CN104124292A - 硼镓共掺单晶硅片及其制备方法和太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硼镓共掺单晶硅片，在硼镓共掺单晶硅片中含有硼元素和镓元素，其中硼元素的浓度为1014~16原子数/立方厘米，镓元素的浓度为1013~6×1016原子数/立方厘米，其降低了单独硼掺杂引起的硼氧复合体浓度，还公开了由上述硼镓共掺单晶硅片制成的硼镓共掺单晶硅太阳能电池，该电池具有与常规掺硼持平的转换效率，并且具有较低的LID水平，并进一步公开了上述硼镓共掺单晶硅片及电池的制备方法，该方法工艺简单，易操作，可规模化生产，不存在成本升高的问题。
Description
技术领域
本发明属于光伏产业，具体涉及硼镓共掺单晶硅片及其制备方法和太阳能电池。
背景技术
随着化石能源储量的日益减少，对于可再生能源的渴求成就了目前规模庞大的光伏行业，同时为了降低产品单瓦成本，提高产品的竞争能力，各公司的技术工作者都在不断的提出新的技术方案，不断提高产品性能。
目前，单晶硅主要采用直拉（柴氏）法或区熔法进行晶体生长，出于成本考虑光伏应用的单晶硅都是采用前者，单晶采用硼作为受主杂质掺杂成p型，在电池加工中通过高温扩散磷杂质形成n型层以制作p-n结，实现光电转换的最基本结构。
由于生长系统和杂质在硅中分凝性质的影响，直拉单晶硅中普遍存在较高的氧含量，而已经有较多证据证明光诱导可形成硼氧复合体，这是一种能够引起电池性能衰退的深能级缺陷，表现为电池受光之后少子寿命降低、电池转换效率下降，称之为LID（Light induced degradation，光致衰退效应）。
为了解决电池LID的问题，有专利200710058315提出采用镓作为受主杂质代替硼，由于镓氧的结合所需能量高于硼氧，所以一定程度上抑制了光致缺陷的性能，大幅度降低了LID，但是由于镓原子半径大于硅，在硅晶格中主要以替位形式存在造成硅晶格畸变，通常掺镓单晶电池的平均转换效率比掺硼单晶电池偏低0.1%-0.2%，而且镓在硅中的分凝系数（0.008）远低于硼（0.9），晶体电阻率难于控制，这就阻碍了掺镓单晶在实际中的大规模应用。
发明内容
本发明的第一个所要解决的技术问题在于提供一种硼镓共掺的单晶硅片，该单晶硅片降低了单独硼掺杂引起的硼氧复合体浓度。
本发明第二个所要解决的技术问题在于提供一种硼镓共掺的单晶硅太阳能电池，该太阳能电池具有与常规掺硼持平的转换效率，并且具有较低的LID水平。
本发明最有一个所要解决的技术问题在于提供上述硼镓共掺的单晶硅片的制备方法，该制备方法工艺简单，成本低，易操作，可规模化生产。
本发明的第一个技术问题是通过如下技术方案来实现的：一种硼镓共掺的单晶硅太阳能电池，在硼镓共掺单晶硅片中含有硼元素和镓元素，其中硼元素的浓度为1014~1016个原子/立方厘米，镓元素的浓度为1013~6×1016个原子/立方厘米。
本发明的第二个技术问题是通过如下技术方案来实现的：一种硼镓共掺单晶硅太阳能电池，主要以上述硼镓共掺单晶硅片为原料制成，且在制成的硼镓共掺单晶硅太阳能电池的基体中，硼元素的浓度为1014~1016个原子/立方厘米，镓元素的浓度为1013~6×1016个原子/立方厘米。
本发明的最后一个技术问题是通过如下技术方案来实现的：上述硼镓共掺单晶硅太阳能电池的制备方法，含以下步骤：
（1）将多晶硅料、硼硅合金以及镓金属或镓硅合金原料置于石英坩埚中；
（2）将装有上述原料的石英坩埚置于直拉单晶炉中，抽真空处理；
（3）对直拉单晶炉炉体加热使上述原料全部融化，混匀后，调节炉体内部温度，缓慢放入籽晶；
