸88全部置于密封良好的室內(nèi)以利于抽真空后氣體與例如惰性氣體交換。雖然可以使用氬、氦等作為惰性氣體，但考慮成本優(yōu)選使用氬氣。建立循環(huán)體系能進(jìn)一步降低成本。當(dāng)使用包含氧成分的氣體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生二氧化硅并沉積在襯底表面上和室壁上。因此，有必要盡可能地除去氧成分。此外，在氣體循環(huán)體系中，優(yōu)選使用過(guò)濾器等除去二氧化硅粒子。
如圖6所示，在不高于硅熔融物溫度的溫度下，從圖左側(cè)移動(dòng)襯底81，使其進(jìn)入和浸入坩堝83內(nèi)的硅熔融物84中。此時(shí)用加熱器85使硅熔融物保持在不低于熔點(diǎn)的溫度。為獲得穩(wěn)定的硅板，有必要設(shè)計(jì)一種裝置，其構(gòu)造能嚴(yán)格控制熔融物的溫度、室內(nèi)氣氛的溫度和襯底81的溫度。使用這樣的裝置，有可能獲得具有更好重現(xiàn)性的硅板。為使硅板生長(zhǎng)，需要嚴(yán)格控制襯底的溫度。為此，優(yōu)選襯底具有可容易控制其溫度的結(jié)構(gòu)。
雖然襯底的材料沒(méi)有特別限制，但優(yōu)選具有優(yōu)異的熱傳導(dǎo)率和耐熱性的材料，更優(yōu)選經(jīng)過(guò)高純度加工的石墨?？墒褂美绺呒兌仁?、金剛砂、石英、氮化硼、氧化鋁、氧化鋯、氮化鋁和金屬，其中可根據(jù)目的選擇最優(yōu)材料。優(yōu)選高純度石墨，因?yàn)樗鄬?duì)廉價(jià)和加工性能優(yōu)異。襯底的材料可考慮不同的性能如工業(yè)廉價(jià)和得到的作為襯底的硅板的品質(zhì)進(jìn)行適當(dāng)選擇，也可適當(dāng)選擇襯底與熔融材料的組合。當(dāng)金屬用作襯底時(shí)，其在連續(xù)冷卻時(shí)只要在不高于金屬熔點(diǎn)的溫度下使用和不影響所得板的性能，則其不具有其它問(wèn)題。此外，襯底的表面可涂有熱解碳、金剛砂、氮化硼或類金剛石碳。
使用銅襯底有助于控制溫度，是有利的。大致上有兩種方法用于冷卻襯底，直接冷卻方法和間接冷卻方法。直接冷卻方法中，氣體直接吹到襯底上以使其冷卻。間接冷卻方法中，用氣體或液體間接冷卻襯底。雖然冷卻氣體沒(méi)有特定限制，但優(yōu)選使用氮?dú)?、氬氣、氦氣或任何其它的惰性氣體以用于達(dá)到阻止硅板氧化的目的。尤其是，雖然從成本考慮更優(yōu)選使用氮?dú)?，但是從冷卻能力考慮，優(yōu)選氦氣或氦氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w。冷卻氣體可使用熱交換器等循環(huán)使用，以進(jìn)一步降低成本。從而有可能提供廉價(jià)的硅板。
優(yōu)選地，進(jìn)一步提供具有加熱機(jī)構(gòu)的襯底。也就是說(shuō)，優(yōu)選不僅提供冷卻機(jī)構(gòu)而且提供加熱機(jī)構(gòu)以控制襯底的溫度。當(dāng)襯底進(jìn)入硅熔融物中時(shí)，硅板在襯底表面上生長(zhǎng)，然后，襯底從熔融物中取出。襯底接受硅熔融物的熱量，使襯底的溫度傾向于增加。當(dāng)襯底要再一次在相同溫度下浸入硅熔融物時(shí)，需要如上所述的冷卻機(jī)構(gòu)降低襯底的溫度。無(wú)論使用直接冷卻或間接冷卻，很難隨時(shí)控制冷卻速率或襯底的溫度，因此需要加熱機(jī)構(gòu)。更具體地說(shuō)，襯底一旦從熔融物中取出用冷卻機(jī)構(gòu)冷卻時(shí)，就用加熱機(jī)構(gòu)控制襯底溫度直到它下次浸入硅熔融物。加熱機(jī)構(gòu)可以是高頻感應(yīng)加熱型或電阻加熱型，只要其不影響用于維持硅處于熔融態(tài)的加熱器即可。這樣，通過(guò)冷卻機(jī)構(gòu)和加熱機(jī)構(gòu)的組合，有可能顯著增加硅板的穩(wěn)定性。熔融物的溫度優(yōu)選不低于熔點(diǎn)?？墒褂脽犭娕蓟蜉椛錅囟扔?jì)進(jìn)行控制。當(dāng)熔融物的溫度被設(shè)定接近熔點(diǎn)時(shí)，當(dāng)襯底接觸到熔融物時(shí)，熔融硅的表面可能固化。為了嚴(yán)格控制熔融物的溫度，最好把熱電偶浸入熔融物內(nèi)，但是這樣并不可取，因?yàn)榭赡苡须s質(zhì)從熱電偶的保險(xiǎn)管等混入熔融物中。因此優(yōu)選例如通過(guò)把熱電偶插入坩堝中間接地控制溫度。
