CN101851779A - 一种太阳能电池单晶硅片的制造方法 - Google Patents

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李金甫
屠勇勇
肖冀
季炯
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Abstract

本发明涉及一种太阳能电池的单晶硅片的制造方法，依次包括准备、配料、拉棒和切割步骤，拉棒步骤包括熔化、挥发、种晶、缩颈、放肩、拉晶、收尾和冷却过程。其中，在配料步骤中，采取以原生多晶硅为主原料并掺硼母合金的配方，或者以原生多晶硅为主原料配以循环料的配方；在拉棒步骤中，控制坩埚转速为1rpm～8rpm以降低硅熔融液的氧浓度，控制晶棒转速为3rpm～12rpm以改善生长晶棒中氧的径向分布，并控制晶棒拉速为0.8mm/min～3mm/min。所生产的单晶硅片氧含量低且分布均匀，所制成的单晶硅太阳能电池质量上佳，光电转换效率高、衰减低。

Description

一种太阳能电池单晶硅片的制造方法
技术领域
本发明属于绿色能源太阳能电池技术领域，特别是涉及一种高效能太阳能电池的单晶硅片的制造方法。
背景技术
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的绿色能源。太阳能电池是太阳能光伏发电系统的主要组件，其中单晶硅太阳能电池是目前发展最快的一种太阳能电池。单晶硅片的品质直接影响着单晶硅太阳能电池的质量，提高单晶硅片的品质是生产高效能太阳能电池的前提。目前，国内外普遍采用传统直拉生长法生产单晶硅，然后经切割制成单晶硅片。研究表明，单晶硅太阳能电池衰减高的根源在于氧，氧与硼结合形成了硼氧复合体是导致衰减的罪魁祸首。虽然直拉生长法生产工艺比较成熟，成品率也较高，而且生产成本相对较低，但该方法生产的单晶硅氧含量过高且分布不均，直接导致所制成的单晶硅太阳能电池质量不佳，特别是其光电转换效率低、衰减高。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的缺陷，提出了一种生产高效能太阳能电池单晶硅片的方法，由该方法生产的单晶硅片氧含量低且分布均匀，所制成的单晶硅太阳能电池质量上佳，光电转换效率高、衰减低。
本发明解决技术问题所采取的技术方案是：一种太阳能电池单晶硅片的制造方法，依次包括准备、配料、拉棒和切割步骤，所述拉棒步骤包括熔化、挥发、种晶、缩颈、放肩、拉晶、收尾和冷却过程；其中，
(1)在所述配料步骤中，采取以原生多晶硅为主原料并掺硼母合金的配方，或者以原生多晶硅为主原料配以循环料的配方；
(2)在所述拉棒步骤中，控制坩埚转速为1rpm～8rpm以降低硅熔融液的氧浓度，控制晶棒转速为3rpm～12rpm以改善生长晶棒中氧的径向分布，并控制晶棒拉速为0.8mm/min～3mm/min。
作为一种优选，在所述配料步骤中，所述掺硼母合金的配方以质量份计为：原生多晶硅100份，电阻率为0.0015Ω·cm硼母合金0.22份～0.24份。
作为一种优选，在所述配料步骤中，所述配以循环料的配方以质量百分计为：原生硅30％～40％，循环料60％～70％。
作为一种优选，在所述拉棒步骤中，挥发过程控制所述坩埚转速为5rpm～8rpm；拉晶过程控制所述坩埚转速为6rpm～8rpm，控制所述晶棒转速为10rpm～12rpm并控制所述晶棒拉速为0.8mm/min～1.2mm/min；收尾过程控制所述坩埚转速为1rpm～5rpm，控制所述晶棒转速为3rpm～10rpm并控制所述晶棒拉速为1.2mm/min～3mm/min。
作为进一步的优选，在所述拉棒步骤中，挥发过程控制所述坩埚转速为6rpm；拉晶过程控制所述坩埚转速为8rpm，控制所述晶棒转速为12rpm并控制所述晶棒拉速为1.1mm/min；收尾过程控制所述坩埚转速为2rpm，控制所述晶棒转速为5rpm并控制所述晶棒拉速为2.5mm/min。
本发明所述的循环料是指在拉晶过程中，或拉晶后单晶硅棒加工成单晶硅片过程中所产生的边角料，如：头尾料，埚底料、提肩料、边片料及一些碎片等。
具体地说，本发明所提供的一种太阳能电池单晶硅片的制造方法，其包括准备、配料、拉棒和切片步骤，所述拉棒步骤包括熔化、挥发、种晶、缩颈、放肩、拉晶、收尾和冷却过程。所述准备步骤包括原料的准备和设备的准备，其中主要对原生多晶硅进行清洗，除去金属等杂质，同时单晶炉进行整理，完成装料前的准备。
