CN104736746B - 改进的晶体硅的制造 - Google Patents

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Abstract

本发明使用定向凝固工艺来制造晶体硅锭。具体而言，在坩埚中，在结晶取向一致的晶种层上方装载硅原料。使所述硅原料和所述晶种层的上部熔融以在所述坩埚中形成熔融材料。随后该熔融材料凝固，在该过程中，在硅锭中形成以所述晶种层的晶体结构为基础的晶体结构。所述晶种层被设置成使得{110}晶面垂直于凝固方向，并且所述晶种层的外周表面大体上位于{110}晶面。据发现，与可供选择的其他晶体取向相比，就锭中所能够生成的单晶硅的比例而言，这种布置提供了显著改善的效果。

Description

改进的晶体硅的制造
技术领域
本发明涉及制造用于太阳能电池的晶体硅。具体而言，本发明涉及通过定向凝固工艺来制造晶体硅。
背景技术
大多数用于光伏电池的硅晶片是采用定向凝固工艺如布里奇曼(Bridgman)法制造的。在这样的工艺中，将固态硅原料引入坩埚中，随后使其熔融以形成熔融硅。为获得晶体硅，随后在定向工艺中使所述熔融硅逐渐凝固，这使得晶体结构形成于固态硅锭中。
在传统定向凝固工艺中形成的硅通常是多晶硅。因此，所述硅具有包含多个晶粒形成物的复杂结构。材料中的晶粒边界、以及由于应力在生长过程中或之后而产生的位错通常导致性能降低。结果，发现由基本上没有位错的单晶硅所形成的光伏电池提供了比由多晶硅形成的光伏电池更好的性能。
因此研究了制造低成本的单晶硅晶片的可行性。用于形成单晶硅的一个方法称为提拉(Czochralski)法。在该方法中，将细长的籽晶在旋转的同时逐渐从熔融硅的坩埚中移出，从而在该籽晶上形成单晶硅。结果是获得了圆柱状的单晶硅棒。然后可以将其切割以形成用于光伏电池的晶片。
与由通过定向凝固工艺形成的多晶材料制成的光伏电池相比，包含通过提拉法形成的单晶硅的光伏电池可以提供提高的效率。具有这些优点主要是因为晶体硅的固有性质，并且还因为其适合用于后续的处理步骤。例如，为了提高光吸收性质，对硅晶片的表面施用刻蚀或纹理化步骤是很常见的。
具体而言，已经开发了用于单晶硅的特定的湿法刻蚀工艺。在该工艺中，将碱性溶液，如氢氧化钾(KOH)，涂抹到单晶硅晶片的{100}表面上。这导致形成包含规则的微锥体阵列的表面。已经发现该规则的图案表现出优良的光吸收性能。
上述湿法刻蚀工艺起作用的机理是基于晶片上的碱性溶液的各向异性效应。这意味着晶片的不同晶面以不同的速率被该溶液刻蚀，从而导致上述规则的锥形表面。为了生成这种结构，晶片的表面必须平行于{100}晶面。
上述各向异性刻蚀工艺对于表现出晶体结构取向不一致的多晶晶片不能体现这些益处。因此，通常将各向同性刻蚀工艺应用于多晶晶片。这往往会产生不规则的表面纹理，其与通过对{100}晶面进行各向异性刻蚀而得到的规则的锥形结构相比在光吸收方面效率较低。
所以，由提拉法制造的单晶晶片有明显的优势。然而，发现通过该工艺制造大体积的用于光伏电池的晶片相对比较昂贵，因为在实践中单次运行该工艺所能够制造的晶体硅的体积相对较小。相反，定向凝固工艺所用的坩埚在每一次运行中都能够处理明显更大量的硅。
因此，由定向凝固工艺制造的多晶硅远比由提拉法制造的单晶硅便宜。而且，相比于通过提拉法形成的晶体硅，在定向凝固过程中通过使用坩埚内表面上的氮化硅涂层，能够降低晶体硅中氧的含量。已知氧杂质有损硅太阳能电池的性能。因此人们一直期望将单晶硅的性能优势与定向凝固工艺的经济优势和加工优势结合起来。
近年来，通过在定向凝固工艺中使用单晶晶种材料已经在这方面取得了进步。在这种技术的一个例子中，在引入常规的硅原料之前，将单晶硅晶种材料放置在坩埚底部。然后使所述硅原料熔融，之后使其逐渐凝固，所述凝固从只有部分熔融的单晶晶种材料开始。单晶晶种材料的作用是作为硅锭中的晶体结构的基础。以这种方式，所形成的硅锭包含至少一个实质上为单晶的区域。如上所述，当以这种方式形成的硅被用于其最终目的(例如用于光伏电池)时，产生了重要的性能优势。
硅晶片由贯穿硅锭的水平薄片形成。为了确保它们呈现出各向异性刻蚀工艺所要求的{100}晶面，提供晶种材料使得{100}面垂直于其纵向方向。
虽然已经发现在定向凝固工艺中使用晶种材料在生长单晶材料这方面获得了一些成功，但其并不是完全有效或具有吸引力。特别是，发现随着凝固过程的进行，所形成的单晶硅的比例下降。特别是，多晶区域从坩埚的外壁逐渐进一步向锭的中心延伸。结果，最终得到的锭含有被多晶区域包围的中央单晶区域，并且沿着该锭向上的方向，该多晶区域的面积进一步增加。
在实践中，发现单晶区域与晶种材料或坩埚底部之间的角度通常低至45-65度。因此，从锭上切割下来的晶片包含显著比例的多晶材料。当所述锭的多晶部分用于其在光伏电池中的目的时，其效率本身就比所述锭的单晶部分低，而且事实上已发现其性能比标准多晶材料更差。此外，所述多晶部分不适合用于上述的各向异性刻蚀工艺。除了会限制晶片的光吸收效率以及提供更低的电性能以外，上述后者还导致了晶片中的由单晶材料形成的刻蚀区域与由多晶材料形成的刻蚀区域之间存在严重的不期望的视觉差异。由于客户优选看上去比较均匀的模块，因此这种非常明显的不均匀性意味着太阳能模块制造商难以在模块中使用这样的晶片。
多晶区域侵入锭中的另一个缺点表现在由锭形成硅晶片的过程中。特别是，有人提出用线、特别是多线切割技术来切割锭。该技术中所用的线可以具有金刚石颗粒。在合适的情况下，这种技术可以实现高产量地切割晶片。然而，多晶硅的晶粒边界、缺陷和位错经常使得诸如碳化硅等杂质嵌入锭当中。这样的杂质不仅进一步降低了材料的效率，它们还比较硬，因此在切割过程中能使金刚石线断裂。因此，多晶区域可导致需要较为逊色的切割工艺。该问题在使用单晶晶种形成锭时尤其突出。这是因为小心控制硅原料的熔融并使晶种材料不完全熔融的过程所需的时间增加，这使得熔融材料被碳污染的风险增加。
