CN102163651B - 冶金硅直接成长为太阳能薄膜硅的工艺及其专用成长设备 - Google Patents
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Abstract
一种冶金硅直接成长为太阳能薄膜硅的工艺及其专用成长设备，将准备好的冶金硅材料电离，产生混合粒子产物，将混合粒子产物导入筛选电磁场中，使仅有需要的硅离子通过筛选电磁场进入正确路径形成高纯度硅离子束，并将高纯度硅离子束射向被转动的成长基片，在成长基片表面均匀沉积，同时通入必要的掺杂反应气体并提供合适温度，即可在成长基片表面获得成长均匀的N型或P型导电的太阳能薄膜硅。专用成长设备则包括相连接的硅离子发生装置、圆弧形的电磁场筛选装置和薄膜沉积装置。本发明无需进行冶金硅的提纯和气化，成本大大降低，能耗少，避免了气化过程涉及到的氯气，生产过程环保，并且设备结构设计合理，产品质量稳定。
Description
技术领域：本发明涉及一种太阳能薄膜硅的生产工艺，并涉及一种薄膜硅的专用成长设备。
背景技术：虽然经过长时间的发展，硅基太阳能电池的成本已经大大降低，但是目前使用硅基太阳能电池的发电成本还是比现有常规能源发电价格高。硅基太阳能电池的成本主要来自从石英到硅片的生产过程，尤其是从冶金级硅到高纯度硅的过程。目前采用的技术通常是把冶金级硅提纯后气化成硅烷或三氯硅烷，再利用这些高纯度硅基气体，由西门子技术生产高纯度的多晶硅，这一过程是高耗能、高污染和高危险的。从多晶硅硅片生产硅太阳能电池，电池的厚度一般在200－300微米之间，这样的块体电池耗费的材料多，成本高。
现在还有采用非晶硅或多晶硅薄膜制备薄膜电池，虽然效率比多晶硅电池低，但是硅的使用厚度可以控制在20微米以下，这样可以明显节省硅材料的耗费，并可采用廉价的玻璃作为基片制备硅薄膜电池，这样大大降低了硅基光伏的电力价格。目前通常采用等离子辅助沉积技术从硅烷或三氯硅烷成长硅薄膜电池，因为同样要经过硅材料的提纯和气化，成本还是较高，不利于进一步推广。
发明内容：针对现有技术的不足，本发明提供一种成本低，生产过程环保的冶金硅直接成长为太阳能薄膜硅的工艺。本发明同时提供一种薄膜硅的专用成长设备。
本发明的工艺需要首先准备好冶金硅材料和成长基片，然后按下列步骤进行：
（a）将冶金硅材料电离，产生硅离子、杂质离子和中性微颗粒的混合粒子产物；
（b）将上述混合粒子产物以适当方向导入筛选电磁场中，依据不同物质离子的荷质比不同，在筛选电磁场作用下，其偏转角度不同，使仅有需要的硅离子通过筛选电磁场进入正确路径形成高纯度硅离子束；
（c）将高纯度硅离子束射向被转动的成长基片，在成长基片表面均匀沉积，同时向成长基片周围通入必要的掺杂反应气体并提供合适温度，即可在成长基片表面获得成长均匀的N型或P型导电的太阳能薄膜硅。
本发明的工艺可以从冶金硅直接长出薄膜硅，无需进行冶金硅的提纯和气化，成本大大降低，并减少了硅薄膜的生产环节，降低能源消耗，更重要的是避免了气化过程涉及到的氯气，减少生产过程的潜在风险和环境危害，生产过程更加环保。此外，本工艺生产的薄膜硅质量高，可以增强太阳能硅薄膜电池的效率和稳定性，提高这类电池的竞争力。
在步骤（c）中，可以交替通入不同的掺杂反应气体，产生二个以上的不同型掺杂生长过程，使成长的太阳能薄膜硅获得PN结，即可以制备得到硅基薄膜太阳能电池片，使太阳能电池片的生产更方便，效率更高。
本发明的专用成长设备包括硅离子发生装置，该硅离子发生装置连接圆弧形的电磁场筛选装置的一端，其另一端则连接薄膜沉积装置，该薄膜沉积装置中设置有可转动的成长台和温控加热机构，薄膜沉积装置上还设有掺杂气体入口，太阳能薄膜硅的成长基片置于成长台上。
本发明的设备结构设计合理，产品质量稳定，生产过程环保。
在薄膜沉积装置中、掺杂气体入口附近还可设有气体微波电离机构，这样可以电离掺杂气体，使N型或P型硅薄膜的沉积生长更均匀，质量更稳定。
下面结合附图和实施例进一步说明本发明。
附图说明：图1是成长设备的主结构示意图。
图2是图1中硅离子发生装置的另一形式示意图。
实施例：如图1所示，薄膜硅的成长设备包括硅离子发生装置1，该硅离子发生装置1连接圆弧形的电磁场筛选装置2的一端，其另一端则连接薄膜沉积装置3，该薄膜沉积装置3中设置有可转动的成长台4和温控加热机构5，薄膜沉积装置3上还设有掺杂气体入口6，太阳能薄膜硅的成长基片13置于成长台4上。一般在薄膜沉积装置3中、掺杂气体入口6附近还可设有气体微波电离机构7，这样可以电离掺杂气体，使N型或P型硅薄膜的沉积生长更均匀，质量更稳定。