（4）炉体内的籽晶经引晶、缩颈、放肩、等径生长、收尾阶段完成晶体生长过程，制成单晶晶棒；
（5）将步骤（4）中制成的单晶晶棒经过后续处理加工成硼镓共掺单晶硅片，用于制作硼镓共掺单晶硅电池能电池。
本发明步骤（1）中所述的硼硅合金优选占多晶硅、硼硅合金以及金属镓或镓硅合金总重量的0.0006~0.007%；镓金属或镓硅合金的用量占多晶硅、硼硅合金以及金属镓或镓硅合金总重量的0.0001~0.01%。
本发明步骤（3）中对直拉单晶炉炉体优选加热到1450~1480℃使上述原料全部融化，混匀后，调节炉体内部温度优选为1420~1450℃，缓慢放入籽晶。
本发明步骤（3）中采用的籽晶为单晶硅。
本发明步骤（4）中炉体内的籽晶经引晶、缩颈、放肩、等径生长、收尾阶段完成晶体生长过程，整个过程中控制晶体转速为5~15rpm，石英坩埚转速为5~15rpm，放肩、等径生长、收尾阶段晶体平均生长速度30~150mm/h。
本发明步骤（4）中优选采用直拉法将炉体内的籽晶经引晶、缩颈、放肩、等径生长、收尾阶段完成晶体生长过程，制成单晶晶棒；且步骤（4）中晶体生长过程中单晶生长方向为<100>方向。
本发明步骤（5）中所述硼镓共掺单晶硅太阳能电池的目标电阻率优选为0.5~6Ω/cm。
本发明步骤（5）中所述后续处理含切段、开方、磨圆、研磨、切片、清洗工序。
本发明步骤（5）中制成的硼镓共掺单晶硅太阳能电池的光致衰退幅度为0.5%~2.5%。
本发明中的硼镓共掺单晶硅太阳能电池的制备方法，具体可以含以下步骤：将多晶硅料、硼硅合金、镓金属或镓硅合金合理装入石英坩埚，将装有上述原料的石英坩埚置于直拉单晶炉中，系统抽真空，对炉体进行加热使原料和合金全部融化，放入籽晶，调节炉内的温度梯度恒定，经过引晶、缩颈、放肩、等径生长、收尾阶段完成晶体生长过程，冷却后，硅晶体中硼的掺杂浓度为为1014~16个原子/立方厘米（atoms/cc），镓元素的浓度为1013~6×1016个原子/立方厘米（atoms/cc），将硅棒经过线切割为180±20μm单晶硅片，经过制绒、扩散、等离子刻蚀、等离子镀膜、丝网印刷和烧结过程制作为电池。
本发明具有如下优点：采用本发明中的技术方案，制成的硼镓共掺的单晶硅片，该单晶硅片能降低单独硼掺杂引起的硼氧复合体浓度；采用该硼镓共掺的单晶硅片制成的硼镓共掺的单晶硅太阳能电池具有与常规掺硼持平的转换效率，平均光致衰退幅度比常规掺硼单晶电池降低0.5~1.5%；且硼镓共掺的单晶硅片的制备方法简单，易操作，可规模化生产，不存在成本升高的问题。
具体实施方式
以下列举具体实施例对本发明进行说明。需要指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不代表本发明的保护范围，其他人根据本发明的提示做出的非本质的修改和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
将多晶硅料、5.6g硼硅合金、2.7g镓硅合金共计66kg合理装入石英坩埚，码放整齐，初始熔体中镓浓度预计1.85×1015个原子/立方厘米，硼浓度预计3.95×1015个原子/立方厘米，目标电阻率2~4.5Ω/cm，将装有上述原料置于直拉单晶炉中，系统抽真空，对炉体进行加热，控制炉内温度逐步升高到1450℃，使原料和合金全部融化，充分混合后稳定熔体温度在1420℃，缓慢放入籽晶，调节炉内的温度梯度恒定，经过引晶、缩颈、放肩、等径生长、收尾阶段，在整个过程中保持过程中控制晶体转速为5rpm，石英坩埚转速为5rpm，缩颈后晶体生长速度由70mm/h程序降低至40mm/h，晶棒直径达到要求完成转肩，进而提高晶体生长速度至50mm/h连续等径生长，最后收尾阶段程序提高晶体生长速度至150mm/h完成晶体生长，整个过程中晶体沿<100>晶向生长。
