ES2968668T3

ES2968668T3 - Crisol de crecimiento de lingotes de silicio con capa estructurada de salientes con patrón

Info

Publication number: ES2968668T3
Application number: ES17724927T
Authority: ES
Inventors: Abbu Udaiyar Senthil Kumaran; Yuhao Wu; Qi Tang; Flao Benoit Jean Jacques Le; Hock Kar Ng; Adolphus Song
Original assignee: REC Solar Pte Ltd
Current assignee: REC Solar Pte Ltd
Priority date: 2016-05-18
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2024-05-13
Anticipated expiration: 2037-05-10
Also published as: TW201819694A; TWI798177B; GB201608873D0; CN109642341A; JP2019520292A; EP3458629B1; JP7145763B2; WO2017199132A1; EP3458629A1; US20200010978A1; GB2550415A

Abstract

Se propone un crisol (1) para el cultivo de lingotes de silicio. El crisol comprende un recipiente (3) que tiene una pared inferior (5) y paredes laterales (7) que rodean una porción interior (9) del recipiente. Se aplica una capa de recubrimiento (11) a las superficies internas de la pared inferior y las paredes laterales, comprendiendo la capa de recubrimiento un material resistente a la temperatura compatible con el crecimiento de lingotes a partir de silicio fundido tal como nitruro de silicio. Además, se aplica una capa saliente estampada (13) en la superficie interior de la pared inferior. La capa saliente estampada comprende una matriz (15) que consiste en un material resistente a la temperatura compatible con el crecimiento de lingotes a partir de silicio fundido tal como nitruro de silicio. Además, la capa saliente con patrón comprende además partículas (17) de un material que mejora la nucleación tal como sílice, sobresaliendo las partículas localmente de la matriz. En consecuencia, las partículas que sobresalen (17) pueden generar un patrón de múltiples puntos de nucleación durante el crecimiento cristalino del lingote. Debido a tales múltiples puntos de nucleación, la propagación de un defecto de densidad de dislocación hacia la parte superior puede reducirse durante el crecimiento del cristal, de modo que, por ejemplo, las células solares producidas con obleas cortadas del lingote resultante pueden tener una eficiencia de conversión mejorada. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Crisol de crecimiento de lingotes de silicio con capa estructurada de salientes con patrón

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un crisol para cultivar lingotes de cristal de silicio que se puede usar, por ejemplo, para producir obleas de silicio multicristalino para la fabricación de celdas solares. La invención también se refiere a un método para preparar un crisol.

Antecedentes técnicos

Las celdas solares son dispositivos fotovoltaicos para convertir la energía luminosa en energía eléctrica. Las celdas solares generalmente se basan en un sustrato semiconductor. La mayoría de las celdas solares disponibles comercialmente se producen usando un sustrato de silicio, tal como una oblea de silicio.

Las obleas de silicio se producen generalmente cortando o aserrando rodajas finas de un bloque de silicio sólido. Dicho bloque de silicio se fabrica generalmente fundiendo silicio purificado y a continuación solidificando la masa fundida. Dependiendo de las condiciones físicas, dicha solidificación puede dar como resultado un bloque de silicio monocristalino o un bloque de silicio multicristalino (mc-Si) o policristalino.

El silicio multicristalino se produce en muchos casos llenando o colando una masa fundida de silicio líquido en un crisol específico y a continuación solidificando la masa fundida enfriándola de una manera específicamente controlada. Generalmente, las condiciones físicas durante dicho proceso de solidificación pueden influir significativamente en las características físicas del bloque de silicio cristalino resultante. Este bloque de silicio cristalino también se denomina lingote de silicio.

Convencionalmente, los crisoles usados para cultivar lingotes de silicio comprenden un recipiente hecho de un material altamente resistente a la temperatura tal como sílice (también denominado crisol de cuarzo), grafito, carburo de silicio o similares. En muchos casos, las superficies de este recipiente están recubiertas con capas adicionales que sirven, por ejemplo, como barreras para evitar que cualquier contaminante se difunda desde el recipiente hacia la masa fundida de silicio muy caliente. También se proporcionan capas recubiertas para simplificar la liberación del lingote del crisol después de la solidificación.

El documento DE102010000687 divulga un crisol para la preparación de silicio, teniendo el crisol una pared inferior y paredes laterales, comprendiendo la pared inferior partículas semilla de un material que tiene un punto de fusión más alto que el silicio. El documento EP99103701 divulga un molde para producir un lingote de silicio que tiene una estructura estratificada que comprende una capa de sílice interna que contiene al menos una capa en la que un polvo de sílice fundida con un tamaño de partícula de 100 pm o menos y una arena de sílice fundida fina con un tamaño de partícula de 100 a 300 pm se une con un aglutinante de sílice, y una capa de sílice exterior que contiene al menos una capa en la que un polvo de sílice fundida con un tamaño de partícula de 100 pm o menos y una arena de sílice fundida gruesa con un tamaño de partícula de 500 a 1500 pm se une con un aglutinante de sílice. El documento WO2005106084 divulga un crisol para la cristalización de silicio que comprende un cuerpo base que comprende una superficie inferior y paredes laterales que definen un volumen interno; una capa intermedia que comprende del 50 al 100 % en peso de sílice en la superficie de las paredes laterales orientadas al volumen interno; y una capa superficial que comprende del 50 al 100 % en peso de nitruro de silicio, hasta el 50 % en peso de dióxido de silicio y hasta el 20 % en peso de silicio en la parte superior de la capa intermedia. El documento CN105063748 divulga un crisol de cuarzo, en donde el lado interno del crisol está recubierto con una capa compuesta de nitruro de silicio, y las partículas están incrustadas en la capa compuesta de nitruro de silicio, teniendo las partículas un diámetro de 5-15 mm.