裝有硅熔融物84的坩堝83置于隔熱材料87上，以保持硅熔融物在恒溫和使從坩堝底部的熱量提取最少。坩堝平臺(tái)86位于隔熱材料87上。坩堝平臺(tái)86與具有升降機(jī)構(gòu)的升降軸88連接，因?yàn)閮?yōu)選襯底81以不變的相同深度浸入硅熔融物84中以使硅板在其上生長(zhǎng)。雖然沒(méi)有特別限定保持硅熔融物的液面的方法，即，添加硅以補(bǔ)償形成硅板所消耗的硅的方法，但可使多晶硅(塊)熔融并引入，可順序地添加硅熔融物，或可連續(xù)地引入硅粉。無(wú)論如何，優(yōu)選在盡可能保持熔融物的表面水平的同時(shí)添加硅，如果熔融物的表面被干擾或攪動(dòng)，則當(dāng)時(shí)發(fā)生的波形會(huì)在獲得的朝向熔融物的硅板表面上反映出來(lái)，從而損害所得硅板的均勻性。
現(xiàn)在描述采用圖6所示的硅板生產(chǎn)裝置來(lái)生產(chǎn)本發(fā)明的具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板的方法。
首先，由高純度石墨制成的坩堝83裝滿高純度硅塊(純度99.9999％)，其含有一定濃度的硼以調(diào)整所得硅板的電阻率為2Ω·cm。坩堝被置于圖6所示的裝置中。然后，將室抽真空，室內(nèi)部的壓力減到規(guī)定壓力。其后，向室中引入氬氣，從室的上部以10L/min恒速連續(xù)地流入氬氣，同時(shí)保持壓力為800hPa，以獲得清潔的硅熔融物表面。
然后，設(shè)定硅熔融用加熱器85在1500℃，坩堝83內(nèi)的硅塊完全熔融。當(dāng)硅原料熔融時(shí)，液體硅的水平降低。因此，另外引入硅粉以保持硅熔融物84的液面距坩堝83的上表面的深度不大于1cm。熔融硅用加熱器的溫度不是一次性升到1500℃，而是以10-50℃/min的速率增加到約1300℃，然后升到規(guī)定的溫度。如果溫度升高迅速，在例如坩堝拐角處會(huì)產(chǎn)生局部熱應(yīng)力，從而使坩堝破裂。
其后，硅熔融物的溫度設(shè)定為1410℃并保持30分鐘，以穩(wěn)定熔融物的溫度。然后使用坩堝升降軸88移動(dòng)坩堝83到規(guī)定位置。優(yōu)選此時(shí)硅熔融物的溫度不低于1400℃和不高于1500℃。硅的熔點(diǎn)為約1410℃，如果設(shè)定硅熔融物的溫度低于1400℃，則液體硅的表面會(huì)從坩堝壁側(cè)逐漸固化。如果設(shè)定高于1500℃，硅板的生長(zhǎng)速率會(huì)很慢，導(dǎo)致生產(chǎn)率差。
為了硅板的生長(zhǎng)，圖8-11所示的襯底在圖6中從左側(cè)向右側(cè)移動(dòng)，期間具有突起和凹陷的襯底的表面，即，圖8-11中所示的上表面(襯底的不規(guī)則表面)與硅熔融物接觸。硅板在與硅熔融物接觸的不規(guī)則表面上形成。此時(shí)能有效地得到具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板，因?yàn)橥黄鹗蔷€性排列的。尤其是，優(yōu)選此時(shí)進(jìn)入硅熔融物的襯底表面的溫度不低于30℃和不高于1100℃。如果襯底的溫度低于30℃，很難進(jìn)行穩(wěn)定控制，也就是說(shuō)，在室中，在襯底浸入硅熔融物之前其接受來(lái)自硅熔融物的輻射熱，因此很難在300℃保持恒定，導(dǎo)致得到的硅板品質(zhì)發(fā)生波動(dòng)。如果襯底的溫度高于1100℃，硅板的生長(zhǎng)速率很慢，導(dǎo)致生產(chǎn)率差，這是不優(yōu)選的。