人们已经尝试减轻上述困难。例如，如美国专利8,048,221所述，已经提出可以将晶种材料设置在坩埚的侧壁上以及坩埚的底面上。这旨在使单晶结构从侧壁开始生长，从而避免多晶硅在锭的侧面生长。然而，这种类型的工艺非常难以控制。例如，已知在凝固之前，熔融硅在坩埚中总是被设置在置于坩埚底面上的晶种材料之下，这难以确保在侧壁上的晶种材料不熔融。晶种材料发生熔融会使其失效，因为其失去了晶体结构。
已经提出的另一种方法，如US 2011/0297223所述，该方法包括在坩埚的底部区域布置硅单晶晶种，并且具有包括{110}结晶取向的晶种表面以及具有{100}结晶取向的边缘表面。液体超纯硅从坩埚的底部开始凝固，形成主要为{110}-结晶取向的硅块。
WO 2009/014957描述了另一种方法，其中，外周部分具有{111}晶种面的硅砖使得单晶硅或双晶硅得以形成，所述单晶硅或双晶硅基本不含径向分布的杂质和缺陷。
已经提出的另一种方法包括控制坩埚内的温度分布使其更接近，以尽量确保较高比例的晶体生长源于晶种材料。例如，可能的控制机制可包括加强坩埚中心的冷却，以及增强坩埚侧壁的加热。然而，在实践中，这样的方法具有许多缺点，例如锭中的应力增加，这将使其更容易开裂；以及出现缺陷的频率增加，例如双晶界和位错。此外，施加到坩埚侧壁上的热量体现为能源使用方面的成本，并且难以实现使晶种材料不熔融。此外，执行这些工艺将减缓晶体生长和生产率。
因此，人们一直需求改进的用于制造光伏电池用的晶体硅的方法。特别是，在目前的技术要么提供高品质的硅晶片要么提供低成本的硅晶片的情况下，人们希望同时改进这些方面。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供了一种制造用于光伏电池的晶体硅的方法，该方法包括：在坩埚中提供硅晶种层，其中所述硅晶种层的外周限定了面向坩埚内壁的晶种层外周表面，所述晶种层的外周包含至少一种外周晶种砖(seed tile)；在所述晶种层上提供硅原料；使所述硅原料以及使所述晶种层的上部熔融，从而在所述坩埚中生成熔融硅；定向凝固所述熔融硅以形成硅锭；其中每一个外周晶种砖被设置为包含与相邻的坩埚内壁表面基本上平行的第一{110}晶面、以及与熔融硅凝固方向基本上垂直的第二{110}晶面。
根据本发明，可以提供一种用于生产硅锭的定向凝固法，所述硅锭中很大比例的部分具有由所述晶种砖所确定的特定晶体结构。已发现，通过使用被设置为使其第一{110}晶面与相邻的坩埚内壁表面相对、并且其第二{110}晶面与凝固方向垂直的外周晶种砖，由晶种层上方的坩埚壁产生的多晶硅的侵蚀大大减少。因而，最终形成的、具有经所述晶种层成功接种而得到的晶体结构的锭的比例增加。
应当理解的是，在实践中第一和第二{110}晶面分别与坩埚内壁和凝固方向间的取向可能有微小的变化。优选地，每个外周晶种砖的第一和第二{110}晶面的取向在各自几何特性(geometric identity)的15度以内。尤其是每个外周晶种砖的第一{110}晶面优选地取向为与相邻的坩埚内壁面平行的15度以内。类似地，第二{110}晶面可以优选地取向为与凝固方向垂直的15度以内。
优选地，所述晶种层的外周表面主要位于{110}晶面。因此，所述晶种层50％以上的外周表面位于所述晶种层的{110}晶面。优选地，至少60％、70％、80％、或90％的所述外周表面位于所述晶种层的{110}晶面。与{110}晶面平行的外周表面的比例越大，能够抑制多晶硅从坩埚内表面上侵蚀的区域越大。
在优选的实施方案中，所述外周表面由多个外周晶种砖形成，其中所述外周晶种砖被布置在至少两个不同的结晶取向上，所述的至少两个结晶取向与围绕平行于熔融硅凝固方向的轴的旋转变化相关。通过沿多个方向提供多个晶种砖，可以增加位于{110}面的晶种层***边界的比例。在特别优选的实施方案中，存在两个互成90°的不同的结晶取向。这在具有矩形或正方形横截面的坩埚中特别有用。
在一些优选的实施方案中，具有不同结晶取向的外周晶种砖被至少一个分离晶砖(separation tile)分离。优选地，分离晶砖是硅晶种砖，并且优选地为单晶结构的硅晶种砖。选择不同结晶取向的分离晶砖，使得在分离晶砖与相邻晶种砖的接触位点处不形成会发生位错的晶界。例如，优选地应避免小角度晶界，尽管避免会产生位错区域的其它类型的晶界也是有益的。这些晶界可以包括例如通过绕纵轴90°旋转所获得的两块结晶硅之间的边界，外周晶种砖可能出现这种情况。为了避免由这样的边界导致的问题，分离晶砖可包含垂直于凝固方向的晶面，并且该晶面与外周砖中所存在的垂直于凝固方向的晶面不同。例如，当外周砖具有垂直于凝固方向的{110}面时，分离晶砖可包含垂直于熔融硅的凝固方向的{100}晶面。这可能起到减少因不同取向的外周晶种砖间的边界而造成的缺陷和位错的作用。当分离晶砖在其与***砖相邻之处引入晶界时，可以很好地定义边界，并且不会导致缺陷。
在一些优选的实施方案中，至少一对相邻的晶种砖被布置成使得该相邻晶种砖的至少一对等效晶面绕水平轴倾斜5度至15度之间的角度。优选地，可以以这样的方式布置所有的相邻晶种砖。已发现，这还可以降低晶种砖之间的边界处位错的产生，而不会导致严重影响锭的电特性的特定边界的形成。所述角度优选大于10度以上。
在优选的实施方案中，晶种层还包含至少一个中心晶种砖，其被所述一种或多种外周晶种砖包围。在一些特别优选的实施方案中，至少一个中心晶种砖具有垂直于熔融硅凝固方向的结晶取向，该结晶取向与所述一种或多种外周晶种砖的结晶取向不同。例如，可以这样设置所述至少一个中心晶种砖，从而使得熔融硅的凝固发生在与{100}晶面垂直的方向上。这种设置使得***晶种层可以保护硅锭免受来自坩埚内壁的多晶硅的侵蚀，同时仍允许硅锭中存在可选择的结晶取向。
