CN108531983A - 掺镓多晶硅锭的制备方法及掺镓多晶硅锭 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于光伏电池技术领域，提供了掺镓多晶硅锭的制备方法及掺镓多晶硅锭，该方法包括：将镓硅掺杂剂块铺设在第一坩埚底部，所述镓硅掺杂剂块包括镓元素和硅元素；在铺设镓硅掺杂剂块后的第一坩埚内放入多晶硅原料，并将所述第一坩埚放置于铸锭炉中，将所述铸锭炉抽真空；升高所述铸锭炉内的温度，使多晶硅原料全部熔化，所述镓硅掺杂剂块部分熔化；对全部熔化后的多晶硅原料和部分熔化后的镓硅掺杂剂块进行结晶处理，生长成多晶硅锭。本发明能够制备掺杂浓度均匀的掺镓多晶硅锭。

Description

掺镓多晶硅锭的制备方法及掺镓多晶硅锭
技术领域
本发明属于光伏电池技术领域，尤其涉及一种掺镓多晶硅锭的制备方法及掺镓多晶硅锭。
背景技术
生产多晶硅太阳能电池的硅片是由多晶硅锭加工制成的，通常，多晶硅锭通过掺杂硼(B)制备p型太阳能电池硅片，但是，太阳能电池在工作时B与硅片中残留的氧(O)在光照下会形成B-O复合体，与硅片中的杂质铁(Fe)会形成B-Fe对，导致太阳能电池出现衰减现象，降低太阳能电池的转换效率。目前，常用的方法是在多晶硅锭中掺入镓(Ga)，但是，Ga在硅液的分凝系数非常小，由于现有的制备多晶硅锭的工艺为定向凝固方式结晶，导致Ga的掺杂浓度在多晶硅锭的分布非常不均匀。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种掺镓多晶硅锭的制备方法及掺镓多晶硅锭，以解决现有技术中制备掺镓多晶硅锭时镓的掺杂浓度分布不均匀的问题。
本发明实施例第一方面提供了一种掺镓多晶硅锭的制备方法，包括：
将镓硅掺杂剂块铺设在第一坩埚底部，所述镓硅掺杂剂块包括镓元素和硅元素；
在铺设镓硅掺杂剂块后的第一坩埚内放入多晶硅原料，并将所述第一坩埚放置于铸锭炉中，将所述铸锭炉抽真空；
升高所述铸锭炉内的温度，使多晶硅原料全部熔化，所述镓硅掺杂剂块部分熔化；
对全部熔化后的多晶硅原料和部分熔化后的镓硅掺杂剂块进行结晶处理，生长成多晶硅锭。
可选的，还包括：
制备镓硅母合金；
对所述镓硅母合金进行切割，获得多个镓硅掺杂剂块，并对获得的多个镓硅掺杂剂块进行清洗处理。
进一步的，所述制备镓硅母合金，包括：
在第二坩埚底部放入氧化镓；
在放入氧化镓后的第二坩埚内放入多晶硅原料，并将所述第二坩埚放置于铸锭炉中，将所述铸锭炉抽真空；
升高所述铸锭炉内的温度，使多晶硅原料和所述氧化镓全部熔化；
对全部熔化后的多晶硅原料和氧化镓进行结晶处理，生长成镓硅母合金。
进一步的，所述制备镓硅母合金，包括：
在第三坩埚底部放入氧化镓；
在放入氧化镓后的第三坩埚内放入多晶硅原料和硼硅母合金，并将所述第三坩埚放置于铸锭炉中，将所述铸锭炉抽真空，其中，硼硅母合金包括硼元素和硅元素；
升高所述铸锭炉内的温度，使多晶硅原料、所述氧化镓和硼硅母合金全部熔化；
对全部熔化后的多晶硅原料、氧化镓和硼硅母合金进行结晶处理，生长成镓硅母合金。
可选的，所述对全部熔化后的多晶硅原料和部分熔化后的镓硅掺杂剂块进行结晶处理，生长成多晶硅锭，包括：
降低所述铸锭炉内的温度，使全部熔化后的多晶硅原料和部分熔化后的镓硅掺杂剂块在未熔化的镓硅掺杂剂块的基础上开始长晶；
