Procedimiento de fabricación de una oblea de silicio de calidad solar.

Un procedimiento de fabricación de una oblea de silicio de calidad solar,

comprendiendo dicho procedimiento lasetapas de:

proporcionar un molde cerámico de oblea de calidad solar con una porosidad superior a cero;

proporcionar una mezcla que incluye un medio de suspensión, un agente aglutinante en suspensión, y unagente de oclusión de poros en suspensión;

tratar dicho molde cerámico de oblea de calidad solar con dicha mezcla para producir un molde cerámico deoblea de calidad solar con porosidad reducida;

proporcionar una pasta que incluye un líquido que esencialmente evita la oxidación del polvo de silicio y unpolvo de silicio que está prácticamente libre de óxidos;

introducir dicha pasta en dicho molde cerámico de oblea de calidad solar con porosidad reducida;

precipitar dicho polvo de silicio a partir de dicha pasta para formar una preforma de dicha oblea de silicio decalidad solar; y

cristalizar dicha preforma para crear dicha oblea de silicio de calidad solar.

Procedimiento de fabricación de una oblea de silicio de calidad solar

Antecedentes de la invención

1. Campo de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento para fabricar obleas de silicio de calidad solar.

2. Descripción de los antecedentes de la técnica

Las obleas de silicio cristalino para células solares se crean por lo general calentando, fundiendo y cristalizando básicamente trozos de silicio puro. En un ejemplo típico, los trozos de silicio se colocan y se empaquetan en un molde de oblea de calidad solar ("molde") hecho de sílice fundida aglomerada. Posteriormente, el molde, que a veces se denomina "crisol", se carga en un horno de vacío que tiene elementos calentadores que por lo general están hechos de grafito. El horno de vacío calienta los trozos de silicio, haciendo que se fundan. Posteriormente, el silicio fundido se enfría de una manera que favorece la formación de las obleas de silicio cristalino. Este procedimiento tiene sus limitaciones, y algunas de éstas se describen a continuación.

La longitud del ciclo de calentamiento-enfriamiento es con frecuencia de 45-60 horas, y esto puede limitar la producción. Un factor en la determinación de la longitud del ciclo de calentamiento-enfriamiento es el tiempo necesario para calentar la materia prima de silicio lo suficiente para hacer que se funda. Los trozos de silicio utilizados son por lo general muy gruesos, ya que tienen un tamaño medio de aproximadamente treinta (30) milímetros. La razón de utilizar de tales materiales gruesos es conservar la pureza en el silicio fundido. Se ha descubierto que el proceso de disminución deja rastros de contaminantes no deseables en la superficie del silicio. La densidad de empaquetado de tales trozos en el molde es aproximadamente un treinta y cinco (35) por ciento del empaquetado perfecto, que es significativamente inferior al óptimo. Por consiguiente, el calor no es conducido de manera eficaz a través de una materia prima de este tipo, y se necesita tiempo de calentamiento adicional. Dado que (1) los elementos de calentamiento están en el exterior del crisol, (2) los trozos de silicio tienen relativamente poco contacto físico entre sí, y (3) los trozos de silicio se "ensombrecen" entre sí en gran medida, la mayor parte del calentamiento se produce por la radiación que se logra sucesivamente, en la que un trozo de silicio relativamente expuesto se calienta y a continuación ese trozo irradia calor a uno o más trozos relativamente no expuestos, es decir, uno o más trozos de silicio que están "ensombrecidos". En muchos casos, se utiliza una presión parcial de gas argón para facilitar la transferencia de calor a la materia prima de silicio.

Durante la etapa de calentamiento y la etapa de enfriamiento, se producen en la materia prima de silicio dos impurezas, es decir, carburo de silicio (SiC) y complejos con oxígeno disuelto (incluyendo complejos de silicio-oxígeno) . Estas impurezas provocan una reducción del rendimiento de las obleas de silicio cristalino utilizables que pueden ser tan altas como aproximadamente el cuarenta (40) por ciento. Además, estas impurezas generan defectos en la estructura cristalina que reducen la eficacia y la vida de la célula solar resultante. Se sufre una pérdida de rendimiento adicional también por el aserrado y rebanado de la palanquilla en obleas. Después de eliminar las impurezas de SiO, SiO2, y SiC de la superficie, a continuación se corta la palanquilla restante para permitir el rebanado. Por lo menos en algunos casos, para cuando las impurezas se eliminan y las obleas se rebanan hasta 150-200 micras, el rendimiento en el silicio de partida puede ser tan bajo como el 35%. Por lo menos algunos factores favorecen la síntesis de estas impurezas. En primer lugar, las altas temperaturas alcanzadas en el horno promueven la oxidación de sus elementos de calentamiento de grafito por reducción de la sílice fundida con la que el grafito está en contacto físico, creando así una presión parcial de CO y CO2. Otros componentes del horno de vacío pueden estar compuestos también de grafito, incluyendo la material de aislamiento, y análogamente, también pueden oxidarse. Esta reacción de oxidación-reducción produce comúnmente dos gases: monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2) . A continuación, estos gases reaccionan con la materia prima de silicio en el molde para producir carburo de silicio y complejos con oxígeno disuelto. En segundo lugar, aunque la sílice fundida aglomerada es una sustancia muy refractaria, es permeable a gases de óxido de carbono (por ejemplo, CO y CO2) . Por lo tanto, los gases de óxido de carbono tienen acceso a la materia prima de silicio por penetración en el molde. En tercer lugar, la densidad de empaquetado de los trozos de silicio da como resultado espacios que puedan ser penetrados y/u ocupados por los gases de óxido de carbono. Las superficies de los trozos de silicio que lindan con estos espacios sirven como sitios adicionales para la reacción de oxidación-reducción que produce carburo de silicio y complejos con oxígeno disuelto. Por último, hay que reconocer que los hornos de vacío generalmente no crean un vacío perfecto, permitiendo que entren gases atmosféricos y potencialmente otros gases. Los gases atmosféricos incluyen agentes oxidantes que, como se ha descrito con anterioridad, puede dar como resultado la producción de impurezas.

