CN102839415A - 一种太阳能电池用掺镓单晶硅的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池用掺镓单晶硅的制备方法，该方法包括如下步骤：（1）拆炉、清理炉膛；（2）装炉；（3）对单晶炉内进行抽真空和检漏；（4）压力化与熔料；（5）稳晶；（6）引晶；（7）放肩；（8）转肩；（9）等径生长；（10）收尾与冷却；（11）停炉，取出单晶硅棒、移出石英坩埚。采用本发明提供的方法制备的太阳能电池，转化率17%，光致衰减低、晶体缺陷少。
Description
技术领域
本发明涉及单晶硅太阳能电池，尤其涉及一种制太阳能电池用掺镓单晶硅的制备方法。
背景技术
由于硅材料的易获得性、太阳能级高纯硅生产方法较为成熟，硅晶体类（单晶硅、多晶硅）太阳能带年纪作为一类重要的清洁能源，已经被广泛地使用。进入21世纪，这类电池的使用量巨幅增长。
目前，太阳能电池用单晶硅一般选择单一的掺入硼元素，即掺硼单晶硅。对于这种掺硼单晶硅，普遍采用生产工艺方便易行、并且所制造 掺硼单晶硅棒的电阻率分布较为均匀的CZ法（Czochralski，1918）来生产。CZ法又被称为直拉法、提拉法，这种方法特别适用于生长大直径单晶硅的要求。
现在单晶硅类得太阳能电池市场中，采用CZ法生产的掺硼单晶硅太阳能电池占绝大部分市场份额。然而，单一掺硼的单晶硅太阳能电池，在光照下或在载流子注入下，太阳能电池会出现光致衰减，即太阳能电池的转化效率会降低，这里，转化效率（也被称为“光电转化效率”）是指太阳能电池将入射的光能转化为电能的比例（一般使用“%”表示）。
光致衰减特性的本质原因是，由于掺硼单晶硅中的替位硼原子和单晶硅中间隙态的氧原子在光照下或载流子注入下会形成硼氧复合体，而硼氧复合体是深能复合中心，这将会降低少数载流子的寿命，从而降低少数载流子的扩散长度，导致太阳能电池的效率降低。因此，解决光致衰减的思路就是在单晶硅中减少直至消除硼氧复合体得出现，即：用其他元素来替代硼元素、降低单晶硅中的氧浓度。而在掺镓的单晶硅太阳能电池中，镓元素较难与氧元素形成深能级的复合体，少子寿命影响较小。
对于减低氧浓度，一种解决思路就是采用完全不同于CZ法的区熔法（即FZ法）来制造掺硼单晶硅。相对于CZ法，FZ法生产的掺硼单晶硅的氧浓度要低一个数量级以上（即氧浓度至少低10倍），可以有效地改善硼氧复合体导致的光致衰减问题。但是FZ法难以生产大直径的单晶硅棒，不能满足大规模的生产需要；而起FZ法的生产成本较高，没有优势。
降低氧浓度的另一个解决思路是改进CZ法。对于常规的CZ法，大量的实验事实显示，常规CZ法的一个缺陷时不能有效控制CZ炉内石英坩埚与硅熔体的热对流。CZ炉中硅熔体与石英坩埚的热对流作用，使石英坩埚中的氧静茹硅熔体和硅晶体，导致单晶硅中的氧浓度增加。如果单晶硅中氧浓度过高，就会产生氧析出物。这种氧析出物不仅会导致单晶硅出现翘曲等机械型损伤缺陷，而且会出现位错环等晶体缺陷。此外，常规CZ法的另一个缺陷是，随着单晶硅直径的增加，CZ炉中装料量也要增大，坩埚中硅熔体的热对流也更加强烈，引起的硅熔体紊流进一步加剧了硅熔体内的温度波动，甚至会导致硅熔体的局部的回熔或过冷，使得单晶硅的生产质量难以控制、晶体缺陷增加。因此，尽管CZ法在制造大尺寸单晶硅方面具有工艺简便的优势，但如果不能有效控制热对流，也不鞥获得稳定质量的单晶硅。因此，对于太阳能用大直径单晶硅的生产，必须既控制好石英坩埚与硅熔体的热对流、又控制好硅熔体的热对流，这其中的关键就是有效控制硅熔体的热对流。
为解决常规的CZ法的缺陷，可以采用磁拉法（即MCZ法），即在CZ炉上加磁场，通过磁场来增加硅熔体的粘度，从而降低石英坩埚与硅熔体的热对流、减低石英坩埚内硅熔体的热对流，不仅减少石英坩埚的氧原子进入硅熔体和硅晶体、实现减低氧浓度的目的，而且减少晶体缺陷。MCZ法使用的磁场，一种是永磁体产生的磁场，另一种是电磁感应产生的磁场。对于磁场的设计，有横向磁场、纵向磁场、勾形磁场三类；单向横向磁场破坏了CZ系统中原有的热流的轴向对称性，使得单晶硅棒生长的条纹缺陷变得严重；纵向磁场破坏了CZ系统原有的径向对称性，使得掺入元素的浓度在单晶硅棒的径向分布变得较为不均匀；但勾形磁场没有纵向磁场与横向磁场的缺陷，能够有效地降低氧浓度，而且晶体缺陷较少。现在，一些有效的勾形磁场设计已经出现，主要采用的是电磁场。