长晶完成后经退火和冷却后形成多晶硅锭。
可选的，还包括：
在铺设镓硅掺杂剂块后的第一坩埚内放入硼硅母合金其中，硼硅母合金包括硼元素和硅元素；
所述升高所述铸锭炉内的温度，使多晶硅原料全部熔化，所述镓硅掺杂剂块部分熔化，包括：
升高所述铸锭炉内的温度，使多晶硅原料和硼硅母合金全部熔化，所述镓硅掺杂剂块部分熔化；
对全部熔化后的多晶硅原料和部分熔化后的镓硅掺杂剂块进行结晶处理，生长成多晶硅锭，包括：
对全部熔化后的多晶硅原料、全部熔化后的硼硅母合金和部分熔化后的镓硅掺杂剂块进行结晶处理，生长成多晶硅锭。
可选的，还包括：
在所述第一坩埚内表面涂覆保护层，所述保护层的材质包括氮化硅、纯水和硅溶胶；所述保护层中氮化硅、纯水和硅溶胶的质量比为1:1.5:0.1至1:4:0.5；所述保护层的厚度为50微米至500微米。
可选的，所述镓硅掺杂剂块中的硅元素与镓元素的质量比为100000:7至10000:35。
可选的，多晶硅原料的纯度大于99.9999％。
本发明实施例第二方面提供了一种掺镓多晶硅锭，所述掺镓多晶硅锭按照如本发明实施例第一方面所述的掺镓多晶硅锭的制备方法制得。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例通过将镓硅掺杂剂块铺设在坩埚底部，采用半熔工艺制备多晶硅锭，使多晶硅原料全部熔化，镓硅掺杂剂块部分熔化，未熔化的镓硅掺杂剂块作为引晶层，结晶过程中，熔化后的镓元素通过分凝作用在多晶硅锭内自下至上浓度逐渐升高，而未熔化的硅镓掺杂剂块内的镓元素通过高温扩散作用在多晶硅锭内自下至上浓度逐渐下降，从而得到掺杂浓度均匀的掺镓多晶硅锭。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的掺镓多晶硅锭的制备方法的实现流程示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一
请参考图1，掺镓多晶硅锭的制备方法包括：
步骤S101，将镓硅掺杂剂块铺设在第一坩埚底部，所述镓硅掺杂剂块包括镓元素和硅元素。
在本发明实施例中，将多个硅镓掺杂剂块平铺在第一坩埚底部，使硅镓掺杂剂块刚好铺满坩埚底部。镓硅掺杂剂块的边长为152毫米至160毫米，厚为10毫米至20毫米。例如，将36块镓硅掺杂剂块平铺在G6坩埚底部，且单层摆放，36块镓硅掺杂剂块刚好能够铺满坩埚底部。
可选的，所述镓硅掺杂剂块中的硅元素与镓元素的质量比为100000:7至10000:35。
在本发明实施例中，镓硅掺杂剂块中，镓元素含量太少时，不能有效降低太阳能电池的衰减，镓元素含量太多时，由于镓的分凝系数很小，会导致掺镓多晶硅锭顶部电阻率太小，影响后续太阳能电池的制作。
可选的，还包括：制备镓硅母合金；对所述镓硅母合金进行切割，获得多个镓硅掺杂剂块，并对获得的多个镓硅掺杂剂块进行清洗处理。
在本发明实施例中，首先制备镓硅母合金，再使用带锯或其他硅块切割设备将镓硅母合金切割成多个边长为152毫米至160毫米，厚为10毫米至20毫米的小方块，制备成镓硅掺杂剂块，然后对镓硅掺杂剂块进行清洗处理，将清洗后的多个镓硅掺杂剂块平铺在坩埚底部。