El documento US-A-2004004 8411 ilustra la formación de obleas de silicio fundiendo silicio de calidad metalúrgica en un molde y a continuación formando silicio cristalino sobre el mismo utilizando un disolvente de metales.

El documento JP-A-60043813 describe un procedimiento para obtener obleas de silicio que pueden ser retiradas fácilmente de un recipiente y provistas de una superficie lisa. El polvo de silicio se funde por aplicación de calor y presión para formar obleas en un recipiente. El documento JP-A-09036403 describe un procedimiento de producción de una célula solar de alta calidad de bajo costo con una alta productividad de masa. El procedimiento implica la inyección de Si fundido en una ranura plana para formar un elemento de conversión fotoeléctrica.

Breve resumen de la invención La presente invención es un procedimiento de fabricación de obleas de silicio de calidad solar como se expone en la reivindicación 1. Por lo menos en algunas formas de realización de la invención, el procedimiento incluye las siguientes etapas: proporcionar una pasta que incluye un líquido que esencialmente evita la oxidación del polvo de silicio y un polvo de silicio que es muy fino y está prácticamente libre de óxidos y de otras impurezas perjudiciales; proporcionar un molde de oblea de calidad solar que define un interior para recibir la pasta; introducir la pasta en el molde de oblea de calidad solar; precipitar el polvo de silicio a partir de la pasta para formar una preforma de la oblea de silicio de calidad solar; y cristalizar la preforma para crear la oblea de silicio de calidad solar. En algunas formas de realización de la presente invención, el molde de oblea de calidad solar o una preforma de la misma se trata con un agente de oclusión de poros y/o un agente de desgasificación para facilitar adicionalmente la reducción de la presencia de impurezas en las obleas de silicio de calidad solar resultantes.

Las ventajas derivadas de la práctica de cualquiera de las diversas formas de realización de la presente invención incluye por lo menos uno de los siguientes: (1) mayor densidad de empaquetado para el silicio, favoreciendo de ese modo la fusión y dificultando al mismo tiempo la acumulación y/o la formación de impurezas perjudiciales en la masa fundida; (2) calentamiento más rápido, dando así como resultado menos contaminación por SiO, SiC, y SiO2; (3) mayor eficacia y rendimiento debido al menor trayecto de lado a lado; (4) mayor rendimiento debido a (a) menos contaminación por SiC, SiO, SiO2, (b) menos recorte, y (c) la eliminación del aserrado; (5) mayor rendimiento y eficacia debido a la capacidad de crear obleas de silicio de calidad solar de acabado inmediato tan delgadas como 50 micras, y (6) obleas con un área superficial mayor debido a un procesamiento relativamente sin restricciones.

Breve descripción de las diversas vistas de los dibujos Las características de la invención mencionadas anteriormente se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la siguiente descripción detallada de la invención leída junto con los dibujos en los que:

la Figura 1 es un diagrama de flujo que muestra las etapas (incluyendo una etapa opcional) implicadas en la fabricación de una oblea de silicio de calidad solar, de acuerdo con una de las formas de realización de la presente invención;... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento de fabricación de una oblea de silicio de calidad solar, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:

proporcionar un molde cerámico de oblea de calidad solar con una porosidad superior a cero;

proporcionar una mezcla que incluye un medio de suspensión, un agente aglutinante en suspensión, y un agente de oclusión de poros en suspensión; tratar dicho molde cerámico de oblea de calidad solar con dicha mezcla para producir un molde cerámico de oblea de calidad solar con porosidad reducida; proporcionar una pasta que incluye un líquido que esencialmente evita la oxidación del polvo de silicio y un polvo de silicio que está prácticamente libre de óxidos; introducir dicha pasta en dicho molde cerámico de oblea de calidad solar con porosidad reducida; precipitar dicho polvo de silicio a partir de dicha pasta para formar una preforma de dicha oblea de silicio de calidad solar; y cristalizar dicha preforma para crear dicha oblea de silicio de calidad solar.

2. El procedimiento según la reivindicación 1 en el que dicho molde cerámico de oblea de calidad solar se compone de una o más sustancias, incluyendo dichas una o más sustancias por lo menos una sustancia seleccionada del grupo que consiste en sílice fundida aglomerada, grafito, nitruro de boro y nitruro de silicio.

3. El procedimiento según la reivindicación 1 en el que dicho medio de suspensión consiste esencialmente en etanol.

4. El procedimiento según la reivindicación 1 en el que dicho agente aglutinante en suspensión está seleccionado 20 del grupo que consiste en ortosilicato de tetraetilo, sílice coloidal, y cualquier combinación de los mismos.

5. El procedimiento según la reivindicación 1 en el que dicho agente de oclusión de poros en suspensión está seleccionado del grupo que consiste en circón, sílice, nitruro de silicio, y cualquier combinación de los mismos.

6. El procedimiento según la reivindicación 1 en el que dicha mezcla incluye adicionalmente un agente de

desgasificación en suspensión para reaccionar con por lo menos un tipo de óxido de carbono para producir un 25 carburo y un óxido de silicio.

7. El procedimiento según la reivindicación 6 en el que dicho agente de desgasificación en suspensión está seleccionado del grupo que consiste en silicio, nitruro de silicio, y cualquier combinación de los mismos.

8. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicho molde cerámico de oblea de calidad solar define una

superficie interior, teniendo por lo menos parte de dicha superficie interior una estructura cristalina similar a la del 30 silicio cristalizado.