為調(diào)整襯底的溫度，優(yōu)選同時(shí)提供冷卻機(jī)構(gòu)和加熱機(jī)構(gòu)。這些機(jī)構(gòu)的提供不僅改善生產(chǎn)率而且改善產(chǎn)品收率并穩(wěn)定它們的品質(zhì)。
使用如圖6所示的生產(chǎn)裝置通過(guò)上述生產(chǎn)方法得到的硅板具有準(zhǔn)線性晶粒間界線。
對(duì)于具有圖6所示構(gòu)造的生產(chǎn)裝置而言，具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板是在相對(duì)于襯底突起的下側(cè)獲得的。然而，本發(fā)明不受其限制。
現(xiàn)在結(jié)合圖7所示的另一個(gè)生產(chǎn)硅板的裝置描述在相對(duì)于襯底突起的上側(cè)獲得具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板的情況。在這個(gè)裝置中，底部具有開(kāi)口95的坩堝93位于襯底91上，當(dāng)具有開(kāi)口的坩堝93在襯底91上移動(dòng)時(shí)，硅熔融物94從開(kāi)口95連續(xù)地供應(yīng)到襯底91上，從而生產(chǎn)硅板92。圖7中沒(méi)有示出用于移動(dòng)具有開(kāi)口的坩堝93的手段。結(jié)晶在襯底91上生長(zhǎng)形成硅板。此時(shí)如果襯底91在硅板生長(zhǎng)的面上具有如圖8-11所示的不規(guī)則表面，則可得到具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板。
使用這個(gè)裝置，必須在另一個(gè)坩堝(未示出)中加熱和熔融硅原料并把硅熔融物引入具有開(kāi)口的坩堝93中。在引入硅熔融物的同時(shí)迅速地以圖中箭頭所示方向移動(dòng)具有開(kāi)口的坩堝93時(shí)，能以好的重現(xiàn)性得到具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板92。
在這個(gè)生產(chǎn)裝置中，襯底的溫度控制比在圖6所示的生產(chǎn)裝置容易。如上所述，在圖6的生產(chǎn)裝置中，由于硅熔融物輻射熱的巨大作用而難于進(jìn)行溫度控制。比較起來(lái)，在本裝置中，僅通過(guò)冷卻襯底91以控制其在需要的溫度。然而，因?yàn)橐r底91在引入硅熔融物的同時(shí)需要移動(dòng)，因此其成為生產(chǎn)率差的分批型生產(chǎn)裝置。
為控制所得的具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板的厚度，可控制坩堝的移動(dòng)速度、襯底的溫度、待引入的硅熔融物的溫度和坩堝開(kāi)口的間隙。雖然說(shuō)明了可移動(dòng)本裝置中具有開(kāi)口的坩堝93，也可改為移動(dòng)襯底91。
使用以上述的生產(chǎn)裝置，能容易地生產(chǎn)本發(fā)明的具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板。
生產(chǎn)本發(fā)明硅板的方法的特征在于襯底在其與熔融態(tài)的硅接觸的表面上至少具有突起，并且突起是線性排列的。