进一步的，所述制备镓硅母合金，包括：在第二坩埚底部放入氧化镓；在放入氧化镓后的第二坩埚内放入多晶硅原料，并将所述第二坩埚放置于铸锭炉中，将所述铸锭炉抽真空；升高所述铸锭炉内的温度，使多晶硅原料和所述氧化镓全部熔化；对全部熔化后的多晶硅原料和氧化镓进行结晶处理，生长成镓硅母合金。
在本发明实施例中，首先根据需要称量氧化镓和多晶硅原料，然后将称量好的氧化镓放在第二坩埚底部，再按照常规装料方法在第二坩埚内放入多晶硅原料，在装料过程中，注意多晶硅原料的摆放，轻拿轻放，防止多晶硅原料掉落磕碰第二坩埚。装料后进行铸锭，铸锭工艺为全熔工艺，全部熔化多晶硅原料和氧化镓，然后进行结晶处理，使全部熔化后的多晶硅原料和氧化镓全部结晶，经退火和冷却后形成镓硅母合金。
进一步的，所述制备镓硅母合金，包括：
在第三坩埚底部放入氧化镓；在放入氧化镓后的第三坩埚内放入多晶硅原料和硼硅母合金，并将所述第三坩埚放置于铸锭炉中，将所述铸锭炉抽真空，其中，硼硅母合金包括硼元素和硅元素；升高所述铸锭炉内的温度，使多晶硅原料、所述氧化镓和硼硅母合金全部熔化；对全部熔化后的多晶硅原料、氧化镓和硼硅母合金进行结晶处理，生长成镓硅母合金。
在本发明实施例中，首先根据需要称量氧化镓、多晶硅料和硼硅母合金，然后将称量好的氧化镓放在第三坩埚底部，再按照常规装料方法在第三坩埚内放入多晶硅原料和硼硅母合金，在装料过程中，注意多晶硅原料摆放，轻拿轻放，防止多晶硅原料和硼硅母合金掉落磕碰第三坩埚。装料后进行铸锭，铸锭工艺为全熔工艺，全部熔化多晶硅原料、氧化镓和硼硅母合金，然后进行结晶处理，使全部熔化后的多晶硅原料、氧化镓和硼硅母合金全部结晶，经退火和冷却后形成镓硅母合金。在本发明实施例中，由于Ga的分凝系数很小，不利于制备高掺杂浓度的p型多晶硅锭，通过在镓硅掺杂剂块中掺入B，由于B的分凝系数大，以B作为主要的掺杂元素，能够得到高掺杂浓度的p型多晶硅锭。
可选的，所述第一坩埚内表面涂覆保护层，所述保护层的材质包括氮化硅、纯水和硅溶胶，所述保护层中氮化硅、纯水和硅溶胶的质量比为1:1.5:0.1至1:4:0.5，所述保护层的厚度为50微米至500微米。
在本发明实施例中，将高纯氮化硅、纯水和硅溶胶充分混合，溶液混合均匀后通过喷涂法将该混合溶液喷涂到第一坩埚内底面和侧壁上，其中，喷涂法包括但不限于滚刷法、高压喷枪喷涂法或手工涂刷法。其中，氮化硅、纯水和硅溶胶的质量比为1:1.5:0.1至1:4:0.5，若纯水太多，喷涂的次数会增加，喷涂时间长，且引晶层疏松，致密性差，若纯水太少，混合溶液粘稠，不易喷涂，使用喷枪喷涂时，容易造成喷枪堵枪。硅溶胶作为氮化硅粘接剂，能够提高氮化硅粘接强度。硅溶胶的质量份数不易过多也不易过少，若硅溶胶太多，混合溶液黏度大，不易喷涂，使用喷枪喷涂时，容易造成喷枪堵枪，若硅溶胶太少，混合溶液黏度太小，导致硅溶胶起不到粘接作用。保护层的厚度不宜太薄，若保护层的厚度小于50微米时，则氮化硅用量偏少，高温下硅液会渗透氮化硅，无法起到对第二坩埚的保护作用。保护层的厚度不宜太厚，保护层的厚度大于500微米时，导致氮化硅的用量太多，提高成本。
第二坩埚内表面和第三坩埚内表面也涂覆有保护层，且保护层的材质和涂覆方法与第一坩埚相同，在此不再赘述。
步骤S102，在铺设镓硅掺杂剂块后的第一坩埚内放入多晶硅原料，并将所述第一坩埚放置于铸锭炉中，将所述铸锭炉抽真空。