所述配料步骤，采取以原生多晶硅为主原料并掺硼母合金的配方，或者以原生多晶硅为主原料配以循环料的配方；将配方原料装载到单晶炉的石英坩埚中。
装载完成后，对单晶炉抽真空并充入高纯保护气体氩气，进入拉棒步骤。在所述拉棒步骤中，包括熔化、挥发、种晶、缩颈、放肩、拉晶、收尾和冷却过程。在熔化过程中，对单晶炉加热升温，温度超过硅材料的熔点，使其熔化。硅材料全部熔化后需保温一段时间，此为挥发，使熔融硅液的温度和流动性得以稳定。然后是种晶过程，首先将单晶籽晶固定在旋转的籽晶轴上，然后缓缓下降籽晶轴，距液面数毫米时暂停片刻，使籽晶温度尽量接近熔融硅液温度，以减少可能的热冲击；接着将籽晶轻轻浸入熔融硅液中，使头部少量熔化；然后和熔融硅液形成一个固液界面，随后籽晶逐步上升，与籽晶粘连并慢慢离开固液界面的硅液的温度降低，形成单晶硅。种晶完成后是缩颈过程，籽晶应尽快向提升，使晶体生长速度加快。放肩过程，缩颈完成后晶体生长速度大大放慢，而直径急速增大至预定直径。然后进入拉晶过程，拉晶过程即等径生长的过程，晶体生长速度加快并以几乎固定的速度和固定的直径生长。收尾过程，在等径生长过程结束后，应使晶体的直径慢慢缩小，直到形成一尖点而与熔融硅液面分开。最后是冷却过程，将晶棒升至上炉室冷却一段时间。在拉棒步骤中，坩埚转速、晶棒转速和晶棒拉速的控制十分重要。
所述切割步骤包括切断、滚圆、切片和清洗过程。切断过程切去单晶硅棒头尾无用部分；滚圆过程通过对晶棒滚磨以获得精确统一的直径，对成品要求为矩形的则将晶棒切割成矩形；切片过程将单晶硅棒切成具有精确几何尺寸的薄单晶硅片，通常其厚度控制为200μm～300μm；然后在清洗过程中，采超声波清洗以清除单晶硅片表面的污染物。
实施本发明所得到的单晶硅片即为单晶硅太阳能电池的原料硅片，用于制造单晶硅太阳能电池的单体片，然后组装成太阳能电池组件。由本发明获得的单晶硅片氧含量低且分布均匀，所制成的单晶硅太阳能电池质量上佳，光电转换效率达到17.7％，衰减比在2％以下。
具体实施方式
(1)目标确定：单晶硅棒直径170mm，晶棒电阻率2.0Ω·cm～1.5Ω·cm，头部最高中心电阻率小于3.0Ω·cm，长度1100mm，碳含量小于0.2ppma，氧含量小于20ppma，少子寿命大于10μs。
(2)实际工艺：20kg原生多晶硅加上40kg循环料，采用分阶段降温用余温熔料即塌料后固体占2/3时，把温度降到高温80％左右，固体占1/3时温度降至挥发温度；在熔料前3h将氩气流量计调节到15L/min，全熔后，氩气流量计调节到35L/min；全熔后挥发1h，挥发时埚转为6rpm，氩气流量35L/min；掉渣回熔时不得以高温回熔；拉晶埚转调节为8rpm，晶转调节为12rpm，拉速调节为1.1mm/min；收尾后，埚位下降30mm、功率降至20KW～30KW，控制拉速为2mm/min～3mm/min、埚转2rpm、晶转5mm/min、氩气25L/min；30min后关闭功率，5h后关闭晶转、埚转拆炉。
(3)结果分析：2009年5月中旬选定某单晶炉按上述工艺制备4根单晶硅棒，编号分别为XN09051503、XN09051505、XN09051506、XN09061502。将单晶硅棒分头尾段，分别取样片对导电型号、头部中心电阻率、少子寿命、氧含量和碳含量进行测试。并在完成切片后，送到电池片厂家进行光电转换效率、光致衰减实验。
表1给出了原料硅片导电型号、头部中心电阻率、少子寿命、氧含量和碳含量的测试数据，表2列出太阳能电池单体片光电转换效率、光致衰减的实验数据。结果表明本发明很好的解决单晶硅氧含量过高和分布不均匀的问题，产品利用率高、产品成本低；且光电转换效率和光致衰减都能维持在较高的水平。
表1
Figure BSA00000132866000041
表2
  晶体编号   出片数   A级片数   平均光电转换率(％)   平均衰减比(％)
  XN09051503   2787   2634   17.5   1.61
  XN09051505   2924   2763   17.7   1.96
  XN09051506   2979   2779   17.7   1.62
  XN09061502   2817   2803   17.6   1.48