冷却后，硅晶体中硼的掺杂浓度为3.2×1015~7.9×1015个原子/立方厘米，镓的掺杂浓度为1.5×1013~1.5×1014个原子/立方厘米，电阻率1.5~4.5Ω/cm。将硅棒经过切段、开方、磨圆、线切割为180±20μm硼镓共掺单晶硅片。
经过制绒、扩散、等离子刻蚀、等离子镀膜、丝网印刷和烧结过程制作为硼镓共掺单晶硅太阳能电池，取硼镓共掺单晶硅太阳能电池与常规硼掺杂基片的太阳能电池，测试电池各项性能，两者基本持平，在1000W/m2的条件下连续光照5h，再次测试电池性能，对比光照前后的电池最大输出功率，硼镓共掺单晶的LID为1.5%，常规掺硼单晶为2.3%。
实施例2
将多晶硅料、0.4g硼硅合金、6.6g镓硅合金共计66kg合理装入石英坩埚，码放整齐，初始熔体中镓浓度预计3.0×1015个原子/立方厘米，硼浓度预计3.0×1015个原子/立方厘米，目标电阻率1.1~2.9Ω/cm。将装有上述原料置于直拉单晶炉中，系统抽真空，对炉体进行加热，控制炉内温度逐步升高到1460℃，使原料和合金全部融化，充分混合后稳定熔体温度在1430℃，缓慢放入籽晶，调节炉内的温度梯度恒定，经过引晶、缩颈、放肩、等径生长、收尾阶段，在整个过程中保持过程中控制晶体转速为10rpm，石英坩埚转速为10rpm，缩颈后晶体生长速度由60mm/h程序降低至38mm/h，晶棒直径达到要求完成转肩，进而提高晶体生长速度至47mm/h连续等径生长，最后收尾阶段程序提高晶体生长速度至120mm/h完成晶体生长，整个过程中晶体沿<100>晶向生长。
冷却后，硅晶体中硼的掺杂浓度为2.4×1015~6.0×1015个原子/立方厘米，镓的掺杂浓度为2.4×1013~2.3×1015个原子/立方厘米，电阻率1.2~2.8Ω/cm。将硅棒经过切段、开方、磨圆、线切割为180±20μm硅片。
经过制绒、扩散、等离子刻蚀、等离子镀膜、丝网印刷和烧结过程制作为电池，取电池片与常规硼掺杂基片的电池，取硼镓共掺单晶硅太阳能电池与常规硼掺杂基片的太阳能电池，测试电池各项性能，两者基本持平，在1000W/m2的条件下连续光照5h，再次测试电池性能，对比光照前后的电池最大输出功率，硼镓共掺单晶的LID为1.7%，常规掺硼单晶为2.3%。
实施例3
将多晶硅料、5.6g硼硅合金、0.09g金属镓共计80kg合理装入石英坩埚，码放整齐，初始熔体中镓浓度预计1.0×1016个原子/立方厘米，硼浓度预计5.0×1015个原子/立方厘米，目标电阻率0.9~3.5Ω/cm。将装有上述原料置于直拉单晶炉中，系统抽真空，对炉体进行加热，控制炉内温度逐步升高到1480℃，使原料和合金全部融化，充分混合后稳定熔体温度在1450℃，缓慢放入籽晶，调节炉内的温度梯度恒定，经过引晶、缩颈、放肩、等径生长、收尾阶段完，在整个过程中保持过程中控制晶体转速为15rpm，石英坩埚转速为15rpm，缩颈后晶体生长速度由100mm/h程序降低至45mm/h，晶棒直径达到要求完成转肩，进而提高晶体生长速度至53mm/h连续等径生长，最后收尾阶段程序提高晶体生长速度至110mm/h完成晶体生长，整个过程中晶体沿<100>晶向生长。
冷却后，硅晶体中硼的掺杂浓度为4.0×1015~1.0×1016个原子/立方厘米，镓的掺杂浓度为8.0×1013~7.7×1015个原子/立方厘米，电阻率1.1~3.3Ω/cm。将硅棒经过切段、开方、磨圆、线切割为180±20μm硅片。
