CN102260903A - 一种生长薄板硅晶体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生长薄板硅晶体的方法，包括：将由硅原料熔化所形成的硅熔液流入到液态衬底的上面，所述的硅熔液浮于所述的液态衬底之上，形成硅熔液薄层；再通过温度场控制，使得在所述的硅熔液薄层和液态衬底的水平方向形成温度梯度，最终所述的硅熔液薄层结晶生成薄板硅晶体。由于液态衬底物质对硅熔液/硅晶体的支撑作用，容易形成表面平整的薄板硅。本发明的生长薄板硅晶体的方法中，不采用固体模具或提拉线即可形成硅熔液薄层，生长过程中不存在破坏晶体结构的物质，从而生成的薄板硅结晶颗粒大，生成的薄板硅面积大，产量高；在有单晶硅片引导的前提下，可生产薄板单晶硅。

Description

一种生长薄板硅晶体的方法
技术领域
本发明属于太阳能级硅制造方法领域，具体涉及一种生产大面积薄板硅晶体的方法。
背景技术
硅片，包括单晶硅片和多晶硅片，是制造晶体硅太阳能电池的基础材料。在目前的太阳能行业中，90％以上的晶体硅太阳能电池所用的硅片是通过对单/多晶硅锭切片后得到的。切片过程(通常采用多线切割技术)由于切割损失(Kerf Loss)常常会对硅材料造成很大的浪费，原料损失会在40％以上。因此，从硅原料通过某种结晶的方式，直接生产出硅片，或者生产出薄板状硅晶体并通过简单的截断形成硅片，成为行业发展的方向。目前以带状硅形式的薄板硅晶体的生产技术有：通过模具限定硅带尺寸和形状的EFG法(详见专利号为ZL90104389.3、ZL90109365.3、ZL91101558.2等的中国专利的记载)，以及通过耐高温提拉线(string)限定硅带尺寸和形状的Evergreen Solar，Inc公司采用的方法(详见专利号为US7718003、US7842270等美国专利的记载)。为了限定硅片的厚度，上述方法均使用了容易破坏晶体结构的材料(例如线或模具)，这样生产出的带状硅晶体的结晶颗粒较细，同时还受到了线或模具的污染，在实践中也无法生长出薄板状的硅单晶结构。上述技术还存在另一个缺陷。带状硅在生长时由于没有可靠的支撑，生长界面附近的液态硅往往靠表面张力悬空，因此容易在生长速度或周边流场/温度场波动时形成表面不平坦的带硅，使得带硅在后续的电池片生产和加工中带来困难。另外，上述技术的带状硅结晶方向与带状硅的提拉方向一致，同时带状硅的结晶冷却范围却局限在很小的区域，根据带状硅的提拉速度(即生产速度)接近于结晶冷却的速度的原理，上述技术的带状硅晶体无法实现高速生产。
发明内容
本发明提供了一种生长薄板硅晶体的方法，无需采用固体模具或提拉线来形成硅熔液薄层，因此生长过程中不存在破坏晶体结构的物质，生成的薄板硅晶体中结晶颗粒大，生成的薄板硅面积大，产量高；并且，在有单晶硅片引导的前提下，可生产薄板单晶硅。
一种生长薄板硅晶体的方法，包括：将由硅原料熔化所形成的硅熔液流入到液态衬底的上面，所述的硅熔液浮于所述的液态衬底之上，并在所述的液态衬底表面平铺，形成硅熔液薄层；再通过温度场控制，使得在所述的硅熔液薄层和液态衬底的水平方向形成温度梯度(即水平方向上的温度场控制)，最终所述的硅熔液薄层结晶生成薄板硅晶体，得到的所述薄板硅晶体水平放置。
所述的衬底，采用熔点低于硅、密度大于硅、且在1000～2000℃下与硅不反应且不互溶的物质。这样，可以保证硅晶体生长时所述的衬底为液态，而且所述的液态衬底始终处于硅熔液/硅晶体的下面，并且不会在硅晶体中引入杂质，不影响硅材料作为太阳能光伏材料使用时的品质。采用所述的液态衬底作为支撑硅熔液/硅晶体的载体，目的在于避免晶体生长时，硅晶体/硅熔液与固体的结构件/容器相接触，从而使固体表面缺陷(例如表面凸点和表面凹陷等诱发形成新的晶核的缺陷)导致的自发成核破坏晶体的结构；或者硅熔液破坏性地凝固在固态结构件/容器上，使硅与其无法分离。
所述的温度场控制(即水平方向上的温度场控制)，是通过改变加热和保温方式使热场的温度在水平方向上从高到低分布，依次形成1550～1450度的高温区、1450～1380度的高梯度区、1380度以下的低温区。凝固结晶过程在所述的高梯度区完成。