所述晶种层可选择地或附加地包含至少一个中心晶种，其具有垂直于熔融硅凝固方向的结晶取向，该结晶取向与所述一种或多种外周晶种砖的结晶取向相同。在一些实施方案中，存在多个中心晶种砖，具有垂直于熔融硅凝固方向的相同结晶取向的晶种砖彼此之间被具有垂直于熔融硅凝固方向的不同结晶取向的晶种砖分离。相应地，具有给定结晶取向的晶种砖彼此之间被具有其它结晶取向的晶种砖分离。结果是，砖之间的边界代表了结晶取向上的变化。尽管硅锭会因而将介于与所述晶种砖的不同取向对齐的区域之间的边界引入，但是发现这种边界对锭质量造成的有害效果远远小于由具有相同结晶取向的晶种砖之间的小角度偏离所产生的位错和缺陷。
优选地，该方法还包括来自所述锭的一个或多个硅晶片。在优选的实施方案中，形成该硅晶片的工艺包括线切割工艺，优选为金刚石线切割工艺。这样的工艺在形成晶片时是有效且节约成本的；并且发现，与基于<100>晶体取向的现有技术相比，由于该工艺中产生碳化硅杂质的风险减少，因此该工艺在本发明的情况中特别有用。碳化硅杂质比较硬，并且会损坏用于线切割工艺的线、或者会导致锯痕。
在优选的实施方案中，该方法包括对硅晶片施加刻蚀步骤。刻蚀步骤可以是各向异性或各向同性的，但是在晶片的大部分表面(例如，40％以上)位于{100}晶面的情况中，采用各向异性刻蚀工艺是尤为适宜的。然而，根据模块设计，电池的反射率可能不是最优先的，在这种情况下，可以选择晶种设计以优化晶片的电性能。在这种情况中，大部分的晶片面积可不具有{100}取向，此时应优选各向同性刻蚀。优选地，所述各向同性刻蚀工艺包括将酸加到硅表面上；并且在优选的实施方案中，所述酸可以包含氢氟酸(HF)和/或硝酸(HNO3)。或者，所述酸可以包含硫酸(H2SO4)。在其它优选的实施方案中，刻蚀工艺可包括反应性离子刻蚀工艺和/或等离子刻蚀工艺。
随着硅锭的形成，在所述晶种层上形成遵循晶种层晶体结构的准单晶区域，同时可能在坩埚壁相邻处形成多晶材料。在本发明优选的实施方案中，具有与晶种层相同的晶体结构的单晶区域的外边缘和所述晶种层本身的外边缘之间的平均角度为至少70度，更优选为至少80度。位于这些边缘中的所述锭的内部部分可以制成没有任何严重位错的区域。与生长通常发生在垂直于晶种层的{100}晶面的现有技术(其中，由于存在严重位错的区域，多晶部分能更深入到锭中、或者所述材料的平均质量低于可接受的程度)相比较，这是显著的进步。
在典型的设置中，在凝固过程中固-液界面沿纵向向上行进。也就是说，凝固方向为纵向。尽管可能会略微偏离纵向(即，固-液界面可能并非绝对水平)，但是本文中所述的凝固方向是指主要的或平均的凝固方向。因此，为了确保晶种层的{110}晶面垂直于凝固的方向，此面被基本上水平地设置。因此，为了使晶种层被设置为使得熔融硅的凝固发生在垂直于所述晶种层的{110}晶面的方向上，在优选的实施方案中，优选将{110}晶面设置为平行于坩埚底面。在实践中，晶种层的{110}晶面可以不与坩埚底面完全对齐。然而，优选地，晶种层的{110}晶面与坩埚的底面之间的角度小于15度，更优选小于10度，并且最优选小于5度。本发明的优势是明显的，即使在这样稍微偏离完全对齐的情况时也是如此。
实际上，根据本发明优选的实施方案，至少80％(更优选90％)的形成在晶种层上的硅锭具有与所述晶种层的晶体结构相符的晶体结构。因此，至少这些百分比的硅锭可以是由单晶材料形成的。硅锭中的单晶硅可以包含一个或多个独立的单晶硅区域。例如，所述晶种层可以包含多个晶种砖，在这种情况中，可以在每个晶种砖上生长独立的单晶硅区域，各个区域有时仍然被一个或一小组晶界分隔开。然而，尽管存在该分隔，但是因为在每个区域中晶体结构的取向相同，所以整个锭保持其单晶(而不是多晶)性质。
所述硅锭的一部分可以不是在晶种层上形成的。例如，通常硅锭的邻近坩埚壁的外周区域包含多晶硅。该区域为不是在晶种层上形成的区域。例如，在优选的实施方案中，在坩埚壁和晶种层之间可设置有间隙，结果，在该间隙之上的区域内不会形成单晶材料。该间隙(以及相应的所述外周区域)的宽度通常为5-30mm。该间隙优选地可以小至2mm、或者甚至1mm，以弥补所述硅晶种层与所述坩埚材料之间的热膨胀差异。所述间隙能够避免结晶过程中坩埚破裂、以及硅随之从所述坩埚中流出。
在某些实施方案中，所述晶种层的中心部分可以由具有相同结晶取向的晶种砖形成。相似地，其它实施方案可以选择性地或附加地包含与一种或多种具有相同结晶取向的外周晶种砖相邻的中心晶种砖。在这种情况下，由于相邻砖之间些微的偏离可能形成小角度晶界。由小角度晶界产生的位错的量与偏离角度成比例。
为了减弱这种作用，所述晶种层优选地由单一的单晶源形成。可选择地，至少那些可能彼此之间形成小角度晶界的晶种砖可以由单一的单晶源形成。特别地，该方法可以包括通过提拉法形成单晶源。所述晶种层采用单一来源有助于提高晶种砖的对准程度，并由此减少所述锭中产生的缺陷的量。
根据本发明的第二个方面，提供了一种由第一个方面的方法形成的硅晶片。还提供了一种包含所述硅晶片的光伏电池。进一步提供了一种包含所述光伏电池的模块。由于所述晶片含有相对较大比例的或甚至100％的单晶硅，因此其为光伏电池提供了优良的性能。
根据本发明的第三个方面，提供了一种用于通过定向凝固来制造晶体硅的装载坩埚，所述装载坩埚包括：硅晶种层，其中所述硅晶种层的外周由多个晶种砖形成，所述多个晶种砖限定了面向坩埚内壁的晶种层外周表面；其中每一个外周晶种砖被设置为包含与相邻的坩埚内壁表面平行的第一{110}晶面、以及垂直延伸穿过坩埚的第二{110}晶面。
附图说明
现参照附图描述本发明优选的实施方案，其中：
图1示出穿过用于本发明优选的实施方案的坩埚和加热炉的横截面；
图2A示出使用提拉法获得的单晶硅源；
图2B示出在后续加工之后形成立方体形状的图2A的单晶硅源；
图2C示出由图2A和2B的单晶硅源形成的多个单晶晶种砖；
图3示出根据本发明第一优选的实施方案用于形成晶种层的晶种砖的布置平面图；
图4A示例性示出图3的晶种层所使用的主要砖的结晶结构；
图4B示例性示出图3的晶种层所使用的边缘砖的结晶结构；