经过制绒、扩散、等离子刻蚀、等离子镀膜、丝网印刷和烧结过程制作为电池，取电池片与常规硼掺杂基片的电池，取硼镓共掺单晶硅太阳能电池与常规硼掺杂基片的太阳能电池，测试电池各项性能，两者基本持平，在1000W/m2的条件下连续光照5h，再次测试电池性能，对比光照前后的电池最大输出功率，硼镓共掺单晶的LID为1.25%，常规掺硼单晶为2.3%。
以上列举的具体实施例是对本发明进行的说明。需要指出的是，以上实施例只用于对本发明作进一步说明，不代表本发明的保护范围，其他人根据本发明的提示做出的非本质的修改和调整，仍属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种硼镓共掺单晶硅片，其特征是：在硼镓共掺单晶硅片中含有硼元素和镓元素，其中硼元素的浓度为1014~1016个原子/立方厘米，镓元素的浓度为1013~6×1016个原子/立方厘米。
2.一种硼镓共掺单晶硅太阳能电池，其特征是：主要以权利要求1中所述的硼镓共掺单晶硅片为原料制成，且在制成的硼镓共掺单晶硅太阳能电池的基体中，硼元素的浓度为1014~1016个原子/立方厘米，镓元素的浓度为1013~6×1016个原子/立方厘米。
3.权利要求1所述的硼镓共掺单晶硅太阳能电池的制备方法，其特征是含以下步骤：
（1）将多晶硅料、硼硅合金以及镓金属或镓硅合金原料置于石英坩埚中；
（2）将装有上述原料的石英坩埚置于直拉单晶炉中，抽真空处理；
（3）对直拉单晶炉炉体加热使上述原料全部融化，混匀后，调节炉体内部温度，缓慢放入籽晶；
（4）炉体内的籽晶经引晶、缩颈、放肩、等径生长、收尾阶段完成晶体生长过程，制成单晶晶棒；
（5）将步骤（4）中制成的单晶晶棒经过后续处理加工成硼镓共掺单晶硅片，用于制作硼镓共掺单晶硅电池能电池。
4.根据权利要求3所述的硼镓共掺单晶硅太阳能电池的制备方法，其特征是：步骤（1）中所述的硼硅合金占多晶硅、硼硅合金以及金属镓或镓硅合金总重量的0.0006~0.007%；镓金属或镓硅合金的用量占多晶硅、硼硅合金以及金属镓或镓硅合金总重量的0.0001~0.01%。
5.根据权利要求3所述的硼镓共掺单晶硅太阳能电池的制备方法，其特征是：步骤（3）中对直拉单晶炉炉体加热到1450~1480℃使上述原料全部融化，混匀后，调节炉体内部温度为1420~1450℃，缓慢放入籽晶。
6.根据权利要求3所述的硼镓共掺单晶硅太阳能电池的制备方法，其特征是：步骤（3）中采用的籽晶为单晶硅。
7.根据权利要求3所述的硼镓共掺单晶硅太阳能电池的制备方法，其特征是：步骤（4）中炉体内的籽晶经引晶、缩颈、放肩、等径生长、收尾阶段完成晶体生长过程，整个过程中控制晶体转速为5~15rpm，石英坩埚转速为5~15rpm，放肩、等径生长、收尾阶段晶体平均生长速度30~150mm/h。
8.根据权利要求3所述的硼镓共掺单晶硅太阳能电池的制备方法，其特征是： 步骤（4）中采用直拉法将炉体内的籽晶经引晶、缩颈、放肩、等径生长、收尾阶段完成晶体生长过程，制成单晶晶棒；且步骤（4）中晶体生长过程中单晶生长方向为<100>方向。
9.根据权利要求2所述的硼镓共掺单晶硅太阳能电池的制备方法，其特征是：步骤（5）中所述硼镓共掺单晶硅太阳能电池的目标电阻率为0.5~6Ω/cm。
10.根据权利要求2所述的硼镓共掺单晶硅太阳能电池的制备方法，其特征是：步骤（5）中制成的硼镓共掺单晶硅太阳能电池的光致衰退幅度为0.5%~2.5%。
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