如上所述，能通過(guò)從硅熔融物直接生長(zhǎng)硅來(lái)生產(chǎn)本發(fā)明的硅板。優(yōu)選熔融硅在溫度不高于硅熔融溫度的襯底上固化，以及襯底表面具有線性排列的突起的不規(guī)則結(jié)構(gòu)。優(yōu)選突起和凹陷之間的梯級(jí)(或稱為高度差)不小于0.05mm。襯底表面的不規(guī)則結(jié)構(gòu)如圖8和9所示。即在襯底表面上有意提供不規(guī)則結(jié)構(gòu)。具有不規(guī)則結(jié)構(gòu)的表面與硅熔融物接觸。在圖6或7所示生產(chǎn)方法中使用具有這樣結(jié)構(gòu)的襯底有利于控制晶粒間界線。在圖8中提供點(diǎn)狀突起，在圖9狀提供線形突起，但是不規(guī)則結(jié)構(gòu)不受其限制。點(diǎn)狀突起或線形突起是指襯底表面上的突起，其通過(guò)在襯底平面上形成溝槽而可容易地獲得。突起的尖端可具有一定的彎度。尤其是例如當(dāng)使用廉價(jià)的石墨時(shí)，很難產(chǎn)生突起的陡峭尖端，因?yàn)槭尚腕w本身是石墨粉的集合體。
現(xiàn)在參考圖8和9說(shuō)明襯底的結(jié)構(gòu)特征。圖8所示襯底為具有點(diǎn)狀突起102的表面不規(guī)則的襯底101。圖9所示襯底為具有線形突起112的表面不規(guī)則的襯底111。提供點(diǎn)狀突起102或線形突起102，使得到的具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板容易與襯底分離，因?yàn)橛锌赡芟拗坪涂刂平Y(jié)晶生長(zhǎng)的起點(diǎn)(或稱為晶核的起點(diǎn))。此外，因?yàn)樘峁┝它c(diǎn)狀突起或線形突起，所以突起首先接觸熔融物，使得易于在突起附近發(fā)生成核作用，也促進(jìn)結(jié)晶生長(zhǎng)。同樣地，襯底表面上提供的突起能改善襯底和所得硅板之間的可分離性，以及也促進(jìn)了控制所得硅板的均勻性和周期性。
雖然圖8和9所示襯底表面上的每個(gè)凹陷具有V形的橫截面，但其也可是U型的或梯形橫截面。雖然溝槽的深度在整個(gè)襯底上相同，但不受其限制。此外，雖然圖中所示突起尖端的角度相同，但不受其限制。然而，優(yōu)選突起尖端的角度不小于30°，如果角度小于30°，雖然容易發(fā)生成核作用，但結(jié)晶生長(zhǎng)速率緩慢，導(dǎo)致生產(chǎn)率的降低。溝槽的深度可特別地根據(jù)襯底所用材料而適當(dāng)?shù)馗淖儭Ｈ欢?，如果深度不大?.05mm，襯底和所得硅板之間的粘合力會(huì)很強(qiáng)，使硅板從襯底上的分離困難，或不能期望得到均勻的生長(zhǎng)。如隨后所述的，準(zhǔn)線性晶粒間界線是對(duì)應(yīng)于襯底不規(guī)則結(jié)構(gòu)的凹陷位置形成的，因?yàn)榻Y(jié)晶從襯底表面上的突起開(kāi)始生長(zhǎng)，并最終在與凹陷對(duì)應(yīng)的部分結(jié)合，在那里形成準(zhǔn)線性晶粒間界線。
此外，為形成具有準(zhǔn)線性晶粒線的硅板，可使用圖10所示的不規(guī)則表面襯底121，其同時(shí)具有線形突起122和平面突起123。此處平面突起123是指存在于襯底表面上的平面。即使使用具有平面部分的這種襯底也可獲得本發(fā)明的準(zhǔn)線性晶粒間界線。也就是說(shuō)，用于形成準(zhǔn)線性晶粒間界線的所要求的是在待生長(zhǎng)硅板的襯底表面上形成突起。在襯底表面上的硅板的生長(zhǎng)以如下方式進(jìn)行。
在與熔融物接觸的襯底表面上設(shè)置突起。因此，成核作用主要在與熔融物最先接觸的突起附近發(fā)生。然后結(jié)晶從產(chǎn)生的每個(gè)晶核開(kāi)始生長(zhǎng)，因?yàn)橐r底被控制在不超過(guò)硅熔點(diǎn)的溫度。當(dāng)結(jié)晶生長(zhǎng)進(jìn)行時(shí)，從相鄰的突起生長(zhǎng)的結(jié)晶彼此結(jié)合，從而形成具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板。圖11所示襯底131在其上面只有突起132，凹陷具有平坦結(jié)構(gòu)。換句話說(shuō)，提供突起132能控制準(zhǔn)線性晶粒間界線。