图4C示例性示出相邻的硅砖中等效晶面的倾斜；
图5A示出由晶种砖生长出的结晶硅的优选生长方向，其中该晶种砖的上表面位于{100}晶面；
图5B示出由晶种砖生长出的结晶硅的优选生长方向，其中该晶种砖的上表面位于{110}晶面；
图6A示出采用现有技术的硅锭的生长；
图6B示出根据本发明的方法的硅锭的生长；
图7示出硅锭被分割为多个晶片；
图8A示出通过现有技术的方法形成的具有碱处理纹理(alkaline texture)和抗反射涂层的硅晶片；以及
图8B示出通过本发明的方法形成的具有酸处理纹理(acid texture)和抗反射涂层的硅晶片；
图9示出根据本发明第二优选的实施方案用于形成晶种层的晶种砖的布置平面图；
图10A示出图9的晶种层内所使用的第一结晶取向的晶种砖的晶体结构；
图10B示出图9的晶种层内所使用的第二结晶取向的晶种砖的晶体结构；
图10C示出图9的晶种层内所使用的第三结晶取向的晶种砖的晶体结构；
图11A示出起始于具有小角度偏离的两种晶种砖之间的结合处的缺陷和位错；
图11B示出起始于不同结晶取向的晶种砖之间的接合处的晶界；
图12示出根据本发明第三优选的实施方案用于形成晶种层的晶种砖的布置平面图；以及
图13示出图12的晶种层中所使用的分离晶砖的晶体结构。
具体实施方式
参照图1，在加热炉的加热区2中提供坩埚1。加热炉加热区2的壁可以由石墨或能够耐受高温的类似材料形成。在优选的实施方案中，图1中示出的加热炉加热区2是多锭加热炉中的多个加热区中的一个。每个加热区2可与图1中所示出的基本类似。
图1的实施方案适合用于制造晶体硅的定向凝固工艺。这种定向凝固工艺包括布里奇曼法和垂直梯度凝固法。
坩埚1优选由包覆有氮化硅涂层的二氧化硅形成。该涂层有助于确保固体硅在结晶过程中不会粘到坩埚壁上，并且有助于在结晶过程进行之后将晶体硅从坩埚移除。为了在结晶过程中支持坩埚1的结构，可以邻近坩埚设置支持板5。优选实施方案的支持板5由石墨或包覆有碳化硅的石墨形成。可供选择地，支持板5可以由相对于二氧化硅而言为化学惰性的另一种材料(例如氮化硅)形成。
本发明优选的实施方案还包括设置在坩埚1之上和之下的加热器3。在该优选的实施方案中，加热器3是电阻加热器，当电流通过它们时，它们以热的形式散发能量。加热器3可以由石墨形成。加热器3应当能够产生制造晶体硅所需的温度，该温度在加热炉的顶部可以高达1600℃。
图1所示的优选实施方案的坩埚1装载有单个硅板6、由单晶硅砖7形成的晶种层、以及硅原料8。硅砖7被放置在硅板6之上，同时硅原料8被放置在硅砖7的上方。将硅砖7布置成其上表面处于{110}晶面。如下文中结合图3所说明的，硅砖包括主砖(main tiles)71和边砖(edge tiles)72，所述主砖71和边砖72的晶体结构彼此之间为绕垂直轴旋转90°。
硅板6优选为基本上平坦的，并且在优选的实施方案中为基本上平坦的多晶硅。特别是，硅板6可以利用可提供多晶锭的定向凝固工艺获得。随后可以将该多晶锭切割以形成硅板6。带锯可以用于该切割步骤。
硅板6可能有利于降低基本上处于相同取向的硅砖7之间出现小角度偏离的可能性。但是，硅板6不是必需的，并且特别是在相邻的硅砖7具有不同的取向时可以不用硅板6。当未提供硅板6时，硅砖7可以直接放置在坩埚1的底面上。
硅板6通常具有介于1cm和3cm之间的厚度，并且基本上但不是完全覆盖坩埚1的整个底面。如果需要，硅板6可以采用可供替代的厚度，例如介于0.2cm和10cm之间的厚度。在一个优选的实施方案中，相比于坩埚底面68cm×68cm的大小，硅板6具有大约63cm×63cm的尺寸。
硅板6优选略小于坩埚底面的大小。例如，在硅板6和坩埚1的壁之间可以设置至少0.5cm的间隙。这可以允许坩埚1在制造的过程中收缩。如果没有这样的间隙，坩埚壁1在制造过程中则容易开裂。硅板6和坩埚壁之间的典型间隙可以为1cm或2cm，但是如果需要，该间隙可以更大。在硅砖7和坩埚1的侧壁之间也形成类似的间隙。
硅板6呈现出平坦的上表面以接收由硅砖7形成的晶种层。硅板足够大，足以支持所有硅砖7的排列。例如，硅砖7的面积可以与硅板6的面积相同。然而，也可以有变化，并且硅板6的面积可以比硅砖7的面积大或稍小。
在优选的实施方案中，硅砖7全部切割自同一单晶源9，特别是全部切割自通过提拉法形成的单晶源9。因为硅砖7全部切割自同一源，因此当它们被放置在硅板6上时，其晶体结构可以精确地配向(aligned)。具体而言，每次形成的不同的源9的晶体结构和物理结构的相对配向很可能略有不同。因此，如果硅砖7切割自不同的源，则难以确保各砖的晶体结构完全相符。因此，所有的硅砖7都由相同晶源9形成，这样是有利的。
尽管如此，但有可能单一的源不能提供足够的材料以形成跨越坩埚1的所需部分的晶种层。在这种情况下，优选由尽可能少的源9形成硅砖7。
示例性的由提拉法获得的单晶源9在图2A中示出。如从该图中可以看出的那样，单晶源9具有圆柱状外形。沿着穿过晶源9的平行的纵向平面(例如沿着图2A中的虚线)进行切割而制成砖7。通常，在该步骤之前，从圆柱体上切割下弯曲的边缘以形成完全或部分为立方体的结构，例如如图2B所示。随后纵向切割所述立方体结构以形成砖7，如图2C所示。
图3示出坩埚1中硅板6上硅砖7的平面图。以两种不同的结晶取向提供硅砖7。这些硅砖在后文中被称为主砖71、73和边砖72，其中所述主砖具有第一结晶取向，所述边砖具有第二结晶取向。所述主砖71、73以面对面的方式布置，其穿过硅板6的大部分并且在边砖72之间延伸。所述边砖72延伸穿过所述主砖71、73的末端，并且与坩埚壁的内表面相邻。
用标号73标注位于晶种层边缘的主砖，用标号71标注那些远离边缘设置的主砖。位于边缘的主砖73与边砖72可以理解为外周晶种砖，剩余的晶种砖71为中心晶种砖。
