CN101368291A - 一种多晶硅片的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种用于生产太阳能电池的多晶硅片的制造方法，是将熔融的硅熔体浸润到一个耐高温面，硅熔体在耐高温面上结晶成多晶硅片，硅片的厚度由结晶的时间来控制。它是一种使熔融状态的硅直接结晶成薄片硅的方法，因此可以提高硅材料的利用率，可以制造出200微米以下厚度的硅片，从而降低太阳能电池的成本。

Description

一种多晶硅片的制造方法

技术领域：

本发明涉及一种用于生产太阳能电池的多晶硅片的制造方法。

背景技术：

目前的太阳能电池大多数是用晶体硅片制造，晶体硅片分为单晶硅片和多晶硅片，由于多晶硅片的成本较低，现在的太阳能电池越来越多地使用多晶硅片。但是目前的多晶硅片的制造方法是对结晶成型后的块状硅锭进行机械切割的方式来制造的，这种方法有两个主要的缺点，一个是这种切割方式的硅材料消耗太大，会损失切割过程中产生的硅粉末，这种方法的硅材料的利用率一般只有百分之五十左右；另一个缺点是切割法的硅片由于机械切割的技术限制不能割的很薄，一般只能达到200微米左右，而实际的太阳能电池所需要的硅片厚度只需要50微米左右，这样厚的硅片会造成太阳能电池的硅材料的利用率很低。这两个缺点都会降低制造太阳能电池的硅材料的利用率，而用于制造太阳能电池的高纯硅的成本非常高，硅片是太阳能电池的最大成本的部分，因此低的硅材料的利用率是目前多晶硅片制造的太阳能电池价格居高不下的主要原因，从而影响了太阳能电池的普及。

发明内容：

为了解决制造多晶硅片过程中硅材料的消耗大和硅片较厚的问题，从而达到降低制造多晶硅太阳能电池成本的目的，本发明提供一种制造多晶硅片的方法，可以降低制造多晶硅片过程中硅材料的消耗，并且可以减薄硅片的厚度。

本发明为了实现上述目的，是通过下述的技术方案。

本发明是一种使熔融状态的硅直接结晶成薄片硅的方法，其具体是通过以下的方法来实现：将熔融状态的硅熔体浸润到一个耐高温面上，这个耐高温面可以是平面，也可以是曲面，是用陶瓷、石墨或金属材料制成，在这个耐高面上设有温度控制装置，可以使这个耐高温面处于设定的温度，将这个耐高温面的温度控制在硅的熔点1415摄氏度以下，由于这个耐高温面的温度低于硅的熔点，浸润在这个耐高温面上的硅原子就会在这个面上开始结晶，结晶的硅原子与未结晶的硅熔体界面就是结晶面，由于这个耐高温面和硅熔体有温度差，在结晶面上会形成一个温度梯度，温度梯度方向基本垂直于结晶面，可以生长出适于太阳能电池的柱状结晶多晶硅片，这对制造出高性能太阳能电池用硅片至关重要。硅片的结晶厚度，是由结晶的时间和结晶的速度来控制的，结晶的速度主要取决于结晶面的温度梯度，在给定的耐高温面和硅熔体的温度差，结晶速度基本不变，硅片的结晶厚度完全取决于结晶的时间，适当地控制结晶时间就可以得到指定厚度的硅片，硅片得厚度范围可以在10微米到300微米之间。当硅片结晶到指定的厚度时，未结晶的硅熔体仍然浸润在结晶面上，如果没有外力将硅熔体从结晶面上分离，它将会吸附在硅片表面，影响硅片的厚度和表面的平整度，这里的方案是在硅片分离硅熔体的时候，使硅片处于竖立或倾斜状态，在硅熔体自身重力的作用下，硅熔体的重力将会大于它与硅片表面的吸附力，从而使吸附的硅熔体从竖立或倾斜的硅片表面流掉，实现吸附的硅熔体与硅片的分离，保证了硅片的厚度和表面平整度。

本发明主要有两个优点：其中一个优点是可以将多晶硅的原料几乎全部利用制成硅片，没有切割方法的硅材料损失，另一个优点是本发明可以将硅片制成很薄，可以低于200微米，这是切割方法无法做到的。这两个优点都可以节省制造太阳能电池硅片的硅材料，从而降低太阳能电池的成本。

下面结合附图和两个优选方案的实施例对本发明进一步说明。

附图说明：

图1是本发明的实施例1的示意图，图1中：坩埚1，硅熔体2，结晶界面3，结晶旋转辊4，结晶旋转辊轴5，硅片6，左侧输出旋转辊7，左侧输出旋转辊轴8，右侧输出旋转辊9，右侧输出旋转辊轴10。