在本发明实施例中，根据需要称量多晶硅原料，其中，多晶硅原料的纯度大于99.9999％。在第一坩埚底部平铺镓硅掺杂剂后，第一坩埚内放入多晶硅料，将第一坩埚放入铸锭炉中，并将铸锭炉抽真空。
步骤S103，升高所述铸锭炉内的温度，使多晶硅原料全部熔化，所述镓硅掺杂剂块部分熔化。
在本发明实施例中，铸锭工艺为半熔工艺，化料后期，通过测试发现镓硅掺杂剂块有部分熔化时，停止化料，使多晶硅料全部熔化，镓硅掺杂剂块部分熔化，未熔化的镓硅掺杂剂块作为引晶层。其中，镓硅掺杂剂块部分熔化是指镓硅掺杂剂块中熔化的质量分数为10％至90％。
步骤S104，对全部熔化后的多晶硅原料和部分熔化后的镓硅掺杂剂块进行结晶处理，生长成多晶硅锭。
可选的，步骤S104的实现方式为：降低所述铸锭炉内的温度，使全部熔化后的多晶硅原料和部分熔化后的镓硅掺杂剂块在未熔化的镓硅掺杂剂块的基础上开始长晶；长晶完成后经退火和冷却后形成多晶硅锭
在本发明实施例中，降低铸锭炉的温度至硅的熔点以下，并打开坩埚底部的散热窗口，未熔化的镓硅掺杂剂块作为引晶层，全部熔化后的多晶硅原料和部分熔化后的镓硅掺杂剂块在未熔化的镓硅掺杂剂块的基础上开始长晶，全部熔化后的多晶硅原料和部分熔化后的镓硅掺杂剂块全部长晶完成后，经退火和冷却后形成多晶硅锭。
可选的，还包括：在铺设镓硅掺杂剂块后的第一坩埚内放入硼硅母合金，其中，硼硅母合金包括硼元素和硅元素；
步骤S103的实现方式为：升高所述铸锭炉内的温度，使多晶硅原料和硼硅母合金全部熔化，所述镓硅掺杂剂块部分熔化；
步骤S104的实现方式为：对全部熔化后的多晶硅原料、全部熔化后的硼硅母合金和部分熔化后的镓硅掺杂剂块进行结晶处理，生长成多晶硅锭。
在本发明实施例中，在铺设镓硅掺杂剂块后的第一坩埚内放入多晶硅原料和硼硅母合金，再通过半熔工艺，全部熔化多晶硅原料和硼硅母合金，部分熔化镓硅掺杂剂块，通过结晶工艺，全部熔化后的多晶硅原料、全部熔化后的硼硅母合金和部分熔化后的镓硅掺杂剂块在未熔化的镓硅母合金的基础上开始长晶，长晶完成后经退火和冷却后形成多晶硅锭。
在本发明实施例中，由于Ga的分凝系数很小，不利于制备高掺杂浓度的p型多晶硅锭，B的分凝系数大，以B作为主要的掺杂元素，能够得到高掺杂浓度的p型多晶硅锭。可以通过在镓硅掺杂剂块中掺入B，实现B掺杂，也可以在装料时在第一坩埚内放入硼硅母合金，实现B掺杂，或者两种方式同时使用。
本发明实施例通过将镓硅掺杂剂块铺设在坩埚底部，采用半熔工艺制备多晶硅锭，使多晶硅原料全部熔化，镓硅掺杂剂块部分熔化，未熔化的镓硅掺杂剂块作为引晶层，结晶过程中，熔化后的镓元素通过分凝作用在多晶硅锭内自下至上浓度逐渐升高，而未熔化的硅镓掺杂剂块内的镓元素通过高温扩散作用在多晶硅锭内自下至上浓度逐渐下降，从而得到掺杂浓度均匀的掺镓多晶硅锭。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
实施例二
一种掺镓多晶硅锭，所述掺镓多晶硅锭按照如本发明实施例第一方面所述的掺镓多晶硅锭的制备方法制得，并具有本发明实施例一所具有的有益效果。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种掺镓多晶硅锭的制备方法，其特征在于，包括：