将主砖71、73和边砖72布置成使{110}晶面水平延伸穿过坩埚1。这样，在定向凝固工艺中该{110}晶面与晶体硅的生长方向垂直。也就是说，生长发生在<110>方向。在实践中，这表示在凝固过程中固-液界面在沿<110>方向上行进。已发现这可提高在该方向上的晶体生长速度，这样可以增加所形成的具有单晶结构的晶体硅的比例，下文中将对此进行更加详细地说明。
每个晶种砖在平面图中具有矩形轮廓。主砖71、73具有长度为l1、宽度为w1的矩形平面轮廓，其中长度l1大于宽度w1。类似地，边砖72具有长度为12、宽度为w2的矩形平面轮廓，其中长度l2大于宽度w2。在优选的实施方案中，长度l1在45cm到65cm范围内，宽度w1在45cm到65cm范围内，长度l2在45cm到65cm范围内，并且宽度w2在3cm到17cm范围内。在优选的实施方案中，晶砖的高度h对于主砖71、73和边砖72而言都是相同的，并且在2cm至3cm范围内。
对于具有位于{110}晶面内的上表面的长方体结晶硅砖，一对端面也将位于{110}晶面内，而第二对端面位于{100}晶面内。如图4A和图4B所示，图4A示出结晶方向与主砖71、73的平面垂直，图4B示出结晶方向与边砖72的平面垂直。从图4A和图4B均可以看出晶砖中沿着晶砖的长度方向延伸的端面与{110}面平行，而沿着晶砖的宽度方向延伸的端面与{100}面平行。
放置在坩埚1中的主砖71、73的晶体结构在所有维度上对齐。然而，相对于主砖71的结晶结构而言，边砖72的结晶结构绕着垂直轴旋转了90度。其结果是，主砖的{100}宽度边缘面向边砖的{110}长度边缘。因此，主砖71和边砖72中面对坩埚1内表面的长度边缘均处于{110}晶面中。只有边砖72面对坩埚1内表面的宽度边缘呈现{100}面。通过这种方式，晶种砖7所呈现出的与坩埚1内表面相对的外周表面主要位于{110}面。如下文更详细描述的，已发现这对于在定向凝固过程中提高所能生长出的单晶硅的比例提供了有益的效果。
在一些优选的实施方案中，可以在相邻晶种砖的一对等效晶面之间引入轻微的倾斜角度。特别是，相邻晶种砖的等效晶面可以围绕水平轴以介于5度和15度之间的角度旋转。已发现，这可以减少硅锭中两个晶种砖之间界面区域的位错形成，而是会形成特定的晶界，该晶界对由硅锭形成的晶片的电性能的有害作用较小。
这种布置的一个实例示于图4C，其中所示出的侧视图说明图3所示的布置中的外周晶种砖72、73位于硅板6上。在这种情况下，边砖72的晶体结构已围绕水平轴略微旋转，以使得边砖72的{110}晶面(该晶面与主砖73的水平{110}晶面等效)与水平轴间呈介于5度和15度之间的角度。因此，在这种情况下所述等效晶面是最接近水平的特定晶面。这种等效晶面围绕水平轴的小角度相对旋转可应用于所有相邻的晶种砖对。
返回到图1，可以看出在晶种砖7上提供有硅原料8。优选实施方案的硅原料8包含多个硅片。这些硅片可以包括通过诸如西门子法等工艺获得的硅块、得自现有定向凝固工艺的回收利用的硅块、通过流化床反应器工艺形成的粒状硅、或者得自任何其他合适的来源的硅。可以合适地使用来自不同来源的硅的混合物。
所以，在使用中，本发明的优选实施方案的操作如下。首先，将硅板6、硅砖7和硅原料8装载在坩埚1中并且放置在加热炉的加热区2中。
启动加热器3以开始坩埚1的内容物的熔融阶段。该熔融阶段包括将加热区2加热至适当的温度。控制该熔融阶段使得内容物的熔融从位于坩埚1的顶部的那些内容物开始。这意味着坩埚1中首先被熔融的内容物是硅原料8。随着熔融阶段的继续进行，固-液界面向下穿过硅原料8并向着硅砖7行进。
由于其上装载有硅砖7的硅板6在高的环境温度下表现出可预期的行为，因此硅砖7相对于彼此的位置和配向得到了进一步的保持。具体而言，虽然发现二氧化硅坩埚1在受热时以非线性的方式以及与硅不同的方式膨胀，但在这样的条件下，硅板6的任何膨胀基本上都与硅砖7的相匹配。因此，硅板6为硅砖7提供了一个平台，使得它们保持了在被装载到坩埚1中时所赋有的紧密堆积的且配向的构造。
允许坩埚1的内容物的熔融过程持续进行直到硅砖7的少量表面被熔融，在该时间点，开始了定向凝固过程。如下面将更详细描述的那样，期望熔融的硅砖7的量受到限制以使熔穿的风险最小化，并且确保它们在进一步的过程中可以被再利用的次数最大化。然而，硅砖7的至少一部分必须熔融以使其在定向凝固工艺中充当晶种材料。
由于晶种层的硅砖7以配向的晶体结构被紧密地堆积在一起，因此，它们在定向凝固工艺中充当单晶晶种。
定向凝固过程的启动包括控制加热器3以停止熔融过程并使坩埚1中的熔融材料从晶种层向上逐渐凝固。通常，该过程由受过培训的监控该***的操作人员启动，但是在某些情况下自动控制启动可能也是合适的。
在定向凝固过程中，固-液界面的移动方向与其在早期熔融过程中相比是相反的。随着凝固的发生，在材料中形成晶体结构，该晶体结构与硅砖7的晶种层的晶体结构相符。由于主砖71和边砖72均提供了水平穿过所述坩埚的{110}面，这种取向保持在硅锭中。但是，应当认识到边砖72的晶体结构相对于主砖71的晶体结构发生了旋转，这意味着硅锭中在与主砖71对准的区域和与边砖72对准的区域之间存在晶体结构的过渡。该边界垂直地延伸穿过所形成的锭，但是其被相对地控制并且对于由跨越所述边界的硅形成的光伏电池的电性能不会造成任何显著的有害影响。此外，人们发现这种方法可以防止多晶硅从坩埚壁侵入所述锭。
参照图5A和5B可以理解本发明的益处。图5A示出了具有位于晶体结构{100}面的表面的常规晶种砖。已经发现，定向凝固期间在垂直方向上的晶体生长对于沿晶体结构中{111}面的各个方向是有利的。其结果是，如在晶种砖的每个角所标注的箭头所示，晶体的生长趋于向从晶种砖的边缘向内部发展。由这些箭头所限定的区域以外的区域则更多地趋向于自坩埚1内表面生长多晶硅。因此，随着晶体沿着坩埚持续向上生长，所形成的单晶硅区域不断减小。锐角θ表示单晶硅生长的方向与坩埚1内水平方向的夹角。在实践中该角度可以为约45°。