优选的技术方案中，所述的衬底所采用的物质可选用纯度较高的锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)等IV簇元素中的一种或多种，也可以采用如CaF2、CaCl2、BaF2、BaCl2等与硅不反应的氯化物或氟化物，还可以采用钡(Ba)。即：所述的衬底采用的物质可以为锗、锡、铅、钡、CaF2、CaCl2、BaF2、BaCl2中的一种或多种。由于化合物中的F元素或Cl元素对常用的耐高温材料(例如石墨)具有一定的腐蚀性，因此，所述的衬底所采用的物质最优选为锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)、钡(Ba)中的一种或多种。
优选的技术方案中，所述的温度场控制还包括使得在所述的硅熔液薄层和液态衬底的垂直方向也形成温度梯度，最终所述的硅熔液薄层结晶生成仍沿水平方向放置的薄板硅晶体。即，所述的温度场控制包括水平方向上的温度场控制和垂直方向上的温度场控制，使得在所述的硅熔液薄层和液态衬底的水平方向和垂直方向均形成温度梯度。所述的垂直方向上的温度场控制也是通过改变加热和保温方式使热场的温度在垂直方向上形成最利于硅晶体凝固和退火的温度场。
优选的技术方案中，所述的液态衬底被隔热物质沿水平方向分隔为两个或两个以上衬底物质池。即，采用石英或其他材质等用于隔热的材料做成的隔离墙将所述的液态衬底隔离开来，从而形成两个或两个以上衬底物质池。这样一来，虽然同一个衬底物质池中的衬底物质会由于对流、导热和热辐射的作用使温度趋于一致，但在水平方向上，由于不同的衬底物质池之间放置有隔离墙，不同的衬底物质池的温度可以用不同材质或厚度的隔离墙来调节，形成适当的温度差。从而在水平方向上形成适当的温度梯度。
优选的技术方案中，可采用单/多晶硅片作为籽晶与硅熔液接触引导，并在水平方向拉动籽晶进行连续生产，所述的籽晶的拉动速度与硅的结晶速度相匹配。
本发明的生长薄板硅晶体的方法中，所述的硅熔液薄层的厚度在一定程度上决定了薄板硅晶体生长后的厚度。硅熔液薄层的厚度受硅原料的加入速度和薄板硅晶体的结晶速度的影响。
本发明的生长薄板硅晶体的方法中，因硅的密度小于液态衬底的密度，并且由于重力和表面张力的原因，硅熔液首先浮在液态衬底上，并在液态衬底表面平铺形成硅熔液薄层，通过温度控制，硅熔液薄层凝固成薄板状硅晶体。由于液态衬底对硅熔液/硅晶体的支撑作用，容易形成表面平整的薄板硅晶体。在硅晶体的成核过程中，不存在通常固体的接触面所固有的缺陷，例如表面凸点和表面凹陷等诱发形成新的晶核的缺陷，从而避免硅晶体生长时可能导致的来自固体壁面的自发成核现象，所以可以生产大结晶颗粒的薄板硅，并且生成的薄板硅面积大，产量高。而如果在生长之前，有薄片状的单晶硅片作为籽晶来引导硅熔液，即可生产出单晶结构的薄板硅(简称薄板单晶硅)。采用本发明的方法形成的薄板硅晶体经冷却后可直接切割成硅片。
本发明的生长薄板硅晶体的方法，不必采用固体模具或提拉线即可形成硅熔液薄层，进而凝固成薄板硅晶体。因此，本发明的薄板硅的生长过程中，不存在破坏晶体结构的物质，使得生成的薄板硅晶体中结晶颗粒大，在有单晶硅片引导的前提下，更可生产薄板单晶硅。
在常见的薄板硅晶体或带状硅晶体的生长过程中，例如EFG法或Evergreen Solar，Inc公司采用的方法中(详见专利号为ZL90104389.3、ZL90109365.3、ZL91101558.2等的中国专利的记载，以及US7718003、US7842270等美国专利的记载)，硅晶体的结晶方向与硅晶体的提拉方向是一致的，因此带状硅的结晶冷却范围局限在很小的区域，根据带状硅的提拉速度(即生产速度)接近于结晶冷却的速度的原理，上述技术的带状硅晶体无法实现高速生产。在本发明的生长薄板硅晶体的方法中，薄板硅晶体的结晶方向与薄板硅晶体的的提拉方向可以不一致，通常薄板硅晶体的结晶方向与薄板硅的提拉方向夹角可在0～90度角之间做调整。因此，薄板硅的结晶冷却范围可以设置在较大的区域，结晶冷却的速度可以方便地通过加大结晶冷却的区域来调节(通过在垂直方向上施加适当的温度梯度)，实现高速生产。
附图说明
图1是本发明的一种实施方式的示意图。
图2是本发明的另一种实施方式的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
实施例1：
