專利名稱：區(qū)熔氣相摻雜太陽能電池硅單晶的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅單晶的制備方法，特別涉及一種用于生產(chǎn)太陽能硅電池的區(qū)熔氣相摻雜太陽能電池硅單晶的制備方法。
背景技術(shù)：
目前，用于硅太陽能電池的主體功能性材料主要由區(qū)熔單晶硅、直拉單晶硅、直拉多晶硅、澆注多晶硅、CVD非晶硅等材料進行不同級別(光電轉(zhuǎn)換效率)的硅太陽能電池生產(chǎn)。未來，全球硅太陽能電池的發(fā)展和產(chǎn)品構(gòu)成將綜合考慮成本和效率兩方面的因素，發(fā)達國家將進一步向轉(zhuǎn)換效率更高的區(qū)熔硅單晶材料發(fā)展。由于用傳統(tǒng)的制備方法生產(chǎn)的硅單晶普遍存在非平衡少數(shù)載流子壽命低，氧、碳含量低等缺點，已遠遠不能滿足市場要求。但是，要想生產(chǎn)出適應(yīng)國內(nèi)外發(fā)展的低成本，高效率的太陽能硅單晶，必須解決由于電阻率熱不穩(wěn)定性而容易造成太陽能功率器件在制造過程中的局限性問題以及存在高壓電離問題。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述技術(shù)現(xiàn)狀及技術(shù)難題，本發(fā)明提供一種區(qū)熔氣相摻雜太陽能電池硅單晶的制備方法。該方法是在拉晶過程中直接摻入雜質(zhì)元素，省去普通區(qū)熔法的中照過程，縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本，由于不受電阻率范圍限制(中照單晶電阻率值≥30Ωcm)，可以生產(chǎn)低電阻率(最低可以達到0.01Ωcm)單晶。不影響單晶微觀粒子分布情況，不需要退火熱處理(消除中照損傷)。采用該方法生產(chǎn)的硅單晶滿足了國內(nèi)外市場對低成本，高效率的太陽能硅單晶的需求。
本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種區(qū)熔氣相摻雜太陽能電池硅單晶的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟設(shè)置摻雜氣體設(shè)定值首先在拉晶控制屏上打開“摻雜”界面，然后進行流量和壓力調(diào)整即設(shè)定氬氣流量，摻雜氣流量、入爐流量及放空壓力四項的設(shè)定值；拉細頸在抽空充氣過程中，調(diào)整爐膛壓力；開摻雜氣體在細頸拉制完成之后，打開“摻雜”界面，將“氬氣關(guān)閉、摻雜氣關(guān)閉、入爐關(guān)閉”三項變成“氬氣打開、摻雜氣打開、入爐打開”；擴肩、充入氮氣當單晶的直徑擴肩到Φ110mm～130mm時，立即調(diào)整單晶爐的陽極電壓，同時還要設(shè)定單晶爐編碼器控制下軸向下的運動速度及轉(zhuǎn)動速度，此時，開始充入氮氣；收尾、停爐、停摻雜氣體當單晶收尾后，停止摻雜氣體的充入，打開“摻雜”界面，將“氬氣打開、摻雜氣打開、入爐打開”三項變成“氬氣關(guān)閉、摻雜氣關(guān)閉、入爐關(guān)閉”，完成摻雜氣體的關(guān)閉之后，重新回到單晶拉制的準備工作中，去進行下一顆單晶的拉制。
采取上述技術(shù)方案，還要解決高壓電離的問題，解決這一問題要在氬氣(Ar)保護氣氛中摻入一定比例的N2。但是，N2不能過早地摻入，因為在高溫下將生成氮化物，它不易熔化，一旦不能一次成晶，將對再次成晶造成影響。因此，在單晶生長中，應(yīng)根據(jù)爐壓的情況，在擴肩到Φ110mm時，摻入N2。N2的摻入比例應(yīng)控制在一定范圍，太少了不起作用，太多會對正常的單晶生長造成破壞。當保護氣氛中氮含量≥5％時，會誘發(fā)位錯的產(chǎn)生，造成對無位錯單晶的破壞。通過實際探索，認為N2的摻入比例在0.5％～0.6％為最佳(相對Ar)。另外，區(qū)熔硅單晶摻氮后，并不會對硅單晶的機械性能及電學性能造成影響，反而會提高硅片的機械強度，減少硅片的碎片率。