本發(fā)明提供的硅板的特征在于準(zhǔn)線性晶粒間界線位于不規(guī)則表面襯底的凹陷上。也就是說(shuō)，因?yàn)楣鑿耐黄鸶浇_(kāi)始生長(zhǎng)，所以硅結(jié)晶在與凹陷對(duì)應(yīng)的部分結(jié)合。與襯底凹陷對(duì)應(yīng)的部分代表本發(fā)明的準(zhǔn)線性晶粒間界線存在的位置。從突起附近的生長(zhǎng)幾乎同時(shí)進(jìn)行，因此準(zhǔn)線性晶粒間界線在與襯底的凹陷對(duì)應(yīng)的部分形成。這樣，準(zhǔn)線性晶粒間界線是預(yù)先控制的，并形成有利于用作太陽(yáng)能電池的硅板形狀。
圖14所示襯底在形成準(zhǔn)線性晶粒間界線上能表現(xiàn)類似的作用。襯底181在其上表面形成V形的溝槽。襯底上表面與各溝槽的邊緣充當(dāng)襯底的突起。也就是說(shuō)，當(dāng)具有這個(gè)形狀的襯底浸入硅熔融物中時(shí)，在襯底平坦表面部分隨機(jī)產(chǎn)生大量晶核。相比之下，在襯底的邊緣部分是線性地產(chǎn)生的晶核，因此得到的硅板具有準(zhǔn)線性晶粒間界線。
本發(fā)明的硅板的特征在于在硅板表面100mm2的范圍中形成不超過(guò)50條準(zhǔn)線性晶粒間界線，如果形成超過(guò)50條的這種準(zhǔn)線性晶粒間界線，存在于表面上的晶粒尺寸太小，難以改善太陽(yáng)能電池性能。更優(yōu)選在此范圍形成不超過(guò)20條這種準(zhǔn)線性晶粒間界線。
本發(fā)明的硅板的特征在于，硅板表面上由準(zhǔn)線性晶粒間界線圍繞的面積不小于0.25mm2。為此，需要準(zhǔn)線性晶粒間界線彼此交叉，如圖3所示，并且每個(gè)區(qū)域由準(zhǔn)線性晶粒間界線限定。雖然圖3表示的是正方形格子，但其也可是三角形或六邊形。由準(zhǔn)線性晶粒間界線圍繞的面積優(yōu)選不小于0.25mm2。如果面積減小，晶粒尺寸變小，難以改善太陽(yáng)能電池性能。優(yōu)選面積不小于1mm2。
具體實(shí)施例方式
在以下實(shí)施例中，更具體地說(shuō)明了硅板的生產(chǎn)方法，但是本發(fā)明范圍不受其限制。實(shí)施例例示硅板的形成、檢驗(yàn)所得硅板中的準(zhǔn)線性晶粒間界線和使用所得硅板生產(chǎn)太陽(yáng)能電池。
實(shí)施例1-3通過(guò)調(diào)整硼濃度使得制得的硅板的電阻率為2Ω·cm而制備了硅原料。由高純度石墨制成的坩堝裝滿硅原料，并置于圖6所示裝置中。其次，將室抽真空，降低壓力到不大于10Pa。然后向室中引入氬氣。氬氣從室的上部以10L/min恒速流入，同時(shí)保持壓力在800hPa。
設(shè)定熔融硅用加熱器在1500℃以使硅完全熔融。當(dāng)硅原料熔融時(shí)，液面降低。因此，引入另外的硅原料以保持液面在規(guī)定水平。然后，設(shè)定硅熔融物的溫度為1410℃并保持30分鐘以穩(wěn)定熔融物的溫度。
然后，將采用冷卻和加熱機(jī)構(gòu)控制溫度的襯底浸入硅熔融物中。此時(shí)實(shí)施例1、2和3的襯底分別控制為300℃、600℃和900℃。
此時(shí)使用的襯底是如圖8所示的襯底101，其表面為具有點(diǎn)狀突起102的不規(guī)則表面，點(diǎn)狀突起間距為0.5mm，溝槽深度為0.25mm，襯底尺寸為60mm×60mm。
然后，逐漸地升起坩堝，當(dāng)其達(dá)到能確保襯底的不規(guī)則表面完全浸入的位置時(shí)，將襯底浸入硅熔融物中。襯底以200cm/min的速度移動(dòng)。此時(shí)得到的硅板可容易地與襯底分離并且尺寸為60mm×60mm。得到的硅板用光學(xué)顯微鏡分析，證實(shí)其具有彼此交叉的準(zhǔn)線性晶粒間界線，其在與襯底的凹陷對(duì)應(yīng)而形成。