Sumario de la invención

Puede existir la necesidad de un crisol mejorado para cultivar lingotes de silicio que permita, entre otros, producir lingotes que tengan características físicas ventajosas. Particularmente, puede existir la necesidad de un crisol mejorado con el que se puedan fundir lingotes de silicio a partir de los cuales se puedan producir obleas de silicio para celdas solares altamente eficientes. Además, puede ser necesario un método ventajoso para preparar dicho crisol.

Dichas necesidades pueden satisfacerse con el crisol y el método de acuerdo con las reivindicaciones independientes, que definen la presente invención. En las reivindicaciones dependientes y en la memoria descriptiva se definen realizaciones ventajosas.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se propone un crisol para cultivar lingotes de silicio. El crisol comprende un recipiente que tiene una pared inferior y paredes laterales que rodean una porción interna del recipiente. El crisol comprende además una capa de recubrimiento aplicada a las superficies internas de la pared inferior y de las paredes laterales. Esta capa de recubrimiento comprende un material resistente a la temperatura compatible con el crecimiento de lingotes a partir de silicio fundido tal como, por ejemplo, nitruro de silicio. El crisol comprende además una capa de salientes con patrón aplicada en la superficie interna de la pared inferior. La capa de salientes con patrón comprende una matriz que consiste en nitruro de silicio como material resistente a la temperatura compatible con el crecimiento de lingotes a partir de silicio fundido. La capa de salientes con patrón comprende además partículas de un material potenciador de la nucleación que es uno de arena de sílice (SO<2>), carburo de silicio (SiC) y carbono (C), que está adaptado para formar un agente humectante cuando está en contacto con una masa fundida de silicio líquido, sobresaliendo estas partículas localmente de la matriz de la capa de salientes con patrón. Las partículas del material potenciador de la nucleación tienen tamaños de entre 100 pm y 1 mm.

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención, se propone un método para preparar un crisol para cultivar lingotes de silicio. El método comprende al menos las siguientes etapas, preferentemente en el orden indicado: En primer lugar, se proporciona un recipiente que tiene una pared inferior y paredes laterales que rodean una porción interna del recipiente. A continuación, se aplica una capa de recubrimiento a las superficies internas de la pared inferior y las paredes laterales. Esta capa de recubrimiento comprende un material resistente a la temperatura compatible con el crecimiento de lingotes a partir de silicio fundido tal como, por ejemplo, nitruro de silicio. Un material resistente a la temperatura debería ser resistente a temperaturas de hasta al menos 1000 °C, preferentemente, al menos 1400 °C o incluso al menos 1500 °C, sin sufrir daños o deterioro significativos. Posteriormente, se aplica una capa de salientes con patrón a la superficie interna de la pared inferior, es decir, encima de la capa de recubrimiento aplicada previamente a esta pared inferior. La capa de salientes con patrón comprende una matriz que consiste en nitruro de silicio como material resistente a la temperatura compatible con el crecimiento de lingotes a partir de silicio fundido. Además, la capa de salientes con patrón comprende partículas de un material potenciador de la nucleación que es uno de arena de sílice (SO<2>), carburo de silicio (SiC) y carbono (C), que está adaptado para formar un agente humectante cuando está en contacto con una masa fundida de silicio líquido. En este sentido, la capa de salientes con patrón se aplica de tal manera y las partículas se adaptan de manera que las partículas sobresalgan localmente de la matriz. Las partículas del material potenciador de la nucleación tienen tamaños de entre 100 pm y 1 mm.

Se puede entender que los principios relacionados con las realizaciones de la presente invención se basan, entre otros, y sin restringir el alcance de la invención, en las siguientes ideas y reconocimientos:

Como se ha indicado en la parte introductoria, se ha descubierto que recubrir las paredes de un recipiente de un crisol con un material resistente a la temperatura puede ser beneficioso por diversos motivos. Entre otros, la capa de recubrimiento puede evitar que los contaminantes se difundan desde el recipiente hacia una masa fundida de silicio caliente fundida en el crisol. Además, la capa de recubrimiento puede servir como capa de liberación, simplificando la liberación del lingote de silicio solidificado del crisol. Para tal fin, la capa de recubrimiento típicamente se fabrica de manera que forme un agente no humectante cuando entra en contacto con la masa fundida de silicio líquido. Por ejemplo, se ha demostrado que un recubrimiento que comprende nitruro de silicio, por ejemplo, en forma de polvo de nitruro de silicio, proporciona buenas características de protección y liberación para el recipiente del crisol. Por consiguiente, todas las superficies internas de las paredes del recipiente, es decir, las superficies que se dirigen a la porción interna del recipiente y, por lo tanto, que entran en contacto con una masa fundida de silicio caliente fundida en el recipiente, están recubiertas preferentemente con la capa de recubrimiento.

Sin embargo, se ha encontrado que los lingotes de silicio moldeados en tales recipientes recubiertos pueden tener características no óptimas cuando se usan para cortar obleas de silicio para la fabricación de celdas solares de silicio.

