CN101220507A - 一种用于太阳能电池的硅晶片的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于太阳能电池的硅晶片的制备方法,先对精炼冶金硅进行破碎,除去可见杂质、化学清洗,再投入晶棒(锭)生长炉中,同时掺入镓或磷化镓,以镓的原子浓度计量,添加量在5ppma至14ppma之间,在晶棒(锭)生长完成后进行剖锭加工测量,获得所需的硅晶片。采用本发明的方法,可以用精炼冶金硅制造太阳能电池,降低了材料成本,有利于硅太阳能电池的普及应用。

Description

一种用于太阳能电池的硅晶片的制备方法
技术领域
本发明涉及一种制造太阳能电池用硅基片的方法,具体涉及一种用精炼冶金硅制备用于太阳能电池的低成本硅晶片的方法。
背景技术
随着现代工业的发展,对能源的需求越来越大,但常规能源在使用中会释放出大量的二氧化碳气体,导致全球性的“温室效应”,为此各国力图摆脱对常规能源的依赖,加速发展可再生能源。作为最理想的可再生能源之一,太阳能的利用得到了高度重视。虽然太阳能电池方面的研究已经进行了三、四十年,然而,近年来太阳能电池才得到大规模应用。太阳能工业的高速发展大大降低了其制造成本,但同时也使太阳能硅材料成本价格的迅速上升,从而使得太阳能电池的整体应用成本仍较高。
现有技术中,常规用于制备太阳能电池的硅材料,要求纯度在7N以上,其材料成本价格很高。如何以纯度较低的硅基片来制造太阳能电池,成为人们研究的一个焦点。精炼冶金硅的成本价格较低,但磷硼杂质含量相对较高,当采用该材料制备可用于太阳能电池的硅晶片时,因硼是一种受主杂质,当硼的含量较高时,硅材料表现为P型,磷则是一种施主杂质,当磷含量较高时,硅材料表现为N型,由于硼在硅中的分凝系数为0.8,而磷的在硅中的分凝系数为0.33,硼在晶体生长后的硅棒中分布较为均匀,磷则在后端的含量较高,因而,在中后段,磷的含量增高会导致硅晶棒(锭)材料出现反型,该部分材料不能用于制备太阳能电池的硅晶片。造成材料的利用率较低
如果能使晶体生长过程中硅晶棒(锭)的反型点向尾端移动,即增加硅材料的利用率,从而降低太阳能电池的材料成本。
发明内容
为了解决上述问题,本发明的目的是,提供一种用于太阳能电池的低成本硅晶片的制备方法,通过对精炼冶金硅的处理,提高所生长的晶棒(锭)长度的利用率,以便降低太阳能电池的材料成本。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:一种用于太阳能电池的硅晶片的制备方法,先对磷硼含量相对较高的精炼冶金硅进行破碎,除去可见杂质(如夹层杂质)、化学清洗,再投入晶棒或晶锭生长炉中,同时向硅原料中加入镓或磷化镓,以镓的原子浓度计,添加量在5ppma至14ppma之间,在晶棒或晶锭生长完成后进行剖锭加工测量,获得所需的硅晶片。
上述技术方案中,对精炼冶金硅进行破碎及去除杂质的过程是现有技术,所述的去除杂质步骤通常包括:①分拣挑选去除肉眼可见杂质;②超声清洗;③化学清洗(在硝酸和氢氟酸的混合酸液中清洗,以去除可能含有的表面杂质)。所述的晶棒(锭)生长过程包括在坩埚中进行加热,并用氩气保护,当加热温度超过硅的熔点1412℃时,硅被熔化,在此过程中,镓被均匀扩散到熔化的液态硅中。由于镓在硅中的分凝系数为0.008,镓对晶棒前部的杂质浓度的影响可以忽略不计,但其在晶棒(锭)后端的含量则呈指数增加,由于镓与硼一样属于受主杂质,因而,镓含量的增加,可以补偿由于磷含量增加造成的影响,使得晶棒(锭)反型向尾部推移,从而提高晶棒(锭)的可利用率。
根据需要制作的太阳能电池片的不同要求,所述晶棒生长可以采用直拉单晶硅制备工艺,获得的硅片为单晶硅片。
或者,所述晶锭生长采用浇铸多晶硅制备工艺,获得的硅片为多晶硅片。
其中,单晶硅和多晶硅的制备工艺均为现有技术。
由于上述技术方案运用,本发明与现有技术相比具有下列优点:
本发明添加了在硅中分凝系数较低又与硼同样可作为受主杂质的镓,再进行晶棒(锭)生长,从而降低了在晶棒(锭)结晶后段磷的含量较快增加造成的施主杂质含量相对受主杂质含量快速增加的趋势,使得晶棒(锭)反型向尾部推移,从而提高了晶棒(锭)的利用率。因而,可以用精炼冶金硅(5~6N)制造太阳能电池,达到较高的材料利用率,降低了材料成本,有利于硅太阳能电池的普及应用。
附图说明
图1是本发明实施例一的工艺流程示意图;
图2是实施例一中添加镓后的单晶硅中的净杂质浓度分布图(虚线所指0.68处为反型点);