当前，能源问题、全球气候变化问题已经成为人类社会可持续发展的重要难题，发展太阳能光伏使用时人类获得清洁能源、突破人类自身发展难题的一个重要方向。因此大规模、低成本的生产光致衰减低、晶体缺陷少、大直径的太阳能电池用单晶硅，是当前太阳能光伏事业发展的一个重要问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种太阳能电池用掺镓单晶硅的制备方法，解决现有的掺硼单晶硅材料制备的太阳能电池光致衰减严重的问题。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采样的技术方案为：
一种太阳能电池用掺镓单晶硅的制备方法，该方法包括如下步骤：
（1）拆炉、清理炉膛；
（2）装炉，按照每立方厘米单晶硅材料中的原子个数，称取1.0×1016-1.0×1018atoms/cm3的纯度高于6N的镓，1.0×1014-1.0×1016atoms/cm3的纯度高于6N的铟，其余为单晶硅，在石英坩埚内将称取的镓和铟分层撒入到单晶硅层中，将石英坩埚置于单晶炉内，并且在单晶炉外布置勾形磁场；
（3）对单晶炉内进行抽真空和检漏；
（4）压力化与熔料，设置石英坩埚的转速为5-10r/min，炉内压强为1000-2500Pa，惰性气体的流速为10-50slpm，磁场强度为1000-3000GS，对单晶硅炉进行加热、加压，得到单晶硅熔体；
（5）稳晶，设置石英坩埚的转速为5-10r/min，炉内压强为1000-2500Pa，惰性气体的流速为10-50slpm，磁场强度为1000-3000GS，稳定单晶硅熔体的温度在1430-1470℃，保温1.5-2h；
（6）引晶，设置石英坩埚的转速为5-10r/min，炉内压强为1000-2500Pa，惰性气体的流速为10-50slpm，磁场强度为1000-3000GS，导流筒距硅熔液的距离为5.0-30.0mm，将籽晶预热，把预热后的籽晶与稳晶后的单晶硅熔体进行熔接，设置引晶平均拉速在5-8mm/min；
（7）放肩，设置提拉速度为0.1-10.0mm/min，籽晶转速为1.0-20.0r/min；
（8）转肩，设置提拉速度为0.1-5.0mm/min，转肩1/2的提拉速度为1.0-3.0mm/min；
（9）等径生长，设置提拉速度为0.5-2mm/min，晶棒转速为1.0-20.0r/min，石英坩埚的转速为5-10r/min，炉内压强为1000-2500Pa，惰性气体的流速为10-50slpm，磁场强度为1000-3000GS，导流筒距硅熔液的距离为5.0-30.0mm，提拉硅晶棒，使晶体生长至目标长度；
（10）收尾与冷却，设置炉内压强为1000-2500Pa，惰性气体的流速为10-50slpm，磁场强度为1000-3000GS，冷却，得到单晶硅棒；
（11）停炉，取出单晶硅棒、移出石英坩埚。
有益效果：采用本发明提供的方法制备的太阳能电池，转化率17%，光致衰减低、晶体缺陷少。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作更进一步的说明。
一种太阳能电池用掺镓单晶硅的制备方法，包括如下步骤：
（1）拆炉、清理炉膛；
（2）装炉，按照每立方厘米单晶硅材料中的原子个数，称取1.0×1016-1.0×1018atoms/cm3的纯度高于6N的镓，1.0×1014-1.0×1016atoms/cm3的纯度高于6N的铟，其余为单晶硅，在石英坩埚内将称取的镓和铟分层撒入到单晶硅层中，将石英坩埚置于单晶炉内，并且在单晶炉外布置勾形磁场；
（3）对单晶炉内进行抽真空和检漏；
（4）压力化与熔料，设置石英坩埚的转速为5-10r/min，炉内压强为1000-2500Pa，惰性气体的流速为10-50slpm，磁场强度为1000-3000GS，对单晶硅炉进行加热、加压，得到单晶硅熔体；