Sorprendentemente, ahora se ha encontrado que proporcionar a una superficie interna de la pared inferior del recipiente una capa de salientes con patrón aplicada sobre la misma puede influir de manera positiva en las características del lingote de silicio resultante. Es decir, las celdas solares producidas a partir de obleas cortadas de dichos lingotes de silicio pueden tener una mayor eficiencia. Particularmente, se supone que la capa de salientes con patrón puede alterar la morfología de la superficie, por ejemplo, aumentar la rugosidad, en la superficie interna del recipiente. Además, la capa de salientes con patrón puede crear una falta de uniformidad de temperatura local cuando un gradiente de temperatura vertical es alto. Adicionalmente, la capa de salientes con patrón puede incluir partículas potenciadoras de la nucleación distribuidas aleatoriamente en la matriz que pueden actuar como puntos de humectación, alterando o mejorando de este modo las propiedades humectantes para facilitar la nucleación del silicio.

La capa de recubrimiento se puede depositar directamente sobre una o más paredes del crisol. La capa de salientes con patrón puede depositarse directamente encima de la capa de recubrimiento subyacente, es decir, puede estar en contacto mecánico directo con la capa de recubrimiento. Como alternativa, se pueden interponer capas adicionales que tengan una resistencia a la temperatura adecuada entre la capa de salientes con patrón y la capa de recubrimiento y/o entre la capa de recubrimiento y una pared del crisol.

Específicamente, la capa de salientes con patrón comprende una matriz que puede estar hecha de un material resistente a la temperatura igual o similar al material de la capa de recubrimiento subyacente.

La matriz consiste en nitruro de silicio. De manera similar a la capa de recubrimiento, dicho material de la matriz puede actuar como agente de liberación de lingotes. En este contexto, un "material resistente a la temperatura compatible con el crecimiento de lingotes a partir de silicio fundido" puede entenderse como un material que no cambia significativamente de forma permanente sus características físicas y/o químicas al ser sometido a temperaturas como las que típicamente se producen durante el crecimiento de lingotes a partir de una masa fundida de silicio, es decir, temperaturas típicamente superiores a 1000 °C o muchas veces superiores a 1500 °C. Particularmente, dicho material resistente a la temperatura no se fundirá ni arderá a las temperaturas mencionadas. La matriz de la capa de salientes con patrón puede formar una capa o película. En esta matriz, se incluyen pequeñas partículas de material potenciador de la nucleación. En este sentido, las características de la matriz, así como de las partículas, se adaptan de manera que las partículas sobresalgan localmente de la matriz. Dicho de otro modo, por ejemplo, el grosor con el que se aplica la capa de matriz sobre la superficie interna de la pared inferior puede ser del mismo orden de magnitud o puede ser menor que las dimensiones de al menos muchas de las partículas incrustadas en la matriz, de modo que al menos estas partículas no están completamente encerradas en la matriz sino que sobresalen de la matriz hacia la porción interna del recipiente. Dicho de otro modo, las partículas sobresalientes forman salientes pequeños o incluso microscópicos que se extienden desde la superficie interna de la pared inferior hacia la porción interna del recipiente. Los salientes pueden formar un patrón regular o irregular, por ejemplo, aleatorio.

Estas partículas sobresalientes están hechas de un material potenciador de la nucleación. Esto significa que las partículas generalmente están hechas con un material diferente al material de la matriz y que tiene otras características físicas. Por consiguiente, debido a características físicas tan diferentes, cada una de las partículas sobresalientes puede servir como punto de nucleación al solidificar la masa fundida de silicio dentro del crisol. Dicho de otro modo, tras el enfriamiento de la masa fundida de silicio dentro del crisol, los procesos de solidificación comenzarán preferentemente en uno de dichos puntos de nucleación.

Se ha observado que proporcionar un gran número de puntos de nucleación al solidificar una masa fundida de silicio puede dar como resultado granos de cristal más pequeños en el lingote de silicio resultante. La presencia de dichos granos más pequeños en el lingote puede, en consecuencia, reducir la propagación de un defecto de densidad de dislocación hacia la parte superior del lingote. Como resultado de lo mismo, se pueden mejorar las características físicas de las obleas cortadas a partir de dicho lingote y se puede mejorar la eficiencia de conversión de una celda solar fabricada con dicha oblea.

De acuerdo con una realización, la capa de salientes con patrón se aplica exclusivamente a la superficie interna de la pared inferior.

Dicho de otro modo, aunque la capa de salientes con patrón se aplica a la superficie interna de la pared inferior, no se aplica preferentemente a las superficies internas de las paredes laterales del recipiente.

Por un lado, se ha observado que puede ser suficiente con aplicar la capa de salientes con patrón solo a la pared inferior para obtener el efecto beneficioso de los múltiples puntos de nucleación proporcionados para la propagación del defecto de densidad de dislocación reducida deseada. La aplicación de la capa de salientes con patrón también a las paredes laterales del recipiente parece no mejorar adicionalmente las características físicas de un lingote cultivado en dicho crisol. Por otro lado, parece que aplicar la capa de salientes con patrón sólo en la superficie interna de la pared inferior pero no en las superficies internas de las paredes laterales puede mejorar las características de los crisoles durante el crecimiento de un lingote de silicio. Por ejemplo, las superficies internas no humectantes de las paredes laterales cubiertas sólo por la capa de recubrimiento pero no por una capa de salientes con patrón pueden simplificar la liberación de un lingote de silicio cultivado después de la solidificación.