图5B示出优选的单晶硅竖直定向凝固生长，其中水平面平行于其晶体结构的{110}面。与图5A相反，可以看出在图5B中优选的生长并不是从同样位于{110}面的晶种砖的外边缘向内延伸。因此，在晶体硅的生长过程中，多晶硅从坩埚1的内表面侵入并跨越所述晶种砖的{110}边缘得以抑制。然而，由于单晶硅的优选生长方向是从该点向内延伸的，因此多晶硅仍可能从坩埚1的内表面侵入并跨越晶种砖的{100}边缘。
将这些原理应用于图3所示的晶种砖的布置中，可以理解的是，主砖71和主砖72的长边提供了由晶种砖形成的晶种层中与坩埚1内表面相邻布置的外周的主要部分。可以回顾到所述长边布置为位于{110}晶面。其结果是，在定向凝固中，阻止了多晶硅由坩埚1的内表面侵蚀至主砖71以上的区域。某些侵蚀可能由边砖72的宽边处发生，但是这种侵蚀的程度受到晶种砖7的布置的限制。
其结果是，能够形成基本上或主要由单晶硅构成的硅锭10。例如，所述硅锭可以由至少80体积％的同一晶体取向的单晶硅形成，更优选地由至少95％为同一晶体取向的单晶硅形成。相比之下，现有技术中生长自{100}面的硅锭通常能够达到40体积％至70体积％的单晶硅。因此，使用本发明的改进非常明显。此外，应当记住的是，即使现有技术能够达到70体积％的单晶硅，但是这仍然意味着在实践中约70％的切割自该锭的晶片含有多晶和单晶材料的混合物，这是因为大部分的晶片通常切割自锭的边缘处。现有技术的晶片中的这种材料混合物在采用碱性纹理刻蚀时限制了晶片的性能，并且严重损害了其视觉外观，这二者均对其商业可行性产生负面影响。
在坩埚1内的材料凝固结束后，将加热区2的温度逐渐降低，直至可以打开加热炉并将凝固后的材料从坩埚1中取出。
图6A和6B示出了典型的利用晶种层形成的硅锭10的比较图，其中生长分别垂直于{100}面(图6A)以及垂直于{110}面(图6B)而进行。在各情况中，硅锭包含单晶区域11和多晶区域12。单晶区域的边界与晶种层的表面(即，与水平面)形成一个角度θ。在晶种层呈现出{100}表面的情况中，发现角度θ为大约45-65度(图6A)，而通过使用具有{110}晶体表面的晶种层，角度θ基本上为90度(图6B)。因此，使用{110}晶种层所形成的单晶材料的比例显著增加。
一旦形成硅锭10，就将其从加热炉中移除并切成硅晶片。在切割硅晶片之前，通常除去硅锭10的边缘以避免来自坩埚壁的污染。此外，以大约与硅板7和单晶种砖7的初始高度总和相同的高度移除完整的底部部分。随后可以将该底部部分的尺寸减小并作为最初的板6和砖7的替代品重复使用。
硅锭10在图7中示例性示出。图7还示出了一些线，沿着这些线可以将锭10切割成硅晶片。可以看出，硅晶片基本上是平坦的并且沿着锭10水平地延伸。因此，基本平行于{110}面来切割硅晶片。以这种方式，可以由单个锭10切割成数量可观的硅晶片。优选使用金刚石线切割工艺来切割晶片。在该工艺中，使用一系列平行的线将硅锭锯成多个晶片。金刚石颗粒附在锯中的每根线上，并且通常使用溶剂以将硅和热量从硅锭中带走。国际专利申请WO 2011/034439中描述了合适的方法，其主题通过引用的方式并入本文。优选实施方案的硅锭10对线切割工艺特别敏感，这是因为锭中的多晶硅的量有限。这降低了硅锭10中存在杂质的潜在可能性(所述杂质通常在多晶硅中所存在的晶粒边界、缺陷和位错处被引入)。进而，这降低了在线切割工艺中由于存在这样的杂质而可能经常发生的对线造成破坏(特别是当线遇到相对较硬的杂质(如碳化硅)时更是如此)的可能性。
一旦从锭上切割下来，通常对晶片进行洗涤、干燥并利用一套质量测量工具进行检验。此后，对硅晶片的{110}表面进行刻蚀以增加表面积，从而提高晶片的光吸收效率。在优选的实施方案中，通过对晶片施用各向同性刻蚀来进行所述刻蚀工艺。各向同性刻蚀可以包括使晶片的表面与酸接触，所述酸例如为含有HF和HNO3的混合物。可以使用的其他酸包括H2SO4。在基于酸的刻蚀工艺中，将晶片引入含有所需酸溶液的浴中，由于酸与硅表面反应，这将导致晶片的表面变得有纹理。该纹理是不规则的，但发现其改善了晶片的光吸收性质。
也可以采用可供选择的刻蚀工艺将纹理施加到硅晶片的表面上。例如，在可供选择的实施方案中，可以采用离子刻蚀或等离子刻蚀。在这样的工艺的一个例子中，纳米压印平板印刷术和随后的等离子刻蚀可以用于在硅的表面上形成蜂巢结构。在H.Hauser，A.Guttowski，J.Mick，M.Pfeifer，P.Voisin，M.Hermle等人在2009年德国汉堡第24届欧洲光伏太阳能会议和展览会的会刊上发表的论文中描述了这样的工艺的一个例子，其主题以引用的方式并入本文。
各向同性刻蚀工艺在单晶硅和多晶硅的区域中提供了一致的响应。因此，即使存在某些多晶硅区域，光吸收特性(包括晶片的视觉外观)也是一致的。这些优势可以由图8A和8B的对比清楚地看出。图8A示出了采用{100}晶种层、在应用各向异性刻蚀工艺和抗反射涂层(这些是决定基础材料的视觉外观的两种工艺)之后形成的晶片。在这种情况下，存在较大的多晶硅区域，这在最终的电池中明显可见。相反，图8B示出了利用{110}晶种层、随后利用根据优选实施方案的各向同性刻蚀工艺刻蚀所得晶片而形成的硅晶片。通过使用该技术，不仅任意多晶区域的面积显著减小，而且该区域与晶片的单晶部分之间的可见的区别也显著减小。
上面的描述给出了本发明的优选实施方案。然而，本领域技术人员将认识到，各要素可以适当地改变。例如，能够以可供选择的角度切割硅锭10以形成具有不同晶体表面(例如{100})的硅片。此外，如果合适的话，可以使用各向异性刻蚀工艺。
上述实施方案示出在晶种层7中的特定的晶种砖的布置。但是，本领域技术人员可以理解替代的布置也是可能的。参照图9-13，可以理解第二优选的布置。
图9示出根据第二优选实施方案的坩埚1内位于硅板6上的硅砖7的平面图。如从图9中可以看到的，提供了三种类型的硅砖7。这些硅砖包括具有第一结晶取向的晶种砖81、84，具有第二结晶取向的晶种砖82和具有第三结晶取向的晶种砖83。