Claims (5)

1.一种太阳能电池单晶硅片的制造方法，依次包括准备、配料、拉棒和切割步骤，所述拉棒步骤包括熔化、挥发、种晶、缩颈、放肩、拉晶、收尾和冷却过程；其特征在于，其中，
(1)在所述配料步骤中，采取以原生多晶硅为主原料并掺硼母合金的配方，或者以原生多晶硅为主原料配以循环料的配方；
(2)在所述拉棒步骤中，控制坩埚转速为1rpm～8rpm以降低硅熔融液的氧浓度，控制晶棒转速为3rpm～12rpm以改善生长晶棒中氧的径向分布，并控制晶棒拉速为0.8mm/min～3mm/min。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池单晶硅片的制造方法，其特征在于，在所述配料步骤中，所述掺硼母合金的配方以质量份计为：原生多晶硅100份，电阻率为0.0015Ω·cm硼母合金0.22份～0.24份。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池单晶硅片的制造方法，其特征在于，在所述配料步骤中，所述配以循环料的配方以质量百分计为：原生硅30％～40％，循环料60％～70％。
4.根据权利要求1至3之任意一项所述的太阳能电池单晶硅片的制造方法，其特征在于，在所述拉棒步骤中，挥发过程控制所述坩埚转速为5rpm～8rpm；拉晶过程控制所述坩埚转速为6rpm～8rpm，控制所述晶棒转速为10rpm～12rpm并控制所述晶棒拉速为0.8mm/min～1.2mm/min；收尾过程控制所述坩埚转速为1rpm～5rpm，控制所述晶棒转速为3rpm～10rpm并控制所述晶棒拉速为1.2mm/min～3mm/min。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池单晶硅片的制造方法，其特征在于，在所述拉棒步骤中，挥发过程控制所述坩埚转速为6rpm；拉晶过程控制所述坩埚转速为8rpm，控制所述晶棒转速为12rpm并控制所述晶棒拉速为1.1mm/min；收尾过程控制所述坩埚转速为2rpm，控制所述晶棒转速为5rpm并控制所述晶棒拉速为2.5mm/min。
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