在單晶的生長過程中，會經(jīng)歷一個界面翻轉(zhuǎn)的過程，即生長界面由凸變凹。在小直徑單晶的生長中，這一過程一般發(fā)生在單晶的等徑或放肩階段。而對于大直徑單晶來說，界面翻轉(zhuǎn)一般發(fā)生在放肩階段，也就是當單晶直徑擴肩到Φ110mm～130mm時，發(fā)生界面翻轉(zhuǎn)。在界面翻轉(zhuǎn)過程中將出現(xiàn)局部晶體的回熔，生長界面的熱平衡將發(fā)生改變，建立新的熱平衡，這一過程要根據(jù)生長界面的情況，及時補充功率，但功率不能增加過多、過快，以免界面翻轉(zhuǎn)過后晶體直徑突然迅速增大，難以控制。因此通過多次實驗得出每隔5～10秒補充功率，即緩慢增加陽極電壓設(shè)定點，來達到控制界面翻轉(zhuǎn)過程中加熱功率的目的。


圖1是區(qū)熔氣相摻雜太陽能電池硅單晶生產(chǎn)工藝流程圖并作為摘要附圖。
具體實施例方式
參照圖1，區(qū)熔氣相摻雜太陽能電池硅單晶生產(chǎn)工藝流程是準備工作→設(shè)置摻雜氣體設(shè)定值→拉細頸→開摻雜氣體→擴肩、充入氮氣→轉(zhuǎn)肩、保持→收尾、停爐、停摻雜氣體。在設(shè)置摻雜氣體設(shè)定值工藝中，流量和壓力調(diào)整的設(shè)定值范圍是氬氣流量為1～5L/min，摻雜氣流量為1～100ml/min，入爐流量為1～100ml/min，放空壓力為1～5bar，摻雜氣體為硼烷與氬氣的混合氣體，濃度0.1‰～1‰(體積比)；壓力≥5bar。
在拉細頸工藝中，爐膛壓力設(shè)為3.0bar～3.2bar。在擴肩、充入氮氣工藝中，調(diào)整單晶爐的陽極電壓是每隔5～10秒，將陽極電壓設(shè)定點增加0.1％～0.3％；當區(qū)熔硅單晶的直徑擴肩到Φ110mm時，將區(qū)熔單晶爐編碼器控制下軸向下的運動速度設(shè)定在2.0～2.4mm/分范圍內(nèi)，其轉(zhuǎn)動速度設(shè)定在4～6轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)；所述的充入氮氣的比例相對于Ar的0.5％～0.6％。
如果以Φ5″<100>區(qū)熔氣相摻雜太陽能電池硅單晶為例，其摻雜氣濃度(體積比)為1‰，摻雜氣體流量和壓力調(diào)整的設(shè)定值為氬氣流量1L/min，摻雜氣流量5ml/min，入爐流量5ml/min，放空壓力5bar。氮氣摻入濃度為0.5％。
在拉細頸工藝中，爐膛壓力設(shè)為3.0bar。在擴肩、充入氮氣工藝中，當區(qū)熔硅單晶的直徑擴肩到Φ110mm時，將單晶爐編碼的控制下軸向下的運動速度設(shè)定為2.2mm/分，其轉(zhuǎn)動速度設(shè)定在5轉(zhuǎn)/分；充入氮氣的比例相對于氬氣Ar的0.5％。
本發(fā)明采用的區(qū)熔單晶爐、摻雜裝置及其附屬設(shè)備均由丹麥PVA TePla公司提供。在拉晶過程中，需要不斷的調(diào)整區(qū)熔單晶爐發(fā)生器的設(shè)定點，而該設(shè)備發(fā)生器陽極電壓設(shè)定點是以百分比給出，即每一次調(diào)整功率，觸摸屏上顯示的永遠是百分比。例如當區(qū)熔硅單晶直徑擴肩到Φ110mm～130mm時，此時的陽極電壓設(shè)定點一般為70％，如果將陽極電壓增加0.1％，那么觸摸屏上顯示的設(shè)定點應(yīng)該是70.1％。
Φ5″<100>區(qū)熔氣相摻雜太陽能電池硅單晶主要技術(shù)參數(shù)單晶直徑為128.5±0.5mm，單晶晶向為<100>，單晶導電類型為P型，單晶電阻率為0.5～3Ωcm。如果單晶電阻率低于0.5Ωcm時，應(yīng)適當減少摻雜氣或入爐流量；如果單晶電阻率高于3Ωcm時，應(yīng)適當增加摻雜氣或入爐流量。