De acuerdo con una realización, el material potenciador de la nucleación está adaptado para formar un agente humectante cuando está en contacto con una masa fundida de silicio líquido.

Dicho de otro modo, el material usado para las partículas comprendidas en la capa de salientes con patrón debe seleccionarse preferentemente de modo que una masa fundida de silicio líquido que entre en contacto con las partículas sobresalientes en el fondo del crisol pueda humedecer estas partículas al menos en su superficie que sobresale más allá de la matriz. Debido a tales características de humectación, las partículas pueden servir como puntos de nucleación alterando así la morfología superficial de la capa que cubre la superficie interna en la pared inferior del recipiente.

De acuerdo con la invención, las partículas del material potenciador de la nucleación son partículas de arena de sílice (SO<2>), carburo de silicio (SiC) o carbono (C). La arena de sílice (SO<2>) puede ser la opción preferida.

Dicho de otro modo, las partículas consisten en óxido de silicio o carburo de silicio o carbono y pueden tener dimensiones y formas típicas como granos de arena. Por ejemplo, las partículas pueden tener puntas puntiagudas, bordes afilados o similares. Como alternativa, las partículas pueden ser redondeadas o incluso esféricas. Se ha observado que tales partículas de arena sirven como puntos de nucleación cuando sobresalen localmente de una matriz que consiste sustancialmente en nitruro de silicio y que entra en contacto con silicio fundido a solidificar.

Las partículas del material potenciador de la nucleación tienen tamaños de entre 100 pm y 1 mm. Se ha observado que tales dimensiones de las partículas dan como resultado una capa de salientes con patrón beneficiosa ya que, entre otros, las partículas pueden sobresalir ligeramente de una matriz circundante, por ejemplo, desde unos pocos micrómetros hasta unos pocos cientos de micrómetros, pero sin extenderse demasiado hacia la porción interna del recipiente, lo que de otro modo podría alterar el crecimiento de un lingote de silicio o incluso dañar una capa superficial del lingote cultivado.

Puede entenderse que las partículas comprendidas en la capa de salientes con patrón pueden estar dotadas de una distribución del tamaño de partícula. Esto significa que generalmente no todas las partículas tienen el mismo tamaño, pero los tamaños de partícula pueden variar. Preferentemente, la distribución del tamaño de partícula es tal que al menos el 50 %, preferentemente, al menos el 90 % de todas las partículas comprendidas en la capa de salientes con patrón tienen tamaños en un intervalo de entre 100 pm y 1 mm.

De acuerdo con una realización, la capa de salientes con patrón tiene un grosor de entre 0,3 mm y 3 mm, preferentemente, de entre 1 mm y 2 mm.

Se ha observado que proporcionar la capa de salientes con patrón con tal grosor da como resultado características físicas beneficiosas de los lingotes cultivados en dicho crisol.

Cabe señalar que la capa de salientes con patrón puede no tener un grosor uniforme. Por ejemplo, la capa de salientes con patrón puede tener un grosor menor en regiones donde sólo está la matriz formando la capa de salientes con patrón, mientras que puede tener un grosor extendido en regiones donde las partículas sobresalen de la matriz. Por consiguiente, la expresión "grosor de la capa de salientes con patrón" puede entenderse en el presente documento como una referencia a un grosor promedio de la capa de salientes con patrón. Además, dado que el grosor de la capa de salientes con patrón se determina principalmente por el grosor con el que se aplica la matriz sobre la superficie interna de la pared inferior, el grosor de la capa de salientes con patrón corresponde aproximadamente al grosor de dicha matriz y puede exceder el grosor de la capa de matriz, por ejemplo, en no más del 30 %, preferentemente, no más del 10 %. Dicho de otro modo, las partículas que sobresalen localmente de la matriz pueden aumentar el grosor promedio de la capa de salientes con patrón sólo aproximadamente el 30 %, preferentemente, sólo aproximadamente el 10 %, del grosor de la capa de matriz.

Particularmente, seleccionar una distribución de tamaño beneficiosa de las partículas comprendidas en la capa de salientes con patrón, por un lado, y seleccionar un grosor beneficioso de la capa de salientes con patrón, por otro lado, puede influir en una distribución de partículas dentro de la capa de salientes con patrón y /o una distancia hasta la cual las partículas sobresalen de la matriz de la capa de salientes con patrón.

Por ejemplo, tener partículas grandes incrustadas en una capa de salientes con patrón muy delgada generalmente daría como resultado que solo unas pocas partículas sobresalgan hacia la porción interna del recipiente, pero estas partículas serían relativamente grandes y, por lo tanto, sobresaldrían bastante hacia esta porción interna. Una configuración tan extrema podría no ser óptima para las características físicas resultantes del lingote de silicio cultivado.

En el otro extremo, partículas muy pequeñas comprendidas en una capa de salientes con patrón gruesa podrían dar como resultado que la mayoría de estas partículas queden completamente encerradas dentro de la matriz en lugar de sobresalir de la misma. Por consiguiente, sólo unas pocas partículas pueden servir como puntos de nucleación.

Por lo tanto, la distribución de tamaño de las partículas incrustadas en la matriz, por un lado, y el grosor de la capa de salientes con patrón, por otro lado, deberían adaptarse adecuadamente entre sí.

