TWI452182B - 鑄造晶碇之方法 - Google Patents
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Description
本發明係與晶碇(Ingot)鑄造有關，更詳而言之是指一種利用複數個晶種引晶鑄造晶碇之方法。
按，太陽能是最乾淨且取之不盡的能源，為滿足日益增加的太陽能電池使用需求，以及降低太陽能電池的製作成本，目前製作太陽能電池所使用的晶片多是取自於以可大量生產的定向凝固法所製作之晶碇。定向凝固法係將一端面為大面積的單晶晶種(目前常見的尺寸約為156×156 mm2
)置於一坩堝內的底部，再將矽原料置於單晶晶種上。在控制單晶晶種不被完全熔化的前提下，對矽原料加熱，使矽原料熔化。接著再控制冷卻時的溫度梯度，使熔化的矽原料從單晶晶種位置處開始向上凝固結晶，凝固後的矽原料與單晶晶種共同形成晶碇。爾後，復對晶碇切片，即可獲取用於太陽能電池使用的晶片。
上述凝固後的矽原料愈靠近單晶晶種的部分係呈類單晶(mono-like)之結構，離單晶晶種愈遠則愈趨向多晶之結構。換言之，晶碇底部之晶體的缺陷(defect)少，反之，越接近晶碇頂部之缺陷數量會大幅增加。缺陷數量愈多，所製作的太陽能電池的轉換效率將相對減少。此外，在晶碇底部與頂部的缺陷數量相差甚多的情況下，將導致以晶碇底部及頂部晶片所
製作的太陽能電池之轉換效率相差過多。是以，定向凝固法採用大面積單晶晶種長晶之方法尚有待改進之處。
有鑑於此，本發明之主要目的在於提供一種鑄造晶碇之方法，可減少晶碇底部至頂部缺陷數量相差過多的缺點，且有效降低晶碇頂部的缺陷數量。
緣以達成上述目的，本發明提供一種鑄造晶碇之方法，包含有下列步驟：提供複數個小型的單晶晶種，且將該些單晶晶種以排列後具有相同晶向的方式緊密地排列於一坩堝內的底部，以形成一晶種層；前述各該單晶晶種的端面面積介於25~900 mm2
之間，各該單晶晶種的高度介於5~40 mm之間；將固態之矽原料放入該坩堝中，使其等堆疊於該晶種層上；加熱該坩堝，以將矽原料及該晶種層頂部熔化成液態；以及自下而上冷卻該坩堝，以自該晶種層頂部往上凝固結晶，直到所有的矽原料亦凝固結晶為止；凝固後晶種層及矽原料共同形成一晶碇。
藉此，透過鑄造晶碇之方法，可有效減少晶碇之多晶部分的缺陷，藉以提升多晶晶片製作成太陽能電池的轉換效率。
為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖示詳細說明如后。
圖1所示者為本發明一較佳實施例鑄造晶碇之方法所應用的長晶裝置，該長晶裝置包含有一坩堝10、一絕緣籠20與複數個加熱器30。其中，該坩堝10供放置複數個小型的單晶晶種40及固態之矽原料50。該絕緣籠20罩設於該坩堝10外圍，用以保持該坩堝10的溫度，且該絕緣籠20可相對該坩堝10往上或往下移動，藉以控制該坩堝10的溫度梯度之變化。該些加熱器30設置於該絕緣籠20內壁，用以加熱該坩堝10。
接著，利用上述之長晶裝置進行本發明鑄造晶碇之方法(圖2參照)，該方法包含有下列步驟：提供該些小型的單晶晶種40，且將該些單晶晶種40具有相同晶向的端面朝上，使其以排列後具有相同晶向的方式緊密地排列並佈滿該坩堝10內的底部，以形成一晶種層42。前述各該單晶晶種40的端面面積介於25~900 mm2
之間，各該單晶晶種40的高度介於5~40 mm之間。
在本實施例中，所使用的單晶晶種40的晶向為(110)，但不以此為限，亦可使用晶向為(100)的單晶晶種40。為了可以緊密排列，該些單晶晶種40的形狀以矩型柱體為佳，但不以此為限，亦可為三角形柱體、六角形柱體、圓柱體或是前述之
各種形狀的柱體混合使用，重要的是將各該單晶晶種40緊密排列。緊密排列之目的在於避免固態之矽原料50掉入相鄰之單晶晶種40間的縫隙，導致在後續的加熱步驟熔化後，而在後續之長晶步驟中於縫隙處形成多晶結構。此外，該些單晶晶種40的間隙愈大將造成所製作的晶碇之缺陷將相對增加。
各該單晶晶種40的端面面積太小或高度太低，代表所使用的單晶晶種40尺寸較小，在後續的加工步驟中，單晶晶種40很容易因為溫度控制不當而完全熔化，無法進行引晶；單晶晶種40的尺寸太大，則所需的成本相對較高。在考量加工便利性與成本的取捨之下，各該單晶晶種40的較佳的端面面積為介於25~100 mm2
之間，較佳的高度為介於30~40mm之間。
該些單晶晶種40排列形成該晶種層42之後，將矽原料50放入該坩堝10中，使其堆疊於該晶種層42上。
進行加熱步驟，加熱該坩堝10以將矽原料50及該晶種層42頂部熔化成液態。