圖13所示為取自襯底溫度為300℃(實(shí)施例1)時(shí)生產(chǎn)的硅板表面的光學(xué)顯微鏡照片的準(zhǔn)線性晶粒間界線。從照片可以看見(jiàn)垂直方向有六條準(zhǔn)線性晶粒間界線151，在水平方向有四條這種準(zhǔn)線性晶粒間界線。
制備一百個(gè)這種具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板，并由它們的重量計(jì)算厚度。
然后，使用所得硅板生產(chǎn)太陽(yáng)能電池。所得硅板用硝酸和氫氟酸的混合溶液進(jìn)行腐蝕，然后凈化。然后用氫氧化鈉進(jìn)行堿蝕。在p型襯底上通過(guò)POCl3擴(kuò)散形成n層。通過(guò)氫氟酸除去硅板表面上形成的PSG膜，并通過(guò)等離子體CVD在n層上形成氮化硅膜，n層也就是太陽(yáng)能電池的光接受面。此時(shí)進(jìn)行等離子體CVD使電極與準(zhǔn)線性晶粒間界線成直線。更具體地說(shuō)，以0.5mm間距提供噴氣嘴。然后使用硝酸和氫氟酸的混合溶液將待成為太陽(yáng)能電池背面的一側(cè)上形成的n層腐蝕掉以暴露p襯底，同時(shí)在其上形成背面電極和p+層。然后，通過(guò)絲網(wǎng)印刷在光接受面上形成電極。然后，進(jìn)行焊料涂布完成太陽(yáng)能電池。
在照射條件為AM1.5和100mW/cm2下測(cè)量得到的太陽(yáng)能電池的電池性能。根據(jù)“measuring method of output power or crystalline solarcells，JIS C8913(1998)”評(píng)價(jià)電池性能。得到的結(jié)果如表1所示。
比較例1-2除使用表面不具有不規(guī)則結(jié)構(gòu)的襯底外，以與實(shí)施例1和2相同方式形成比較例1和2的硅板，得到的結(jié)果如表1所示。
在所得硅板中沒(méi)有看到準(zhǔn)線性晶粒間界線。
表1

實(shí)施例4-9使用硅板生產(chǎn)太陽(yáng)能電池。除襯底表面上不規(guī)則結(jié)構(gòu)中的突起間距設(shè)定為0.1mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、3.0mm和4.0mm，襯底設(shè)定為1000℃和以100cm/min的速度移動(dòng)外，以與實(shí)施例1相同的方式形成硅板。此時(shí)，使用如圖9所示的具有線形突起112的不規(guī)則表面襯底111。使用突起間距為0.1mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、3.0mm和4.0mm的襯底得到的硅板分別對(duì)應(yīng)于實(shí)施例4、5、6、7、8和9。
得到的硅板用光學(xué)顯微鏡分析，證實(shí)其具有與襯底凹陷對(duì)應(yīng)形成的準(zhǔn)線性晶粒間界線。
得到的結(jié)果如表2所示。
表2

實(shí)施例10-13通過(guò)調(diào)整硼濃度使得制得的硅板的電阻率為1Ω·cm而制備了硅原料，硅完全熔融于由高純度碳制成的坩堝中。然后，如圖7所示，底部部分具有開(kāi)口的矩形坩堝93置于具有不規(guī)則表面結(jié)構(gòu)的襯底91上。此時(shí)，作為襯底91，使用如圖14所示的具有線形凹陷的不規(guī)則表面襯底181。線形凹陷的間距為3mm，溝槽的深度分別設(shè)定為0.05mm、0.5mm、1.0mm、和3.0mm，分別對(duì)應(yīng)實(shí)施例10、11、12和13。
具有不規(guī)則表面結(jié)構(gòu)的襯底被控制在900℃。然后，向矩形坩堝中引入熔融硅，同時(shí)以400cm/min的速度移動(dòng)坩堝以形成具有準(zhǔn)線性晶粒間界線的硅板。所得硅板的尺寸為80mm×80mm，與襯底尺寸近似相同。分析得到的硅板，證實(shí)其具有在襯底不規(guī)則表面的凹陷處形成的準(zhǔn)線性晶粒間界線。