一些具有第一结晶取向的晶种砖81、84被布置在晶种层7的边缘，其由标号81表示；而另外的具有第一结晶取向的晶种砖被布置为远离晶种层7的边缘，其由标号84表示。具有第一结晶取向并位于晶种层7边缘的晶种砖81和具有第二结晶取向的晶种砖82为外周晶种砖，其余的晶种砖为中心晶种砖。
沿着硅板6的维度交替布置具有第一和第二结晶取向的晶种砖81、84、82。因此，具有给定取向的每一对相邻的晶种砖均被具有另一取向的晶种砖隔开。因此，具有相同取向的晶种砖并不是一个挨着另一个地放置。
所述具有第一结晶取向的晶种砖81、84和具有第二结晶取向的晶种砖82被布置成具有不同的水平延伸(即，垂直于晶体生长的方向)穿过所述腔室的晶面。在图3所示的具体实施方案中，所述具有第一晶体取向的晶种砖81、84被布置成使得其{110}晶面水平延伸穿过坩埚1，而具有第二晶体取向的晶种砖82被布置成使得其{100}晶面水平延伸穿过坩埚1。因此，取决于生长所起始的晶种砖，{110}面或{100}面二者之一与定向凝固过程中的晶体硅生长方向垂直。也就是说，从所述具有第一结晶取向的晶种砖81、84开始的生长发生在<110>方向，从所述具有第二结晶取向的晶种砖82开始的生长发生在<100>方向。在实践中，这意味着在凝固过程中固液界面沿<110>或<100>二者中任一方向行进。
具有第三结晶取向的晶种砖83包括又一取向。然而，在这种情况下，具有第三结晶取向的晶种砖83和具有第一结晶取向的晶种砖81、84被布置成使得其共享水平穿过坩埚1的等效晶面。在具体的实施方案中，所述具有第一结晶取向的晶种砖81、84和具有第三结晶取向的晶种砖83被布置成使得{110}晶面水平延伸穿过坩埚1。因此由这两种类型的晶种砖开始的生长均发生在<110>方向。
图10A、10B和10C分别示出具有第一结晶取向的晶种砖81、84、具有第二结晶取向的晶种砖82和具有第三结晶取向的晶种砖83。各个晶种砖均具有长方体结构，其尺寸以及沿垂直于所述砖平面表面的方向延伸的结晶方向如图所示。
各晶种砖7均具有矩形轮廓(平面视图)。所述具有第一结晶取向的晶种砖81、84具有长度为l1和宽度为w1的矩形平面轮廓，其中长度l1大于宽度w1。类似地，具有第二结晶取向的晶种砖82具有长度为l2和宽度为w2的矩形平面轮廓，其中长度l2大于宽度w2。类似地，具有第三结晶取向的晶种砖83具有长度为l3和宽度为w3矩形平面轮廓，其中长度l3大于宽度w3。在优选的实施方案中，长度l1和l3在45cm到65cm范围内，宽度w1和w3在3cm到17cm范围内，长度l2在45cm到65cm范围内，宽度w2在45cm到65cm范围内。所有砖的高度h基本上是相同的，并且在优选的实施方案中h位于2cm到3cm范围内。
对于具有位于{110}晶面内的上表面的长方体结晶硅砖，一对端面也将位于{110}晶面，而第二对端面位于{100}晶面内。这可以在图10A和10C中看到，其示出结晶方向垂直于具有第一结晶取向的晶种砖81、84的平面以及具有第三结晶取向的晶种砖83的平面。与此相反，如图10B所示，具有第二结晶取向的晶种砖82的所有表面都被设置在{100}晶面内。
由图10A和10C均可以看出，对于具有第一和第三结晶取向的晶种砖81、83、84，其沿所述砖的长度方向延伸的端面位于{110}面内，而其沿所述砖的宽度方向延伸的端面位于{100}面内。
相对于具有第一取向的晶种砖81的晶体结构，具有第三取向的晶种砖83的晶体结构绕垂直轴旋转了90度。因此，所述主砖的{100}宽度边缘面向边砖的{110}长度边缘。相应地，具有第一取向的晶种砖81和具有第三取向的晶种砖83二者中面向坩埚1内表面的长度边缘均位于{110}晶面内。与坩埚壁相邻的具有第一取向的晶种砖81、84和具有第三取向的晶种砖83为外周晶种砖，其构成晶种层7的外周表面。只有具有第三取向的晶种砖83的与坩埚1内表面相对的宽度边缘呈现出{100}面。按这种方式，晶种砖7所呈现的与坩埚1内表面相对的外周面主要位于{110}面。如上文中参考图5A至6B所阐述的那样，就定向凝固过程中能够生成的单晶硅的比例而言，已发现这种方式提供了有益效果。
具有第一结晶取向的晶种砖81、84和具有第二结晶取向的晶种砖82可以理解为与第一优选实施方案中的主砖71、73类似，而具有第三结晶取向的晶种砖83可以理解为与第一优选实施方案中的边砖72类似。
如上文中参照第一优选实施方案所阐述的那样，在定向凝固过程中，固-液界面的移动方向与早期熔融过程中相比是相反的。随着凝固的发生，在该材料中形成晶体结构，该晶体结构与硅砖7的晶种层的晶体结构相符。由于具有第一结晶取向的晶种砖81、84和具有第三结晶取向的晶种砖83二者均提供水平穿过坩埚的{110}面，因此在位于这些砖上方的硅锭中保持了这种晶体结构的相符。然而，在具有第二结晶取向的晶种砖82之上，设置了水平穿过所述坩埚1的{100}晶面。晶界垂直生长通过所述锭，从而将具有{110}水平晶面的区域与具有{100}水平晶面的区域分离。
已发现所述晶界未对所述锭的电性能产生不利影响，特别是在与由具有相同结晶取向的相邻砖之间的轻微偏离所导致的缺陷相比较时更是如此。如图11A和11B所示。
图11A示出穿过硅锭的侧视图，所述硅锭是采用并排放置在坩埚1中的具有相同结晶取向的晶种砖形成的，其中发生了小角度偏离。可以看出，具有缺陷和位错的区域100起始于晶种砖之间的边界处，并且随着垂直生长的持续，区域100逐步覆盖硅锭中更多的区域。与此相反，图11B示出从使用两种不同取向的相邻砖所形成的硅锭上切下的块体的SEMILAB图像。能够在位于所述相邻砖上方的硅锭的一些区域之间看到晶界101，但这些晶界被约束在局部位置，并且不会导致相邻缺陷的形成。
根据第三优选的实施方案的晶种砖的布置示于图12。其布置类似于第一优选的实施方案，其中包括与第一优选的实施方案相同布置的主砖91、93和边砖92。然而，在第三优选的实施方案中还包括分离砖94。