硅离子发生装置1一般包括和高压电源8阳极连接的触发器9，高压电源8的阴极则连接冶金硅材料12，构成自持触发式电离装置，工作时由触发器9直接触发电离阴极的冶金硅材料12产生混合粒子产物。实际中根据设计要求，硅离子发生装置1也可采用如图2所示的形式，包括化学气相产生器10和连通的气体电离器11，冶金硅材料12置于化学气相产生器10中，气体电离器11连接电磁场筛选装置2的一端。工作时先用化学方法处理冶金硅材料12得到含有大量杂质气体的硅烷气体，再将气体进行微波电离，产生混合粒子产物。
圆弧形的电磁场筛选装置2一般是在内部产生强度合适的均匀磁场，对需要的物质离子进行筛选，因为不同物质离子的荷质比不同，在相同电磁场作用下其偏转角度也不同，只有需要的硅离子通过筛选电磁场进入正确路径。电磁场筛选装置2内部也可以由至少一个电磁场透镜和带小孔的过滤板构成，实现对需要的物质离子的筛选。电磁场透镜对粒子进行偏转和汇聚处理，中性微颗粒和杂质离子无法通过过滤板中的小孔，只有硅离子可以经过再由电磁透镜扩束，进入薄膜沉积装置3。
设备生产工作时，首先准备好冶金硅材料12，并将成长基片13置于成长台4上，然后在硅离子发生装置1中将冶金硅材料12电离，产生硅离子、杂质离子和中性微颗粒的混合粒子产物。上述混合粒子产物导入圆弧形的电磁场筛选装置2中，依据不同物质离子的荷质比不同，在筛选电磁场作用下，仅有需要的硅离子通过筛选电磁场进入正确路径形成高纯度硅离子束。然后高纯度硅离子束进入薄膜沉积装置3中，射向连同成长台4一起转动的成长基片13，在成长基片13表面均匀沉积。同时从掺杂气体入口6中通入必要的掺杂反应气体，如含磷或硼的气体，一般还可利用气体微波电离机构7电离掺杂反应气体，温控加热机构5则提供合适温度，一般在500－700摄氏度，即可在成长基片13表面获得成长均匀的N型或P型导电的太阳能薄膜硅。
如果在上述成长的过程中交替通入不同的掺杂反应气体，产生二个以上的不同型掺杂生长过程，使成长的太阳能薄膜硅获得PN结，即可以直接制备得到硅基薄膜太阳能电池片。
Claims (8)
1.一种冶金硅直接成长为太阳能薄膜硅的工艺，首先准备好冶金硅材料和成长基片，然后按下列步骤进行：
（a）将冶金硅材料电离，产生硅离子、杂质离子和中性微颗粒的混合粒子产物；
（b）将上述混合粒子产物以适当方向导入筛选电磁场中，依据不同物质离子的荷质比不同，在筛选电磁场作用下，其偏转角度不同，使仅有需要的硅离子通过筛选电磁场进入正确路径形成高纯度硅离子束；
（c）将高纯度硅离子束射向被转动的成长基片，在成长基片表面均匀沉积，同时向成长基片周围通入必要的掺杂反应气体并提供合适温度，即可在成长基片表面获得成长均匀的N型或P型导电的太阳能薄膜硅。
2.根据权利要求1所述的冶金硅直接成长为太阳能薄膜硅的工艺，其特征为：在步骤（c）中，交替通入不同的掺杂反应气体，产生二个以上的不同型掺杂生长过程，使成长的太阳能薄膜硅获得PN结，即可以制备得到硅基薄膜太阳能电池片。
3.根据权利要求1或2所述的冶金硅直接成长为太阳能薄膜硅的工艺，其特征为：在步骤（a）中，将冶金硅材料作为放电阴极，在电源阳极触发下进行电离放电产生混合粒子产物。
4.根据权利要求1或2所述的冶金硅直接成长为太阳能薄膜硅的工艺，其特征为：在步骤（a）中，先用化学方法处理冶金硅材料得到含有大量杂质气体的硅烷气体，再将气体进行微波电离，产生混合粒子产物。
5.一种实施权利要求1所述工艺的专用成长设备，包括硅离子发生装置，其特征为：该硅离子发生装置（1）连接圆弧形的电磁场筛选装置（2）的一端，其另一端则连接薄膜沉积装置（3），该薄膜沉积装置（3）中设置有可转动的成长台（4）和温控加热机构（5），薄膜沉积装置（3）上还设有掺杂气体入口（6），太阳能薄膜硅的成长基片（13）置于成长台（4）上。
6.根据权利要求5所述的专用成长设备，其特征为：在薄膜沉积装置（3）中、掺杂气体入口（6）附近还设有气体微波电离机构（7）。
7.根据权利要求5或6所述的专用成长设备，其特征为：硅离子发生装置（1）包括和高压电源（8）阳极连接的触发器（9），高压电源（8）的阴极则连接冶金硅材料（12），构成自持触发式电离装置。
8.根据权利要求5或6所述的专用成长设备，其特征为：硅离子发生装置（1）包括化学气相产生器（10）和连通的气体电离器（11），冶金硅材料（12）置于化学气相产生器（10）中，气体电离器（11）连接电磁场筛选装置（2）的一端。
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