（5）稳晶，设置石英坩埚的转速为5-10r/min，炉内压强为1000-2500Pa，惰性气体的流速为10-50slpm，磁场强度为1000-3000GS，稳定单晶硅熔体的温度在1430-1470℃，保温1.5-2h；
（6）引晶，设置石英坩埚的转速为5-10r/min，炉内压强为1000-2500Pa，惰性气体的流速为10-50slpm，磁场强度为1000-3000GS，导流筒距硅熔液的距离为5.0-30.0mm，将籽晶预热，把预热后的籽晶与稳晶后的单晶硅熔体进行熔接，设置引晶平均拉速在5-8mm/min；
（7）放肩，设置提拉速度为0.1-10.0mm/min，籽晶转速为1.0-20.0r/min；
（8）转肩，设置提拉速度为0.1-5.0mm/min，转肩1/2的提拉速度为1.0-3.0mm/min；
（9）等径生长，设置提拉速度为0.5-2mm/min，晶棒转速为1.0-20.0r/min，石英坩埚的转速为5-10r/min，炉内压强为1000-2500Pa，惰性气体的流速为10-50slpm，磁场强度为1000-3000GS，导流筒距硅熔液的距离为5.0-30.0mm，提拉硅晶棒，使晶体生长至目标长度；
（10）收尾与冷却，设置炉内压强为1000-2500Pa，惰性气体的流速为10-50slpm，磁场强度为1000-3000GS，冷却，得到单晶硅棒；
（11）停炉，取出单晶硅棒、移出石英坩埚。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种太阳能电池用掺镓单晶硅的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
（1）拆炉、清理炉膛；
（2）装炉，按照每立方厘米单晶硅材料中的原子个数，称取1.0×1016-1.0×1018atoms/cm3的纯度高于6N的镓，1.0×1014-1.0×1016atoms/cm3的纯度高于6N的铟，其余为单晶硅，在石英坩埚内将称取的镓和铟分层撒入到单晶硅层中，将石英坩埚置于单晶炉内，并且在单晶炉外布置勾形磁场；
（3）对单晶炉内进行抽真空和检漏；
（4）压力化与熔料，设置石英坩埚的转速为5-10r/min，炉内压强为1000-2500Pa，惰性气体的流速为10-50slpm，磁场强度为1000-3000GS，对单晶硅炉进行加热、加压，得到单晶硅熔体；
（5）稳晶，设置石英坩埚的转速为5-10r/min，炉内压强为1000-2500Pa，惰性气体的流速为10-50slpm，磁场强度为1000-3000GS，稳定单晶硅熔体的温度在1430-1470℃，保温1.5-2h；
（6）引晶，设置石英坩埚的转速为5-10r/min，炉内压强为1000-2500Pa，惰性气体的流速为10-50slpm，磁场强度为1000-3000GS，导流筒距硅熔液的距离为5.0-30.0mm，将籽晶预热，把预热后的籽晶与稳晶后的单晶硅熔体进行熔接，设置引晶平均拉速在5-8mm/min；
（7）放肩，设置提拉速度为0.1-10.0mm/min，籽晶转速为1.0-20.0r/min；
（8）转肩，设置提拉速度为0.1-5.0mm/min，转肩1/2的提拉速度为1.0-3.0mm/min；
（9）等径生长，设置提拉速度为0.5-2mm/min，晶棒转速为1.0-20.0r/min，石英坩埚的转速为5-10r/min，炉内压强为1000-2500Pa，惰性气体的流速为10-50slpm，磁场强度为1000-3000GS，导流筒距硅熔液的距离为5.0-30.0mm，提拉硅晶棒，使晶体生长至目标长度；
（10）收尾与冷却，设置炉内压强为1000-2500Pa，惰性气体的流速为10-50slpm，磁场强度为1000-3000GS，冷却，得到单晶硅棒；
（11）停炉，取出单晶硅棒、移出石英坩埚。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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Application publication date: 20121226 |