權(quán)利要求
1.一種區(qū)熔氣相摻雜太陽能電池硅單晶的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟設(shè)置摻雜氣體設(shè)定值首先在拉晶控制屏上打開“摻雜”界面，然后進行流量和壓力調(diào)整即設(shè)定氬氣流量、摻雜氣流量、入爐流量及放空壓力四項的設(shè)定值；拉細頸在抽空充氣過程中，調(diào)整爐膛壓力；開摻雜氣體在細頸拉制完成之后，打開“摻雜”界面，將“氬氣關(guān)閉、摻雜氣關(guān)閉、入爐關(guān)閉”三項變成“氬氣打開、摻雜氣打開、入爐打開”；擴肩、充入氮氣當單晶的直徑擴肩到Ф110mm～130mm時，立即調(diào)整單晶爐的陽極電壓，同時還要設(shè)定單晶爐編碼器控制下軸向下的運動速度及轉(zhuǎn)動速度，此時，開始充入氮氣；收尾、停爐、停摻雜氣體當單晶收尾后，停止摻雜氣體的充入，打開“摻雜”界面，將“氬氣打開、摻雜氣打開、入爐打開”三項變成“氬氣關(guān)閉、摻雜氣關(guān)閉、入爐關(guān)閉”，完成摻雜氣體的關(guān)閉之后，重新回到單晶拉制的準備工作中，去進行下一顆單晶的拉制。
2.如權(quán)利要求1所述的區(qū)熔氣相摻雜太陽能電池硅單晶的制備方法，其特征在于所述的流量和壓力調(diào)整的設(shè)定值范圍是氬氣流量為1～5L/min，摻雜氣流量為1～100ml/min，入爐流量為1～100ml/min，放空壓力為1～5bar。
3.如權(quán)利要求1所述的區(qū)熔氣相摻雜太陽能電池硅單晶的制備方法，其特征在于所述的爐膛壓力設(shè)為3.0bar～3.2bar。
4.如權(quán)利要求1所述的區(qū)熔氣相摻雜太陽能電池硅單晶的制備方法，其特征在于所述的調(diào)整單晶爐的陽極電壓是每隔5～10秒，將陽極電壓設(shè)定點增加0.1％～0.3％；當區(qū)熔硅單晶的直徑擴肩到Ф110mm時，將區(qū)熔單晶爐編碼器控制下軸向下的運動速度設(shè)定在2.0～2.4mm/分范圍內(nèi)，其轉(zhuǎn)動速度設(shè)定在4～6轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)；所述的充入氮氣的比例相對于Ar的0.5％～0.6％。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硅單晶的制備方法，特別涉及一種用于生產(chǎn)太陽能硅電池的區(qū)熔氣相摻雜太陽能電池硅單晶的制備方法。該方法包括設(shè)置摻雜氣體設(shè)定值首先在拉晶控制屏上打開“摻雜”界面，然后進行流量和壓力調(diào)整即設(shè)定氬氣，摻雜氣、入爐及放空四項的設(shè)定值；拉細頸在抽空充氣過程中，調(diào)整爐膛壓力；開摻雜氣體打開“摻雜”界面，將“氬氣、摻雜氣、入爐關(guān)閉”三項變成“氬氣、摻雜氣、入爐打開”。擴肩、充入氮氣當單晶的直徑擴肩到Φ110mm～130mm時，立即調(diào)整陽極電壓，同時還要設(shè)定下軸向下的運動速度及轉(zhuǎn)動速度，此時，開始充入氮氣；收尾、停爐、停摻雜氣體打開“摻雜”界面，將“氬氣、摻雜氣、入爐打開”三項變成“氬氣、摻雜、入爐關(guān)閉”。采用該方法生產(chǎn)的硅單晶滿足了國內(nèi)外市場對低成本，高效率的太陽能硅單晶的需求。
文檔編號C30B31/00GK1763266SQ200510015280
公開日2006年4月26日 申請日期2005年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月29日
發(fā)明者沈浩平, 高樹良, 劉為鋼, 王聚安, 高福林, 張煥新, 寧燕, 趙宏波, 李穎輝, 牛建軍 申請人:天津市環(huán)歐半導體材料技術(shù)有限公司