在本實施例中，係在該絕緣籠20完全密閉該坩堝10後，控制該些加熱器30加熱，並控制加熱時間，使該坩堝10內的矽原料50開始熔化，直到全部的矽原料50熔化成液態，以及該晶種層42頂部開始熔化為止，且使該晶種層42至少保持5mm的高度未被熔化，以避免單晶晶種40完全融化。若未熔化的晶種層42之高度小於5mm，則很容易因為溫度控制不當
而完全熔化，無法進行引晶。
進行長晶步驟，其方式為自下而上冷卻該坩堝10，以自該晶種層42頂部往上凝固結晶，直到所有的矽原料50亦凝固結晶為止。
在本實施例中，開啟該絕緣籠20後，內部的熱會從開啟的縫隙散去。控制該絕緣籠20的開度，並以一預定速度逐漸往上提升，使該坩堝10底部的晶種層42的溫度下降至於熔點溫度以下。為該絕緣籠20包覆的坩堝10之部分，其內部的溫度維持於矽原料50的熔點以上，矽原料50呈液態；未被該絕緣籠20包覆的坩堝10之部分溫度下降，使得矽原料50溫度下降至熔點溫度以下而凝固結晶。隨著該絕緣籠20逐漸往上升，該坩堝10內的矽原料50之固/液態界面亦逐漸往上提升，直到該坩堝10內的矽原料50全部凝固結晶。藉此，凝固後晶種層42及矽原料50共同形成一晶碇。
使用上述鑄造晶碇之方法所製成的晶碇，其底部呈類單晶之結構，即單晶的面積較大，隨著高度提高，單晶面積減少，該晶碇由類單晶逐漸轉變為多晶之結構。
圖3所示者為本發明鑄造晶碇之方法製作之晶碇的缺陷面積(曲線1)與習用之大面積的單晶晶種長晶方法製作之晶碇的缺陷面積(曲線2)比較圖。由圖3中可明顯得知，以大面積的單晶晶種長晶方法所製作的晶碇，其底部的缺陷相對較少，但隨著晶碇高度升高到約80 mm以上時，大面積的單晶
晶種長晶方法製作之晶碇的缺陷增加的速度相對較快。反觀以本發明鑄造晶碇之方法製作的晶碇，隨著晶碇高度上升，其缺陷增加的速度相對較緩慢。是以，以本發明鑄造晶碇之方法製作之晶碇，其底部至頂部缺陷數量的差距明顯減小，且其晶碇頂部的缺陷面積比大面積的單晶晶種長晶方法製作之晶碇的缺陷面積約減少15%，有效降低晶碇頂部多晶部分的缺陷數量。
圖4所示者為以本發明鑄造晶碇之方法所製作的晶碇於底部、中段及頂部切割的晶片，以掃描式電子顯微鏡(Scanning electron microscope,SEM)及電子背向散射繞射儀(Electron Backscatter Diffraction,EBSD)分析之結果。位於晶碇底部的單晶之晶向為(101)，即(110)的等效晶向。隨著晶碇高度提升，中段至頂部的多晶晶粒逐漸增加，由於晶粒競爭之現象，使得具有較少缺陷的(112)晶向之晶粒成為多晶中的主導晶向，因此，有效降低多晶部分的缺陷。對晶碇切片後即可獲取高品質的多晶晶片，藉以提升多晶晶片製作成太陽能電池的轉換效率。
必須說明的是，本發明之重點為鑄造晶碇之方法，所應用的長晶裝置僅是一應用例而己。又，以上所述僅為本發明較佳可行實施例，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效方法變化，理應包含在本發明之專利範圍內。
10‧‧‧坩堝
20‧‧‧絕緣籠
30‧‧‧加熱器
40‧‧‧單晶晶種
42‧‧‧晶種層
50‧‧‧矽原料
圖1為本發明較佳實施例所應用的長晶裝置；圖2為本發明較佳實施例鑄造晶碇之方法流程圖；圖3為本發明較佳實施例之缺陷面積與晶碇高度關係圖；以及圖4為本發明較佳實施例之晶碇的SEM及EBSD分析圖。
Claims (6)
- 一種鑄造晶碇之方法，包含有下列步驟：提供複數個相同晶向的單晶晶種，且將該些單晶晶種以排列後具有相同晶向的方式緊密地排列於一坩堝內的底部，以形成單一晶向的一晶種層；前述各該單晶晶種的端面面積介於25~900mm2 之間，各該單晶晶種的高度介於5~40mm之間；將固態之矽原料放入該坩堝中，使其等堆疊於該晶種層上；加熱該坩堝，以將矽原料及該晶種層頂部熔化成液態；以及自下而上冷卻該坩堝，以自該晶種層頂部往上凝固結晶，直到所有的矽原料亦凝固結晶為止；藉此，凝固後晶種層及矽原料共同形成一晶碇。
- 如請求項1所述鑄造晶碇之方法，其中該些單晶晶種的晶向為(110)。
- 如請求項1所述鑄造晶碇之方法，其中各該單晶晶種較佳之端面面積介於25~100mm2 。
- 如請求項1所述鑄造晶碇之方法，其中各該單晶晶種較佳之高度介於30~40mm。
- 如請求項1所述鑄造晶碇之方法，其中各該單晶晶種的形狀為矩形柱體、三角形柱體、六角形柱體或圓柱體。
- 如請求項1所述鑄造晶碇之方法，其中該晶種層頂部熔化時，該晶種層至少有5mm高度維持為固態。
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