制備十個(gè)這樣的硅板，并通過(guò)它們的重量計(jì)算厚度。
然后使用得到的硅板生產(chǎn)太陽(yáng)能電池。得到的硅板用氫氧化鈉進(jìn)行堿蝕，然后，在p型襯底上通過(guò)POCl3擴(kuò)散形成n層。使用氫氟酸除去在板上形成的PSG膜，并在n層上，也就是待成為太陽(yáng)能電池的光接受面上進(jìn)行氫氣退火，然后形成SiO2和TiO2的復(fù)合膜。然后，使用硝酸和氫氟酸的混合溶液將在待成為太陽(yáng)能電池背表面的表面上形成的n層腐蝕掉，以暴露p襯底，同時(shí)在其上形成背面電極和p+層。然后，在光接受面上通過(guò)絲網(wǎng)印刷形成電極，使在硅板的平坦部分形成電極。然后，進(jìn)行浸焊完成太陽(yáng)能電池。在照射條件為AM 1.5和100mW/cm2下分析生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池的電池性能。
基于上述用于結(jié)晶太陽(yáng)能電池的輸出功率的測(cè)量方法(JIS C 8913(1998))測(cè)量電池性能。
得到的結(jié)果如表3所示。
表3

工業(yè)應(yīng)用如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可提供一種多晶硅板，其在許多晶粒間界線中具有至少一條準(zhǔn)線性晶粒間界線。與常規(guī)情況相比，根據(jù)本發(fā)明的硅板的生產(chǎn)方法，晶片的生產(chǎn)成本可顯著降低；并且硅的利用率也可顯著增加。從而有可能提供價(jià)格比較低廉的太陽(yáng)能電池。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)1.一種在其表面具有晶粒間界線的多晶硅板，其中晶粒間界線中的至少一條是準(zhǔn)線性晶粒間界線(1)。
2.權(quán)利要求1的硅板，其中硅板表面的準(zhǔn)線性晶粒間界線(1)位于與具有突起和凹陷的襯底表面上的凹陷對(duì)應(yīng)的位置。
3.權(quán)利要求1的硅板，其中在硅板表面的100mm2范圍內(nèi)具有不超過(guò)50條所述的準(zhǔn)線性晶粒間界線。
4.權(quán)利要求1的硅板，其中由硅板表面的所述準(zhǔn)線性晶粒間界線(1)限定的部分的面積為至少0.25mm2。
5.一種在其表面具有晶粒間界線的多晶硅板，其中晶粒間界線中的至少一條是準(zhǔn)線性晶粒間界線(1)，并且形成所述準(zhǔn)線性晶粒間界線(1)的晶粒的至少90％是隨機(jī)排列的。
6.一種在其表面具有晶粒間界線的多晶硅板，其中晶粒間界線中的至少兩條是彼此近似于于相互平行的準(zhǔn)線性晶粒間界線(1)。
7.權(quán)利要求6的硅板，其中硅板表面的晶粒間界線的間距至少為0.05mm且不大于5mm。
8.一種在其表面具有晶粒間界線的多晶硅板，其中晶粒間界線中的至少兩條是彼此交叉的準(zhǔn)線性晶粒間界線(1)。
9.一種在其表面具有晶粒間界線的多晶硅板，其中晶粒間界線中的至少兩條是彼此交叉的準(zhǔn)線性晶粒間界線(1)，以及在其交叉點(diǎn)的銳角不小于30°且不大于90°。
10.一種太陽(yáng)能電池，其通過(guò)在權(quán)利要求1所述硅板上形成電極而獲得。
11.權(quán)利要求10的太陽(yáng)能電池，其中太陽(yáng)能電池在硅板上形成。
12.一種生產(chǎn)權(quán)利要求1所述硅板的方法，其包括步驟使熔融硅在溫度不高于硅熔融溫度的襯底上固化而形成硅板。
13.權(quán)利要求12的硅板生產(chǎn)方法，其中與熔融硅接觸的襯底至少在其表面上具有突起和凹陷部分，并且突起是線性排列的。