Específicamente, de acuerdo con una realización, una cantidad de partículas comprendidas en la capa de salientes con patrón, una distribución de tamaño de estas partículas y/o un grosor de la capa de salientes con patrón se pueden seleccionar específicamente de manera que las partículas del material potenciador de la nucleación que sobresalen de la matriz estén comprendidas en la capa de salientes con patrón con una densidad de área de entre 1 y 10/cm2, preferentemente de entre 7 y 10/cm2.

Se ha observado que proporcionar a las partículas en la capa de protuberancia con patrón tal densidad de área da como resultado características físicas beneficiosas de los lingotes de silicio cultivados en dicho crisol. Particularmente, la densidad de área de las partículas sobresalientes podría influir en la densidad del punto de nucleación durante la solidificación del lingote y, por lo tanto, podría influir de manera beneficiosa en la densidad del defecto de dislocación en el lingote resultante. Por ejemplo, múltiples puntos de nucleación pueden aumentar el número de granos y posteriormente pueden dar como resultado límites de grano más aleatorios por unidad de volumen. Cuanto mayor es el área del límite de grano por unidad de volumen, mayor es generalmente la probabilidad de que las dislocaciones se atasquen en los límites de grano, ya que la desalineación entre dos granos adyacentes no puede permitir que las dislocaciones crucen los límites fácilmente debido a la barrera de energía. Se puede acomodar una mayor concentración de dislocaciones en una unidad de volumen de material. Por lo tanto, más límites de grano generalmente ralentizarán la propagación de una dislocación.

La distribución del tamaño de partícula de arena de sílice, carburo de silicio o carbono debe controlarse necesariamente para obtener una suspensión estable sin sedimentación y para evitar un mayor contenido de oxígeno intersticial a nivel de oblea. Las partículas más pequeñas pueden generar una mayor área superficial y, durante el proceso del lingote, pueden liberar más oxígeno en la masa fundida. La mayor parte típicamente se pierde como SiO gaseoso de la superficie fundida, pero el resto puede permanecer en la masa fundida y disolverse en silicio cristalino. Por consiguiente, puede ser beneficioso controlar el tamaño de partícula y/o la distribución del tamaño de partícula.

De acuerdo con una realización, la capa de recubrimiento tiene un grosor de entre 0,1 mm y 1 mm, preferentemente, de entre 0,4 mm y 0,5 mm.

Una capa de recubrimiento con tal grosor puede, por un lado, aplicarse fácilmente a las superficies internas del recipiente mientras que, por otro lado, proporciona suficientes características de protección y/o liberación.

De acuerdo con una realización, la capa de recubrimiento se aplica usando una suspensión específica, denominada en el presente documento "primera suspensión", que comprende al menos polvo de nitruro de silicio. Además, en una implementación preferida, la primera suspensión comprende además un agente aglutinante, un agente dispersante y agua desionizada. Preferentemente, la primera suspensión no comprende ningún componente o agente adicional.

De acuerdo con otra realización, la capa de salientes con patrón se aplica usando una segunda suspensión que comprende al menos polvo de nitruro de silicio y partículas de material potenciador de la nucleación. Además, de acuerdo con una implementación preferida, la segunda suspensión comprende además un agente aglutinante, un agente dispersante y agua desionizada. De nuevo, preferentemente, la segunda suspensión no comprende ningún componente o agente adicional.

Dichas primera y/o segunda suspensiones pueden aplicarse fácilmente a las superficies internas de las paredes del recipiente. Además, dichas suspensiones pueden aplicarse con poco esfuerzo y/o a bajo coste. Por ejemplo, las suspensiones pueden pulverizarse sobre las superficies internas. Por ejemplo, se puede aplicar un sistema de pulverización dispensador especial para pulverizar las suspensiones sobre superficies que se van a cubrir con una capa de recubrimiento y/o una capa de salientes con patrón, respectivamente. El recubrimiento de las superficies internas se puede realizar a temperaturas elevadas. Como alternativa, pueden usarse otras técnicas de aplicación de la primera y/o segunda suspensiones. Por ejemplo, se puede aplicar una máscara con patrón tal como se usa comúnmente, por ejemplo, en serigrafía.

El polvo de nitruro de silicio comprendido en las suspensiones puede ser un polvo de pequeñas partículas de nitruro de silicio que tienen tamaños típicos en un intervalo de 0,1 pm a 5 pm. El polvo de nitruro de silicio puede tener una pureza preferentemente superior al 98 %, más preferentemente, superior al 99,9 %.

El agente aglutinante puede comprender alcohol polivinílico o sílice coloidal. Preferentemente, el agente aglutinante puede comprender sílice coloidal y aproximadamente el 50 % en peso de sílice sólida con un tamaño de partícula de 5-100 nanómetros.

El agente dispersante puede comprender propilenglicol.