将镓硅掺杂剂块铺设在第一坩埚底部，所述镓硅掺杂剂块包括镓元素和硅元素；
在铺设镓硅掺杂剂块后的第一坩埚内放入多晶硅原料，并将所述第一坩埚放置于铸锭炉中，将所述铸锭炉抽真空；
升高所述铸锭炉内的温度，使多晶硅原料全部熔化，所述镓硅掺杂剂块部分熔化；
对全部熔化后的多晶硅原料和部分熔化后的镓硅掺杂剂块进行结晶处理，生长成多晶硅锭。
2.如权利要求1所述的掺镓多晶硅锭的制备方法，其特征在于，还包括：
制备镓硅母合金；
对所述镓硅母合金进行切割，获得多个镓硅掺杂剂块，并对获得的多个镓硅掺杂剂块进行清洗处理。
3.如权利要求2所述的掺镓多晶硅锭的制备方法，其特征在于，所述制备镓硅母合金，包括：
在第二坩埚底部放入氧化镓；
在放入氧化镓后的第二坩埚内放入多晶硅原料，并将所述第二坩埚放置于铸锭炉中，将所述铸锭炉抽真空；
升高所述铸锭炉内的温度，使多晶硅原料和所述氧化镓全部熔化；
对全部熔化后的多晶硅原料和氧化镓进行结晶处理，生长成镓硅母合金。
4.如权利要求2所述的掺镓多晶硅锭的制备方法，其特征在于，所述制备镓硅母合金，包括：
在第三坩埚底部放入氧化镓；
在放入氧化镓后的第三坩埚内放入多晶硅原料和硼硅母合金，并将所述第三坩埚放置于铸锭炉中，将所述铸锭炉抽真空，其中，硼硅母合金包括硼元素和硅元素；
升高所述铸锭炉内的温度，使多晶硅原料、所述氧化镓和硼硅母合金全部熔化；
对全部熔化后的多晶硅原料、氧化镓和硼硅母合金进行结晶处理，生长成镓硅母合金。
5.如权利要求1所述的掺镓多晶硅锭的制备方法，其特征在于，所述对全部熔化后的多晶硅原料和部分熔化后的镓硅掺杂剂块进行结晶处理，生长成多晶硅锭，包括：
降低所述铸锭炉内的温度，使全部熔化后的多晶硅原料和部分熔化后的镓硅掺杂剂块在未熔化的镓硅掺杂剂块的基础上开始长晶；
长晶完成后经退火和冷却后形成多晶硅锭。
6.如权利要求1至5任一项所述的掺镓多晶硅锭的制备方法，其特征在于，还包括：
在铺设镓硅掺杂剂块后的第一坩埚内放入硼硅母合金，其中，硼硅母合金包括硼元素和硅元素；
所述升高所述铸锭炉内的温度，使多晶硅原料全部熔化，所述镓硅掺杂剂块部分熔化，包括：
升高所述铸锭炉内的温度，使多晶硅原料和硼硅母合金全部熔化，所述镓硅掺杂剂块部分熔化；
对全部熔化后的多晶硅原料和部分熔化后的镓硅掺杂剂块进行结晶处理，生长成多晶硅锭，包括：
对全部熔化后的多晶硅原料、全部熔化后的硼硅母合金和部分熔化后的镓硅掺杂剂块进行结晶处理，生长成多晶硅锭。
7.如权利要求1所述的掺镓多晶硅锭的制备方法，其特征在于，还包括：
在所述第一坩埚内表面涂覆保护层，所述保护层的材质包括氮化硅、纯水和硅溶胶；所述保护层中氮化硅、纯水和硅溶胶的质量比为1:1.5:0.1至1:4:0.5；所述保护层的厚度为50微米至500微米。
8.如权利要求1所述的掺镓多晶硅锭的制备方法，其特征在于，所述镓硅掺杂剂块中的硅元素与镓元素的质量比为100000:7至10000:35。
9.如权利要求1所述的掺镓多晶硅锭的制备方法，其特征在于，多晶硅原料的纯度大于99.9999％。
10.一种掺镓多晶硅锭，其特征在于，所述掺镓多晶硅锭按照如权利要求1-9任一项所述的掺镓多晶硅锭的制备方法制得。
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