如图1所示，薄板硅晶体生长系统分为加料熔料区15和温度梯度区16。加料熔料区15由顶部化料加热器6、底部化料加热器3、加料通道2和硅熔液容器1组成。通过特定的加料机构，硅原料被输送到加料通道2中，通过顶部化料加热器6和底部化料加热器3的加热，硅原料被升温直至熔化成硅熔液，熔化后的硅熔液放置在硅熔液容器1中。
在温度梯度区16放置有具有加热或保温功能的液态衬底容器4、高温加热器7和低温加热器11，在高温加热器7和低温加热器11之间是耐温材料制成的热量调节块9。在液态衬底容器4内放置有衬底物质5。所用的衬底物质5为纯度为99.999％的锡。在加热器的作用下，衬底物质5能够始终保持为液态。
当硅原料从加料通道2输入时，硅熔液容器1内的硅熔液将溢出流入到液态衬底物质5的表面，通过重力和表面张力的作用，在液态衬底物质5的表面形成厚度为0.1～0.5mm的硅液薄层8。适当控制高温加热器7和低温加热器11的输入功率，可以使高温加热器7下方的温度维持在1550～1450度，低温加热器11下方的温度维持在1380～1100度；通过合理设计热量调节块9的传热性能，可使热量调节块9下方温度从左到右实现1450～1380度的高梯度区域。因此，当硅液薄层8流经热量调节块9下方时，将从液态变为固态，成为薄板硅晶体10。
为了更好地控制薄板硅晶体10的厚度，最好用适当的速度拉动已生成的薄板硅晶体10。另外通过控制从加料通道2加入的硅原料的速度，即可实现连续生产。
由于液态衬底物质5的表面极少有容易形成晶核的成核核心，所以结晶形成的薄板硅晶体10的结晶颗粒很大，利于生产高效的太阳能电池。
如果在硅熔液凝固之前，用薄片状的单晶硅片12作为籽晶来引导硅熔液，并在水平方向A拉动籽晶进行连续生产，即可生长出具有单晶结构的薄板硅晶体10。
实施例2：
如图2所示，采用与实施例1相同的方式，不同之处在于液态衬底容器4由通过隔离墙13隔开的两个衬底液池构成。所述的隔离墙13由石英材料制成，中央夹有保温材料14。这样，虽然同一个衬底液池中的衬底物质会由于对流、导热和热辐射使温度趋于一致，但通过隔离墙13和保温材料14，在晶体的结晶区域，依然能够保证较高的温度梯度，有利于硅熔液顺利地凝固成薄板硅晶体10。
实施例3：
采用与实施例1相同的方式，不同之处在于所用的衬底物质5为6N高纯锗(Ge，纯度为99.9999％)和5N高纯铅(Pb，纯度为99.999％)以质量比为1∶1的混合物。
实施例4
采用与实施例1相同的方式，不同之处在于在加料熔料区15中，硅原料以液态的方式通过加料通道2，加入到硅熔液容器1中。即固态的硅原料在另外的系统中熔化，熔化后的硅熔液通过某种方式输入到本发明所述的系统中。

Claims (7)

1.一种生长薄板硅晶体的方法，其特征在于，包括：将由硅原料熔化所形成的硅熔液流入到液态衬底的上面，所述的硅熔液浮于所述的液态衬底之上，形成硅熔液薄层；再通过温度场控制，使得在所述的硅熔液薄层和液态衬底的水平方向形成温度梯度，最终所述的硅熔液薄层结晶生成薄板硅晶体。
2.如权利要求1所述的生长薄板硅晶体的方法，其特征在于，所述的衬底采用熔点低于硅、密度大于硅、且在1000～2000℃下与硅不反应且不互溶的物质。
3.如权利要求2所述的生长薄板硅晶体的方法，其特征在于，所述的衬底采用的物质为锗、锡、铅、钡、CaF2、CaC12、BaF2、BaCl2中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的生长薄板硅晶体的方法，其特征在于，所述的温度场控制，是通过改变加热和保温方式使热场的温度在水平方向上从高到低分布，依次形成1550～1450度的高温区、1450～1380度的高梯度区、1380度以下的低温区。
5.如权利要求1所述的生长薄板硅晶体的方法，其特征在于，所述的温度场控制，还包括使得在所述的硅熔液薄层和液态衬底的垂直方向也形成温度梯度，最终所述的硅熔液薄层结晶生成薄板硅晶体。
6.如权利要求1所述的生长薄板硅晶体的方法，其特征在于，所述的液态衬底被隔热物质沿水平方向分隔为两个或两个以上衬底物质池。
7.如权利要求1～6任一所述的生长薄板硅晶体的方法，其特征在于，采用单/多晶硅片作为籽晶与硅熔液接触引导，并在水平方向拉动籽晶进行连续生产，所述的籽晶的拉动速度与硅的结晶速度相匹配。
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