CN115852473A - 掺磷硅母合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳能光伏材料技术领域，具体公开了一种掺磷硅母合金的制备方法。采用双温区水平炉，以磷化锌作为掺杂剂。在双温区水平炉内装有密封的石英水平安瓿。石英水平安瓿高温段装有石墨舟，石墨舟内放置多晶硅材料，低温段装有石英坩埚，石英坩埚内放置磷化锌。设定双温区的高温段和低温段不同的温度，并保温一段时间，然后降温，得到掺磷硅母合金。本发明合成掺磷硅母合金的速度快，安全可靠，对设备要求低，大大降低了掺磷硅母合金的制造成本。
Description
技术领域
本发明属于太阳能光伏材料技术领域，具体涉及硅合金的制备方法。
背景技术
太阳能光伏是一种将太阳的光能直接转化为电能的半导体器件。随着科技的进步，越来越多的太阳能光伏得以应用。
光伏行业中，硅太阳能电池占主导位置。目前大多使用直拉法制造单晶硅，即将多晶硅加热熔化，加入掺杂剂，拉制出单晶硅。单晶硅的电阻率的范围较为宽泛，针对太阳能光伏来说，电阻率较低的单晶硅能得到较高的开路电压和光电转换效率，电阻率较高的单晶硅制成的太阳能电池的开路电压较低，导致转换效率很低。重掺磷的单晶硅具有极低的电阻率。目前，主要以单质磷为掺杂剂，在高纯硅材料中掺杂磷，使用直拉法拉制出掺杂剂硅棒，得到均匀的掺磷硅母合金。该方法需要将磷直接置于单晶炉中。由于磷的蒸汽压较高，在单晶生长过程中，磷会大量挥发，很难有效掺入硅单晶中，特别是对于重掺磷的单晶硅，需要掺杂的磷元素越多，掺杂时磷的挥发量越大，不仅污染炉内的热场，在开炉时，磷遇到空气燃烧，产生大量白烟，对安全环保产生较大负面影响。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种新的掺磷硅母合金的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下具体的技术方案。
一种掺磷硅母合金的制备方法，以磷化锌作为掺杂剂。
进一步地，在本发明的部分优选实施方式中，所述掺磷硅母合金的制备方法在双温区水平炉中进行。
进一步地，在本发明的部分优选实施方式中，所述双温区水平炉的高温段为多晶硅的放料区，低温段为磷化锌的放料区。
进一步地，在本发明的部分优选实施方式中，所述双温区水平炉内装有密封的石英水平安瓿，石英水平安瓿高温段装有石墨舟，石墨舟为多晶硅的放料容器；石英水平安瓿的低温段装有石英坩埚，石英坩埚为磷化锌的放料容器。
进一步地，在本发明的部分优选实施方式中，所述多晶硅和磷化锌的质量比为100:1~2。
进一步地，在本发明的部分优选实施方式中，石英水平安瓿的密封方式为真空密封。
进一步地，在本发明的部分优选实施方式中，双温区水平炉的高温段的温度为1410~1450℃，低温段的温度为400~418℃。
进一步地，在本发明的部分优选实施方式中，石英水平安瓿的高温段和低温段的保温时间为48~72h。
进一步地，在本发明的部分优选实施方式中，石英水平安瓿保温结束后，降温，降温速率为20~30℃/h。
本发明采用磷化锌作为太阳能光伏硅材料的掺杂剂，磷化锌在较低的温度下可以被有效的分解，释放出磷蒸汽，磷蒸汽扩散进入硅熔体中；分解产生的锌则为固态，蒸汽压很低，不会污染硅材料。本发明合成掺磷硅母合金的速度快，安全可靠，对设备要求低，大大降低了掺磷硅母合金的制造成本。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例以及对比例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本发明以磷化锌作为掺杂剂制备得到掺磷硅母合金。
在掺磷硅母合金的制备过程中，采用双温区水平炉，在双温区水平炉内装有密封的石英水平安瓿。石英水平安瓿高温段装有石墨舟，石墨舟内放置多晶硅材料，低温段装有石英坩埚，石英坩埚内放置磷化锌。设定双温区的高温段和低温段不同的温度，并保温一段时间，然后降温，得到掺磷硅母合金。
在具体实施方式中，所述石英水平安瓿的密封方式为真空密封。真空密封的石英安瓿可以将磷密封在安瓿瓶中，不会对炉体造成污染。
在具体实施方式中，所述多晶硅和磷化锌的质量比为100:1~2。
在具体实施方式中，石英水平安瓿高温段的温度为1410~1450℃，优选为1430℃。在高温段，多晶硅材料被熔化。
在具体实施方式中，石英水平安瓿低温段的温度为400~418℃。在该温度区段，磷化锌已经开始有效的分解，并缓慢的释放出磷蒸汽。分解产生的锌在该温度下为固态，蒸汽压很低，不会污染多晶硅材料。
磷化锌是粉末状物料，便于精确称量；在空气中不易燃，操作过程更加安全可靠。此外，磷化锌是一种化合物，相当于缓释剂，可以缓和释放磷的过程，降低磷的饱和蒸汽压，减少石英安瓿破裂的风险，保证生产的顺利进行。如果直接用磷作为掺杂剂，由于磷的饱和蒸气压很大，即使在石英安瓿瓶中使用，也会因为蒸气压大而造成石英安瓿破裂。
在具体实施方式中，石英水平安瓿高温段和低温段的保温时间均为48~72h，优选为60~72h。在上述保温时间下，硅熔液吸收足够的磷蒸汽，并达到平衡。