如图13所示，分离砖94具有位于{100}晶面的表面。分离砖将边砖92与主砖91、93分开。具体而言，主砖91、93和边砖92均提供水平穿过坩埚的{110}面，而分离砖94提供水平穿过坩埚1的{100}晶面。因此，在定向凝固中晶界垂直生长并通过所述锭，从而将具有{110}水平晶面的区域与具有{100}水平晶面的区域分离。
如上述图11A和11B所示，发现这种类型的晶界未对锭的电性能产生不利的影响，特别是在与由具有相同结晶取向的相邻砖之间的轻微偏离所导致的缺陷相比较时更是如此。因此，分离砖94能够用于减少硅锭中位于主砖91、93和边砖92之间界面处的这种缺陷的数量。
其他的变化和改变对于本领域技术人员而言将是显而易见的。这样的变化和改变可以包括已知的、可以代替或补充本文所述特征的等价特征和其他特征。在不同的实施方案的内容中所描述的那些特征可以在单个实施方案中组合。相反，在单个实施方案的内容中所描述的特征也可以单独提供，或以任何合适的子组合的方式提供。

Claims (21)

1.一种制造用于光伏电池的晶体硅的方法，该方法包括：
在坩埚中提供硅晶种层，其中所述硅晶种层的外周限定了面向所述坩埚内壁的晶种层的外周面，所述晶种层的外周包含多种外周晶种砖；
在所述晶种层上提供硅原料；
使所述硅原料以及使所述晶种层的上部熔融，从而在所述坩埚中生成熔融硅；
定向凝固所述熔融硅以形成硅锭；其中
每个所述外周晶种砖均被设置为使得所述***晶种砖包含取向与相邻的所述坩埚的内壁表面基本上平行的第一{110}晶面、以及与所述熔融硅的凝固方向基本上垂直的第二{110}晶面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述每个外周晶种砖的第一{110}晶面的取向均在与所述相邻的坩埚内壁表面平行方向的15度以内。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述晶种层外周表面的至少60％位于{110}晶面中。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述外周表面由多个外周晶种砖形成，并且其中所述外周晶种砖被布置为处于至少两个不同的结晶取向上，所述的至少两个结晶取向与围绕平行于所述熔融硅的凝固方向的轴的旋转变化相关。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述外周表面由多个外周晶种砖形成，并且其中所述外周晶种砖被布置为处于至少两个不同的结晶取向上，所述的至少两个结晶取向与围绕平行于所述熔融硅的凝固方向的轴的旋转变化相关。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述晶种层还包含至少一个被所述外周晶种砖包围的中心晶种砖。
7.根据权利要求6所述的方法，其中至少一个所述中心晶种砖具有垂直于所述熔融硅的凝固方向的晶面，并且该晶面与所述外周晶种砖的垂直于所述凝固方向的晶面不同。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述至少一个中心晶种砖被设置成使得所述熔融硅的凝固发生在与所述砖的{100}晶面垂直的方向上。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中所述晶种层包含多个中心晶种砖，所述多个中心晶种砖中包括至少一个具有垂直于所述熔融硅的凝固方向的晶面的中心晶种砖，并且该晶面与所述外周晶种砖的垂直于所述凝固方向的晶面相同。
10.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中具有相同的垂直于所述熔融硅的凝固方向的晶面的晶种砖彼此之间被具有不同的垂直于所述熔融硅的凝固方向的晶面的晶种砖分离。
11.根据权利要求1至3和5至8任一项所述的方法，其中至少一对相邻的晶种砖被布置成使得所述相邻晶种砖的至少一对等效晶面绕水平轴倾斜5度至15度之间的角度。
12.根据权利要求9所述的方法，其中具有相同的垂直于所述熔融硅的凝固方向的晶面的晶种砖彼此之间被具有不同的垂直于所述熔融硅的凝固方向的晶面的晶种砖分离。
13.根据权利要求12所述的方法，其中至少一对相邻的晶种砖被布置成使得所述相邻晶种砖的至少一对等效晶面绕水平轴倾斜5度至15度之间的角度。
14.根据权利要求1至3和5至8任一项所述的方法，还包括由所述硅锭形成一个或多个硅晶片。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述形成一个或多个晶片的步骤包括线切割工艺。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述线切割工艺为金刚石线切割工艺。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括对所述一个或多个硅晶片的表面施加刻蚀步骤。
18.根据权利要求1至3和5至8任一项所述的方法，其中至少80％的在所述晶种层上形成的所述硅锭具有与所述晶种层的晶体结构相符的晶体结构。
19.根据权利要求1至3和5至8任一项所述的方法，其中所述晶种层由单一的单晶硅源形成。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括采用提拉法形成所述单晶硅源。
21.一种用于通过定向凝固制备晶体硅的装载坩埚，所述装载坩埚包括：晶体硅晶种层，其中所述硅晶种层的外周由多个晶种砖形成，所述多个晶种砖限定了面向坩埚内壁的晶种层外周表面；并且每个所述外周晶种砖均被设置为包含与相邻的所述坩埚的内壁表面平行的第一{110}晶面、以及水平延伸穿过所述坩埚的第二{110}晶面。
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