图2是本发明的实施例2的示意图，图2中：模具1，模板2，硅熔体进出口3，空气进出口4，硅熔体5，模板底面6。

图3是本发明的实施例2的模具与模板分离情况的示意图，图3中：模具1，模板2，硅熔体进出口3，空气进出口4，硅片7。

实施例1：该实施例的示意图如图1所示，这个实施例主要由坩埚1、结晶旋转辊4、左侧输出旋转辊7和右侧输出旋转辊9等构成，坩埚1由耐高温的材料制成，一般如陶瓷、石墨或高熔点金属材料，坩埚内装有多晶硅的原料，在坩埚的加热器加热下，将多晶硅原料熔化为硅熔体2，坩埚1上方设有结晶旋转辊4，结晶旋转辊是由耐高温材料制成，一般如陶瓷、石墨或高熔点金属材料，结晶旋转辊的一半浸入硅熔体。结晶旋转辊的表面就是上述的耐高温面，在结晶旋转辊上设有温度控制装置，可以设定结晶旋转辊的表面温度。将结晶旋转辊表面的温度控制在硅熔点1415摄氏度以下，由于这时结晶旋转辊表面的温度低于硅的熔点，熔融的硅原子就会在结晶旋转辊表面上结晶形成硅片，由于硅熔体温度高于硅的熔点，结晶旋转辊表面和硅熔体之间有温度差，就会在结晶界面3形成一个基本垂直与结晶面的温度场梯度，这个梯度可以有助于形成有利的柱状硅晶体。在温度场梯度不变的情况下，结晶的时间越长，结晶的硅片厚度也就越厚，硅片的厚度就可以通过结晶的时间来控制，可以将其控制在10微米到300微米的范围。在结晶的同时，结晶旋转辊也在旋转，可以将结晶完的硅片6从硅熔体中输出，硅片离开硅熔体液面时，由于原子间的作用力，硅片上会吸附硅熔体，如果没有办法除去附着的硅熔体，附着的硅熔体将很快凝固，影响硅片的厚度和表面的平整度。为了解决这个问题，该实施例中的方法是通过结晶旋转辊4的旋转使结晶完的硅片离开硅熔体液面，离开硅熔体液面的硅片表面正好由于旋转处于竖立状态，通过调整硅熔体液面的高度也可以将其调整到倾斜状态，在重力作用下，由于硅熔体的重量大于硅原子之间的吸附力，硅熔体就无法附着在硅片上，从而保证了硅片的厚度和平整度。在结晶旋转辊4上方设有两个反向旋转的输出旋转辊，分别是左侧输出旋转辊7和右侧输出旋转辊9，两个辊并排夹住从结晶旋转辊上输出的硅片6，在摩擦力的作用下将硅片6不断地从结晶旋转辊输出，旋转的速率与结晶速度相匹配，这样就可以连续地制造出指定厚度的多晶硅片。

实施例2：该实施例的侧面截面示意图如图2所示，这个实施例主要由模具1、模板2、硅熔体进出口3和空气进出口4等构成，上面的实施例1是一种连续制造硅片方式，本实施例是一片一片地非连续地制造硅片的方式。模具1采用耐高温材料制成，一般是陶瓷、石墨材料或高熔点金属，模具1是一个凹形容器，凹形容器的底面是一个平面，在凹形容器的上下两侧分别有两个通孔，它们分别是硅熔体进出口3和空气进出口4。模板2是盖在模具1上的，模具1的凹坑和模板2之间就形成了一个封闭的空间，模板2也是采用高温材料制成，一般是陶瓷、石墨材料或高熔点金属，模板底面6就是上述的耐高温面。模具和模板上分别都设有温度控制装置，分别可以控制模具和模板的温度。可以将模具的温度控制在硅熔点摄氏1415度以上，模板底面温度也控制在硅熔点1415摄氏度左右，从硅熔体进出口3将熔融的硅熔体注入到由模具和模板构成的封闭空间之中，直至将封闭空间完全注满，空气进出口4的作用是可以排出封闭空间内的空气。这时硅熔体完全将封闭空间内部分的模板底面6浸润，此时将模板的温度控制到低于硅的熔点，注入的硅熔体就会在模板底面6上结晶，模具的温度在硅熔点以上，模具和模板之间有个温度差，就会在结晶的界面形成一个基本垂直于结晶界面温度场梯度，这个梯度可以有助于形成有利的柱状硅晶体。在温度场梯度不变的情况下，结晶的厚度由结晶的时间决定，控制结晶的时间，可以将硅片的厚度控制在10微米到300微米的范围。当硅片结晶到指定的厚度，可以将封闭空间内未结晶的硅熔体从硅熔体进出口3排出。由于模板和模具是竖立放置，也可以倾斜放置，在重力作用下，吸附的硅熔体会顺着硅片表面流掉，不会吸附在硅片上，从而保证了硅片的厚度和平整度。未结晶的硅熔体排出后，将模具和模板分离，如图3所示，就可以得到模板的底面上附着的结晶完的多晶硅片7。

Claims (10)

1.一种多晶硅片的制造方法，其特征在于：将熔融的硅熔体浸润到一个耐高温面上，可以设定这个耐高温面的温度，硅熔体会在这个耐高温面上结晶成硅片，硅片厚度由结晶的时间来控制，利用硅熔体的重力将吸附在硅片上的硅熔体从硅片上分离。

2.根据权利要求1所述的一种多晶硅片的制造方法，其特征在于：将熔融的硅熔体浸润到一个耐高温面上。

3.根据权利要求1所述的一种多晶硅片的制造方法，其特征在于：可以设定这个耐高温面的温度。

4.根据权利要求1所述的一种多晶硅片的制造方法，其特征在于：硅熔体会在这个耐高温面上结晶成硅片。

5.根据权利要求1所述的一种多晶硅片的制造方法，其特征在于：硅片厚度由结晶的时间来控制。

6.根据权利要求1所述的一种多晶硅片的制造方法，其特征在于：利用硅熔体的重力将吸附在硅片上的硅熔体从硅片上分离。

7.根据权利要求1所述的一种多晶硅片的制造方法，其特征在于：耐高温面可以是旋转辊的表面。

8.根据权利要求7所述的一种多晶硅片的制造方法，其特征在于：硅片离开硅熔体液面的时候，离开硅熔体液面的硅片表面处于竖立或倾斜状态。

9.根据权利要求1所述的一种多晶硅片的制造方法，其特征在于：模具1和模板2之间形成一个封闭的空间，耐高温面就是模板底面6。

10.根据权利要求9所述的一种多晶硅片的制造方法，其特征在于：模板1和模具2是竖立或倾斜放置。

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