14.(添加)一種多晶硅板，其通過(guò)使熔融硅在溫度不高于硅熔點(diǎn)的襯底上固化而形成，襯底的表面具有突起和凹陷，其中硅板表面的準(zhǔn)線性晶粒間界線(1)位于與襯底表面上的凹陷之一對(duì)應(yīng)的位置。
15.(添加)一種多晶硅板，其通過(guò)使熔融硅在溫度不高于硅熔點(diǎn)的襯底上固化而形成，襯底的表面具有突起和凹陷，其中硅板表面的準(zhǔn)線性晶粒間界線(1)呈格子狀排列。
16.(添加)一種多晶硅板，其通過(guò)使熔融硅在溫度不高于硅熔點(diǎn)的襯底上固化而形成，襯底的表面具有突起和凹陷，其中硅板表面的準(zhǔn)線性晶粒間界線(1)呈格子狀排列，以及格子部分的面積為至少0.25mm2。
17.(添加)一種通過(guò)使用多晶硅板生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池，所述的多晶硅板通過(guò)使熔融硅在溫度不高于硅熔點(diǎn)的襯底上固化而形成，襯底的表面具有突起和凹陷，其中形成格子的各準(zhǔn)線性晶粒間界線(1)在硅板表面內(nèi)從一邊向另一邊延伸。
權(quán)利要求
1.一種在其表面具有晶粒間界線的多晶硅板，其中晶粒間界線中的至少一條是準(zhǔn)線性晶粒間界線(1)。
2.權(quán)利要求1的硅板，其中硅板表面的準(zhǔn)線性晶粒間界線(1)位于與具有突起和凹陷的襯底表面上的凹陷對(duì)應(yīng)的位置。
3.權(quán)利要求1的硅板，其中在硅板表面的100mm2范圍內(nèi)具有不超過(guò)50條所述的準(zhǔn)線性晶粒間界線。
4.權(quán)利要求1的硅板，其中由硅板表面的所述準(zhǔn)線性晶粒間界線(1)限定的部分的面積為至少0.25mm2。
5.一種在其表面具有晶粒間界線的多晶硅板，其中晶粒間界線中的至少一條是準(zhǔn)線性晶粒間界線(1)，并且形成所述準(zhǔn)線性晶粒間界線(1)的晶粒的至少90％是隨機(jī)排列的。
6.一種在其表面具有晶粒間界線的多晶硅板，其中晶粒間界線中的至少兩條是彼此近似于于相互平行的準(zhǔn)線性晶粒間界線(1)。
7.權(quán)利要求6的硅板，其中硅板表面的晶粒間界線的間距至少為0.05mm且不大于5mm。
8.一種在其表面具有晶粒間界線的多晶硅板，其中晶粒間界線中的至少兩條是彼此交叉的準(zhǔn)線性晶粒間界線(1)。
9.一種在其表面具有晶粒間界線的多晶硅板，其中晶粒間界線中的至少兩條是彼此交叉的準(zhǔn)線性晶粒間界線(1)，以及在其交叉點(diǎn)的銳角不小于30°且不大于90°。
10.一種太陽(yáng)能電池，其通過(guò)在權(quán)利要求1所述硅板上形成電極而獲得。
11.權(quán)利要求10的太陽(yáng)能電池，其中太陽(yáng)能電池在硅板上形成。
12.一種生產(chǎn)權(quán)利要求1所述硅板的方法，其包括步驟使熔融硅在溫度不高于硅熔融溫度的襯底上固化而形成硅板。
13.權(quán)利要求12的硅板生產(chǎn)方法，其中與熔融硅接觸的襯底至少在其表面上具有突起和凹陷部分，并且突起是線性排列的。
全文摘要
一種在其表面上具有晶粒間界線的多晶硅板，并且晶粒間界線中的至少一條是準(zhǔn)線性晶粒間界線(1)；所述硅板用于生產(chǎn)太陽(yáng)能電池；使用具有點(diǎn)狀突起或線形突起的不規(guī)則表面的襯底可形成硅板，這使得可控制晶粒間界線。同樣，可提供廉價(jià)的和高質(zhì)量的硅板。此外，通過(guò)使用這種硅板生產(chǎn)太陽(yáng)能電池，也可提供廉價(jià)的和高質(zhì)量的太陽(yáng)能電池。
文檔編號(hào)C01B33/02GK1555341SQ0281793
公開(kāi)日2004年12月15日 申請(qǐng)日期2002年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月18日
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