在具体实施方式中，反应完成后，降温。降温速率为20~30℃/h。在该温度下降温，可以防止盛放硅原料的石墨舟开裂。
以下通过具体的实施例和对比例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
实施例1
设计制备电阻率为0.006Ω·cm的硅母合金。
采用双温区水平炉，在双温区水平炉内装有密封的石英水平安瓿。石英水平安瓿高温段装有石墨舟，石墨舟内装有8kg、纯度为7N的多晶硅材料，低温段装有石英坩埚，石英坩埚内装有80g磷化锌。真空密封石英水平安瓿。
设定双温区水平炉的高温段温度为1410℃，低温段温度为400℃，保温72h。然后以20℃/h的降温速率降低至室温。
对比例1
对比例1与实施例1的区别仅在于：氮气密封石英水平安瓿。
对比例2
对比例2与实施例1的区别仅在于：石英水平安瓿位于真空环境，不密封，敞口。
对比例3
对比例3与实施例1的区别仅在于：石英水平安瓿位于氮气气氛中，不密封，敞口。
对比例4
对比例4与实施例1的区别仅在于：双温区水平炉的高温段温度为1450℃。
对比例5
对比例5与实施例1的区别仅在于：双温区水平炉的高温段温度为1400℃。
对比例6
对比例6与实施例1的区别仅在于：双温区水平炉的低温段温度为380℃。
对比例7
对比例7与实施例1的区别仅在于：双温区水平炉的保温时间为40h。
对比例8
对比例8与实施例1的区别仅在于：降温速率为40℃/h。
对比例9
对比例9与实施例1的区别仅在于：降温速率为10℃/h。
对比例10
对比例10与实施例1的区别仅在于：石英坩埚内装有5g磷，替代80g磷化锌。
实施例2
设计制备电阻率为0.01Ω·cm的硅母合金。
采用双温区水平炉，在双温区水平炉内装有密封的石英水平安瓿。石英水平安瓿高温段装有石墨舟，石墨舟内装有10kg、纯度为7N的多晶硅材料，低温段装有石英坩埚，石英坩埚内装有150g磷化锌。真空密封石英水平安瓿。
设定双温区水平炉的高温段温度为1410℃，低温段温度为418℃，保温60h。然后以20℃/h的降温速率降低至室温。
实施例3
设计制备电阻率为0.015Ω·cm的硅母合金。
采用双温区水平炉，在双温区水平炉内装有密封的石英水平安瓿。石英水平安瓿高温段装有石墨舟，石墨舟内装有10kg、纯度为7N的多晶硅材料，低温段装有石英坩埚，石英坩埚内装有200g磷化锌。真空密封石英水平安瓿。
设定双温区水平炉的高温段温度为1410℃，低温段温度为410℃，保温48h。然后以30℃/h的降温速率降低至室温。
测定实施例1~3以及对比例1~9所得产品中的磷含量以及电阻率。
掺磷硅母合金磷含量的测量：采用《GBT 29852-2013光伏电池用硅材料中P、As、Sb施主杂质含量的二次离子质谱测量方法》。
掺磷硅母合金电性能的测量：按照《GBT 1551硅单晶电阻率测定方法》测定。
测定结果如表1所示。
表1
从表1数据可以看出，以磷化锌作为掺杂剂，改变了以磷为掺杂剂时多晶硅无法进行掺杂的情况，且调控合适的工艺参数，可以得到电阻率较低的掺磷硅母合金。
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 (10)
1.一种掺磷硅母合金的制备方法，其特征在于，以磷化锌作为掺杂剂。
2.如权利要求1所述的掺磷硅母合金的制备方法，其特征在于，所述掺磷硅母合金的制备方法在双温区水平炉中进行。
3.如权利要求2所述的掺磷硅母合金的制备方法，其特征在于，所述双温区水平炉的高温段为多晶硅的放料区，低温段为磷化锌的放料区。
4.如权利要求3所述的掺磷硅母合金的制备方法，其特征在于，所述双温区水平炉内装有密封的石英水平安瓿，石英水平安瓿高温段装有石墨舟，石墨舟为多晶硅的放料容器；石英水平安瓿的低温段装有石英坩埚，石英坩埚为磷化锌的放料容器。
5.如权利要求3或4所述的掺磷硅母合金的制备方法，其特征在于，所述多晶硅和磷化锌的质量比为100:1~2。
6.如权利要求4所述的掺磷硅母合金的制备方法，其特征在于，所述石英水平安瓿的密封方式为真空密封。
7.如权利要求3或4所述的掺磷硅母合金的制备方法，其特征在于，所述双温区水平炉的高温段的温度为1410~1450℃，低温段的温度为400~418℃。
8.如权利要求7所述的掺磷硅母合金的制备方法，其特征在于，所述石英水平安瓿的高温段和低温段的保温时间为48~72h。
9.如权利要求8所述的掺磷硅母合金的制备方法，其特征在于，所述石英水平安瓿保温结束后，降温。
10.如权利要求9所述的掺磷硅母合金的制备方法，其特征在于，所述降温的速率为20~30℃/h。
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| CN202211487270.0A CN115852473A (zh) | 2022-11-25 | 2022-11-25 | 掺磷硅母合金的制备方法 |
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