图3是对比例一中未添加镓的单晶硅中的净杂质浓度分布图(虚线所指0.61处为反型点)。
具体实施方式
下面结合实施例和对比例对本发明作进一步描述:
实施例一:参见附图1所示,一种用于太阳能电池的硅晶片的制备方法,将精炼冶金硅破碎至适当大小后(如果来料的夹层含杂比较多,所破碎的硅块直径不大于4cm),经过初步挑选除去杂质后,放入超声波清洗器中清洗,取出后再放入硝酸和氢氟酸的混合酸液中清洗,以除去表面杂质,然后放入高纯的石英坩埚中,加入原子浓度12.0ppma的镓,将石英坩埚放入单晶炉中的石墨坩埚中,然后将单晶炉抽成真空,再充入氩气作为保护气,炉体加热升温,加热温度超过硅材料的熔点,使坩埚内的原料熔化,保温,使液态硅的温度、流动达到稳定及镓均匀分布,进行晶体生长,得到单晶硅晶棒。其中,晶体生长过程包括种晶、缩颈、放肩、等径、收尾等过程,采用通常的单晶硅生长方法进行。剖锭加工测量,得到单晶硅片。
本实施例中,获得的单晶硅中硼和磷的浓度分别为4.15ppma和6.08ppma。由图2可以看出,经过本实施例处理,硅晶棒的长度利用率为68%。
将本实施例处理后的硅片按通常的工艺制作成单晶硅电池片,检测表明,其光电转换效率平均为14.5%。
对比例一:
采用实施例一相同的低纯度多晶硅,不加入镓,其它处理与实施例一相同,最后获得单晶硅片。
参见附图3可见,采用同样的工艺但没有加入镓,但硅晶棒的长度利用率仅为61%。
可见,实施例一相比对比例一,硅晶棒的长度利用率增加了7%。
实施例二:一种用于太阳能电池的硅晶片的制备方法,将精炼冶金硅破碎至适当大小后,经过初步挑选除去杂质后,放入超声波清洗器中清洗,取出后再放入硝酸和氢氟酸的混合酸液中清洗,以除去表面杂质;然后放入高纯的石英坩埚,并添加原子浓度12.2ppma的镓,将石英坩埚放在热交换台(多晶生长炉)上,炉内抽真空使压力降至0.05~0.1mbar,通入氩气作为保护气,炉内压力维持在400~600mbar左右;缓慢加热至1200~1300℃左右,该过程时间4至5小时;逐渐增加加热功率,使石英坩埚内的温度达到1500℃左右,硅原料开始熔化,保温至化料结束,整个过程约需9至12小时;降低加热功率至硅熔点附近,然后石英坩埚逐渐向下移动,或者隔热装置逐渐上升,使熔体温度自底部开始降低,晶体硅首先在底部形成,并呈柱状向上生长,生长过程中固液界面尽量保持水平,直至晶体生长完成,该过程约需20至22小时;保持在熔点附近退火2至4小时,最后冷却降温,通入氩气使炉内气压上升至大气压,即获得所需的多晶硅晶锭。剖锭加工测量,得到多晶硅片。
本实施例中,获得的多晶硅中硼和磷的浓度分别为4.21ppma和6.17ppma。经过本实施例的处理,硅晶锭的长度利用率为67%。
将本实施例处理后的硅片按通常的工艺制作成多晶硅电池片,检测表明,其光电转换效率平均为13.6%。
根据原料中磷的含量情况,本实施例中,也可以在硅原料中加入磷化镓。
对比例二:
将实施例二相同的低纯度多晶硅采用实施例二相同方法进行定向结晶,但过程中不加入镓,同样获得多晶硅片。
结果表明,由于没有加入镓,即使进行了酸洗和定向结晶等处理,使杂质区域化,可以用于制作太阳能电池,但硅晶锭的长度利用率为61%。
另外,将本对比例获得的多晶硅片按通常的工艺制作成多晶硅电池片,检测表明,其光电转换效率平均为13.4%。
可见,实施例二相比对比例二,硅晶锭的长度利用率增加了6%。

Claims (3)

1.一种用于太阳能电池的硅晶片的制备方法,先对精炼冶金硅进行破碎,除去可见杂质、化学清洗,再投入晶棒或晶锭生长炉中进行晶体生长,在晶棒或晶锭生长完成后进行剖锭加工测量,获得所需的硅晶片,其特征在于:在精炼冶金硅投入晶棒或晶锭生长炉的同时掺入镓或磷化镓,以镓的原子浓度计量,添加量在5ppma至14ppma之间。
2.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的硅晶片的制备方法,其特征在于:所述晶棒生长采用直拉单晶硅制备工艺,获得的硅片为单晶硅片。
3.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的硅晶片的制备方法,其特征在于:所述晶锭生长采用浇铸多晶硅制备工艺,获得的硅片为多晶硅片。
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