Cabe señalar que la formulación que indica que "se aplica una capa usando una suspensión específica" puede interpretarse, por un lado, como que define unas características específicas de un proceso de fabricación para formar la capa respectiva o, por otro lado, puede definir características estructurales de la capa respectiva resultantes del método de fabricación específico. Expresado en palabras más específicas, una capa de recubrimiento aplicada usando una primera suspensión o una capa de salientes con patrón aplicada usando una segunda suspensión generalmente tendrá propiedades físicas y/o estructurales resultantes directamente del hecho de que estas capas se aplican usando una suspensión, diferenciándose así, por ejemplo, de las capas que se aplican usando otras técnicas tales como técnicas CVD (deposición de vapor química, por sus siglas en inglés) o PVD (deposición de vapor física, por sus siglas en inglés). Por ejemplo, una capa de recubrimiento o una capa de salientes con patrón aplicada usando suspensiones específicas generalmente tiene una determinada estructura granular resultante del hecho de que la suspensión comprende partículas de polvo más o menos macroscópicas mientras que, por ejemplo, una capa aplicada usando las técnicas CVD o PVD es típicamente más homogénea, resultado del hecho de que estaba constituida por partículas microscópicas mucho más pequeñas, tales como átomos, moléculas y/o grupos de los mismos. Además, aunque algunos componentes comprendidos en la suspensión durante su procesamiento, tales como el agente aglutinante, el agente dispersante y/o el agua desionizada, pueden haber desaparecido durante el procesamiento posterior de la suspensión y, por lo tanto, pueden no estar presentes dentro de la capa de recubrimiento final y/o la capa de salientes con patrón, el hecho de que estos componentes o agentes formaran parte de la primera y/o segunda suspensiones típicamente da como resultado características físicas y/o estructurales específicas de las capas resultantes. Por ejemplo, las capas resultantes pueden tener una porosidad o morfología típica que es diferente de las capas, particularmente de las capas de nitruro de silicio, aplicadas usando otras técnicas tales como CVD o PVD.

De acuerdo con una realización del método definido como el segundo aspecto de la invención, la primera suspensión para aplicar la capa de recubrimiento tiene una viscosidad menor que la segunda suspensión usada para depositar la capa de salientes con patrón.

Por ejemplo, la primera suspensión puede tener una viscosidad inferior a 100 cP, preferentemente, inferior a 10 cP, mientras que la segunda suspensión puede tener una viscosidad superior a 100 cP, preferentemente, superior a 500 cP. Debido a su baja viscosidad, la primera lechada se puede aplicar fácilmente con un grosor homogéneo. La segunda suspensión, que tiene la viscosidad más alta, se puede pulverizar o verter y a continuación, opcionalmente, esparcir sobre la superficie interna de la pared inferior del recipiente.

Se pueden aplicar puntos de salientes con patrón o una capa, por ejemplo, con la ayuda de una máscara, como serigrafía, o con un sistema de pulverización dispensador especial. Por lo tanto, una superficie puede tener una estructura superficial de colina (humectante) y de valle (no humectante).

De acuerdo con una realización, la primera suspensión tiene una densidad menor que la segunda suspensión.

Por ejemplo, la primera suspensión puede tener una densidad inferior a 1,6g/cm3, preferentemente, inferior a 1,4g/cm3, mientras que la segunda suspensión puede tener una densidad superior a 1,6g/cm3, preferentemente, superior a 1,9 g/cm3.

La primera suspensión se puede preparar con un contenido de sólidos más bajo para evitar, por ejemplo, problemas de obstrucción o bloqueo en el proceso de pulverización automática. La segunda suspensión se puede preparar con un mayor contenido de sólidos, por ejemplo, para formar una suspensión estable sin sedimentación y para permitir la impresión de puntos sobresalientes.

Cabe señalar que las posibles características y/o beneficios de las realizaciones de la presente invención se describen en el presente documento en parte con respecto a un crisol y en parte con respecto a un método para preparar un crisol. Un experto en la técnica entenderá que las características descritas para las realizaciones del crisol se pueden aplicar de forma análoga en una realización del método de acuerdo con la invención, y viceversa.

Breve descripción del dibujo

En lo sucesivo, se describirán realizaciones de la invención con referencia al dibujo adjunto. Sin embargo, ni el dibujo ni la descripción se interpretarán como limitantes de la invención.

La figura 1 muestra una vista en sección a través de un crisol de acuerdo con una realización de la presente invención.

La figura es sólo una representación esquemática y no está a escala.

Descripción de las realizaciones preferidas

La figura 1 muestra una sección transversal a través de un crisol 1 de acuerdo con una realización de la presente invención. El crisol 1 es de tipo cuadrado, es decir, tiene forma de caja o forma cuboide. Son posibles otras geometrías para el crisol.

El crisol 1 comprende un recipiente 3 similar a una cacerola que tiene una pared inferior 5 y paredes laterales 7. La pared inferior 5 es generalmente rectangular y horizontal, mientras que las paredes laterales 7 son rectangulares y sustancialmente verticales. La pared inferior 5 y las paredes laterales 7 pueden formar un componente integral que forma todo el recipiente 3. Como alternativa, la pared inferior 5 y las paredes laterales 7 pueden ser componentes separados y pueden montarse juntas para formar todo el recipiente 3. Las paredes 5, 7 pueden formarse usando componentes en forma de lámina. Por ejemplo, las paredes 5, 7 pueden estar hechas con láminas de sílice fundida. Típicamente, la pared inferior 5 tiene una longitud de varias decenas de centímetros y una anchura de varias decenas de centímetros. Las paredes laterales 7 típicamente tienen una altura de varias decenas de centímetros y una anchura de varias decenas de centímetros. La pared inferior 5 y las paredes laterales 7 suelen tener un grosor en el intervalo de unos pocos milímetros hasta unos pocos centímetros, por ejemplo, entre 3 mm y 10 cm.

La pared inferior 5 y las paredes laterales 7 rodean una porción interna 9 del recipiente 3. En este sentido, el recipiente 3 está preferentemente abierto en su parte superior.

Las superficies internas de la pared inferior 5 y las paredes laterales 7 están recubiertas con una fina capa de recubrimiento 11. La capa de recubrimiento 11 comprende o consiste en nitruro de silicio como material resistente a la temperatura. Por lo tanto, la capa de recubrimiento 11 puede resistir las temperaturas muy altas de una masa fundida de silicio que se vierte en el recipiente 3. Preferentemente, la capa de recubrimiento 11 tiene un grosor de 400 a 500 pm. Preferentemente, la capa de recubrimiento 11 es sustancialmente homogénea, es decir, no comprende partículas macroscópicas distintas de las partículas de polvo de nitruro de silicio usadas para formar la capa de recubrimiento 11. Particularmente, la capa de recubrimiento 11 puede tener un grosor macroscópicamente homogéneo y puede tener una superficie macroscópicamente uniforme, preferentemente plana. Las porciones de la capa de recubrimiento 11 que cubren las paredes laterales 7 del recipiente 3 preferentemente no están cubiertas por ninguna otra capa, es decir, están expuestas hacia la porción interna 9 del recipiente 3.

En la pared inferior 5, se aplica una capa adicional encima de la capa de recubrimiento 11. Esta capa adicional es una capa de salientes con patrón 13 que cubre preferentemente toda la superficie interna de la pared inferior 5. Por consiguiente, en la pared inferior 5, la capa de recubrimiento 11 no está expuesta sino que está cubierta por la capa de salientes con patrón superpuesta 13.

Como se ve en la vista ampliada de la figura 1, la capa de salientes con patrón 13 comprende una matriz 15 en la que están incrustadas múltiples partículas 17. En este sentido, la matriz 15 comprende nitruro de silicio como material resistente a la temperatura. Las partículas 17 consisten en un material potenciador de la nucleación tal como sílice. Las partículas 17 sobresalen más allá de la superficie superior expuesta de la matriz 15. De este modo, las partículas sobresalientes 17 forman una especie de patrón con puntas potenciadoras de la nucleación que sobresalen hacia la porción interna 9 del recipiente 3.

Las partículas de sílice 17 pueden tener tamaños típicos en un intervalo de 100 pm a 1 mm. El tamaño de un patrón, es decir, una distancia lateral promedio entre las partículas sobresalientes vecinas adyacentes 17, puede estar en un intervalo típico de 1 a 2 mm. La altura sobresaliente de las partículas 17 puede estar en un intervalo de 1 a 2 mm.

Finalmente, se explican las etapas de un método para preparar o fabricar un crisol 1 con respecto a una realización de ejemplo.

Para preparar o fabricar el crisol 1, en primer lugar, se proporciona un recipiente 3 con una pared inferior 5 y paredes laterales 7.

A continuación, se puede preparar una primera suspensión de recubrimiento de nitruro de silicio mezclando polvo de nitruro de silicio de alta pureza, agua desionizada, agente aglutinante y agente dispersante. Dicha primera suspensión puede, por ejemplo, pulverizarse o depositarse de otras maneras, tales como serigrafía, sobre las superficies internas de la pared inferior 5 y las paredes laterales 7 del crisol de sílice fundida de tipo cuadrado 1. En este sentido, la primera suspensión puede aplicarse con un grosor de recubrimiento especificado deseado de, por ejemplo, entre 400 y 500 pm. El recubrimiento se realiza típicamente a temperaturas de recubrimiento elevadas de entre 40 y 50 °C.

Después de que la capa de recubrimiento 11 se haya aplicado de tal manera, se prepara una segunda suspensión con polvo de nitruro de silicio, agua desionizada, un agente aglutinante y un agente humectante. En este sentido, el agente humectante puede estar formado por partículas 17 hechas de un material potenciador de la nucleación tal como partículas de arena de sílice. Preferentemente, esta segunda suspensión se aplica sólo a la superficie interna de la pared inferior 5 o de la capa de recubrimiento 11 aplicada previamente sobre la misma.

Mientras que la primera suspensión tiene una densidad relativamente baja de, por ejemplo, 1,37 g/cm3, y una viscosidad baja de, por ejemplo, 2,96 cP, la segunda suspensión tiene una densidad más alta de, por ejemplo, 1,96 g/cm3, y una viscosidad más alta de aproximadamente 700 cP.

Después de haber aplicado la capa de recubrimiento 11 y la capa de salientes con patrón 13 sobre las superficies internas de las paredes 5, 7 del recipiente 3, el crisol recubierto 1 se cuece a alta temperatura y en condiciones atmosféricas abiertas. En tales condiciones, la primera y segunda suspensiones se solidifican y forman una capa de recubrimiento densa 11 y una capa de salientes con patrón 13, respectivamente.

Los lingotes de silicio cultivados con dicho crisol 1 pueden mostrar defectos de densidad de dislocación reducida. Como resultado de lo mismo, las celdas solares producidas con obleas de silicio cortadas de dichos lingotes pueden tener una eficiencia de conversión mejorada.

Finalmente, cabe señalar que expresiones como "que comprende" no excluyen otros elementos o etapas y "un" o "una" no excluyen una pluralidad. También se pueden combinar elementos descritos en asociación con diferentes realizaciones. También debe observarse que los signos de referencia en las reivindicaciones no deben interpretarse como limitantes del alcance de las reivindicaciones.

Signos de la lista de referencia

I crisol

3 recipiente

5 pared inferior

7 pared lateral

9 porción interna

I I capa de recubrimiento

13 capa de salientes con motivos

15 matriz

17 partículas

Claims

REIVINDICACIONES

1. Crisol (1) para el cultivo de lingotes de silicio, comprendiendo el crisol:

un recipiente (3) que tiene una pared inferior (5) y paredes laterales (7) que rodean una porción interna (9) del recipiente;

una capa de recubrimiento (11) aplicada a las superficies internas de la pared inferior y las paredes laterales, comprendiendo la capa de recubrimiento un material resistente a la temperatura compatible con el crecimiento de lingotes a partir de silicio fundido;

una capa de salientes con patrón (13) aplicada a la superficie interna de la capa de recubrimiento (11) de la pared inferior, comprendiendo la capa de salientes con patrón:

una matriz (15) que consiste en nitruro de silicio y adaptada para formar un agente no humectante cuando está en contacto con la masa fundida de silicio líquido y que comprende además

partículas (17) de un material potenciador de la nucleación que es uno de arena de sílice (SO<2>), carburo de silicio (SiC) y carbono (C), que está adaptado para formar un agente humectante cuando está en contacto con una masa fundida de silicio líquido de modo que una masa fundida de silicio líquido que entre en contacto con las partículas pueda humedecer estas partículas,

siendo la capa de salientes con patrón (13) aplicada de tal manera y estando las partículas (17) adaptadas de manera que las partículas sobresalgan localmente de la matriz (15)

teniendo las partículas (17) del material potenciador de la nucleación tamaños de entre 100 pm y 1 mm.

2. El crisol de la reivindicación 1, en donde la capa de salientes con patrón (13) se aplica exclusivamente a la superficie interna de la capa de recubrimiento (11) de la pared inferior (5).

3. El crisol de una de las reivindicaciones anteriores, en donde la capa de salientes con patrón (13) tiene un grosor de entre 0,3 mm y 3 mm, preferentemente, de entre 1 mm y 2 mm.

4. El crisol de una de las reivindicaciones anteriores, en donde las partículas (17) del material potenciador de la nucleación que sobresalen de la matriz (15) están comprendidas en la capa de salientes con patrón con una densidad de área de entre 1 y 10 cm-2, preferentemente, de entre 7 y 10 cm-2.

5. El crisol de una de las reivindicaciones anteriores, en donde la capa de recubrimiento (11) tiene un grosor de entre 0,1 mm y 1 mm, preferentemente, de entre 0,4 mm y 0,5 mm.

6. El crisol de una de las reivindicaciones anteriores, en donde el material resistente a la temperatura contenido en la capa de recubrimiento es nitruro de silicio.

7. El crisol de una de las reivindicaciones anteriores, en donde la capa de recubrimiento (11) se aplica usando una primera suspensión que comprende polvo de nitruro de silicio y, preferentemente, que comprende además un agente aglutinante, un agente dispersante y agua desionizada.

8. El crisol de una de las reivindicaciones anteriores, en donde la capa de salientes con patrón (13) se aplica usando una segunda suspensión que comprende polvo de nitruro de silicio y partículas del material potenciador de la nucleación y, preferentemente, que comprende además un agente aglutinante, un agente dispersante y agua desionizada.

9. Un método para preparar un crisol (1) para cultivar lingotes de silicio, comprendiendo el método:

proporcionar un recipiente (3) que tiene una pared inferior (5) y paredes laterales (7) que rodean una porción interna (9) del recipiente; aplicar una capa de recubrimiento (11) a las superficies internas de la pared inferior y las paredes laterales, comprendiendo la capa de recubrimiento un material resistente a la temperatura compatible con el crecimiento de lingotes a partir de silicio fundido;

aplicar una capa de salientes con patrón (13) a la superficie interna de la capa de recubrimiento (11) de la pared inferior, comprendiendo la capa de salientes con patrón una matriz (15) que consiste en nitruro de silicio y adaptada para formar un agente no humectante cuando está en contacto con la masa fundida de silicio líquido, y que comprende además partículas (17) de un material potenciador de la nucleación que es uno de arena de sílice (SO<2>), carburo de silicio (SiC) y carbono (C), que está adaptado para formar un agente humectante cuando está en contacto con una masa fundida de silicio líquido de modo que una masa fundida de silicio líquido que entre en contacto con las partículas pueda humedecer estas partículas,

en donde la capa de salientes con patrón (13) se aplica de tal manera y las partículas (17) están adaptadas de manera que las partículas sobresalgan localmente de la matriz (15), y

en donde las partículas (17) del material potenciador de la nucleación tienen tamaños de entre 100 pm y 1 mm.

10. El método de la reivindicación 9, en donde la capa de recubrimiento (11) se aplica usando una primera suspensión que comprende polvo de nitruro de silicio y la capa de salientes con patrón (13) se aplica usando una segunda suspensión que comprende polvo de nitruro de silicio y partículas (17) del material potenciador de la nucleación.

11. El método de la reivindicación 10, en donde la primera suspensión tiene una viscosidad menor que la segunda suspensión.

12. El método de una de las reivindicaciones 10 a 11, en donde la primera suspensión tiene una densidad menor que la segunda suspensión.