CN101654804A - 一种在晶体生长过程中控制掺镓直拉硅电阻率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在晶体生长过程中控制掺镓直拉硅电阻率的方法，包括如下步骤：在真空或氩气保护下，融熔多晶硅，将镓熔入硅熔液中形成掺镓硅溶液，生长直拉硅单晶，在晶体生长过程中，当晶体的电阻率在1.2－1.0Ω·cm的时候，向剩余的掺镓硅溶液中掺入一定浓度的n型掺杂剂-磷，形成磷、镓共掺的硅溶液后继续生长，使得晶体的电阻率被重新调控到3.0Ω·cm，在晶体固化率达到80～90％时停止生长。向剩余的掺镓硅溶液中掺磷可进行若干次。本发明可以将掺镓直拉硅单晶后半部分的电阻率控制在1～3Ω·cm的范围，有利于增加硅材料在制备高效太阳电池过程的利用率，从而使得高效电池的制造成本大幅度降低，且操作简单，很容易在光伏产业大规模应用。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池材料领域，尤其涉及太阳能电池用掺镓直拉硅单晶的生长技术。
背景技术
太阳能是取之不尽的清洁能源，利用半导体材料的光电转换特性，制备成太阳能电池，可以将太阳能转变成电能。
直拉硅单晶是生产太阳能电池的主要材料之一。传统太阳能光伏技术中，掺硼直拉硅单晶被广泛地应用于太阳电池的制备。但是，由于掺硼直拉硅单晶中的替位硼原子和单晶硅中的氧原子在太阳光照射下，由于少数载流子的注入，将使得氧与硼结合形成硼-氧复合体。而硼-氧复合体是深能级复合中心，会降低少数载流子的寿命，从而导致电池光电转换效率的衰减现象。这种光致衰减现象会导致太阳电池的转换效率降低2～3％，对于太阳能电池光伏发电是非常不利的。通过p型掺杂剂-镓取代硼，可以避免硼-氧复合体的生成，抑制光衰减现象，所以掺镓直拉硅单晶开始被应用在太阳能电池的制备。
另一方面，对于晶体硅太阳能电池，其光电转换效率是与硅片的电阻率是密切相关的。一般而言，对于高效率太阳电池的制备，晶体硅材料的电阻率要控制在1～3Ω·cm的范围。如果电阻率太高(＞3Ω·cm)，高阻的材料将引起电池的串联电阻增加，其短路电流将减小，因而电池的光电转换效率必然降低；如果电阻率太低(＜1Ω·cm)，俄歇复合效应将降低少子的有效寿命，同样也导致电池光电转换效率的降低。在直拉法生长掺镓单晶硅时，由于镓在硅中的分凝系数是0.008，远小于1，所以在硅晶体生长完成以后，电阻率沿着晶体生长方向分布离散度很大，存在于一个相当大的范围。对于固化率为90％的直拉硅晶体，电阻率分布在1-3Ω·cm范围内的、可用于制备高效太阳电池的晶体硅有效长度只占整个单晶的50-60％。而对于剩余的40-50％硅晶体，目前的常规电池工艺不能制备出高效太阳电池。
因而，寻找一条合理、有效的途径来控制掺镓硅晶体的电阻率对提高晶体在制备高效太阳电池上的利用率、降低电池成本是有非常重要的意义。
发明内容
本发明提供了一种在晶体生长过程中控制掺镓直拉硅电阻率的方法，可以将硅晶体尾部的电阻率控制在1-3欧姆.厘米。它是在晶体生长的过程中通过掺杂器在硅熔体中添加n型电活性掺杂剂-磷来补偿晶体尾部部分镓的电活性，从而达到在晶体生长过程中有效控制硅晶体电阻率的目的，用于制备高效太阳能电池。
在晶体生长过程中控制掺镓直拉硅电阻率的方法是按下述过程实现的，将多晶硅放入石英坩埚，掺入一定量的纯镓，使单晶硅头部镓的浓度为4.55×1015/cm3(即目标电阻率为3Ω·cm)。在真空或氩气保护下，融熔多晶硅，使镓同时熔入多晶硅溶液中，按常规生长参数，生长直拉硅单晶。根据分凝理论，由于镓的分凝，当晶体的电阻率降为1Ω·cm左右，即晶体的固化率在50～60％左右的时候，此时通过掺杂器装置向坩埚中掺入一定浓度的n型掺杂剂-磷溶入硅熔体中，加入磷的量与投入的硅原料的量有关。
在晶体固化率达到80～90％后，停止生长，得到预定电阻率的硅晶体。
加入的掺杂剂-磷补偿一部分镓的电活性，使得到得硅晶体的电阻率重新被调控到1～3Ω·cm。
本发明提供的通过掺杂器在硅熔体中添加n型电活性掺杂剂-磷来补偿晶体尾部部分镓电活性的方法可以在晶体后半部分的生长过程中多次使用，直到整根晶体的电阻率都分布在1～3Ω·cm。
本发明提供了一种在晶体生长过程通过磷补偿来控制掺镓直拉硅电阻率的方法，其有益效果在于：
1、将掺镓直拉硅单晶后半部分的电阻率控制在1～3Ω·cm的范围，有利于增加硅材料在制备高效太阳电池过程的利用率，从而使得高效电池的制造成本大幅度降低。
2.此方法生长的硅晶体中只含有镓和磷，避免了引起光衰减的硼-氧复合体的生成。
3、本方法操作简单，很容易在光伏产业大规模应用。
附图说明
图1为本发明实施例1中固化率和电阻率的关系示意图。
图2为本发明实施例2中固化率和电阻率的关系示意图。
图3为本发明实施例3中固化率和电阻率的关系示意图。
具体实施方式
实施例1
将50kg的多晶硅放入石英坩埚，同时掺入1.365g的镓(使得掺镓直拉硅单晶头部的目标电阻率为3Ω·cm)。在氩气保护下，在1410℃融熔多晶硅，使镓熔入多晶硅溶液中，按常规调整晶体生长参数，以1.2mm/min的生长速度生长直径为150mm的直拉硅单晶。当晶体生长长度达到80cm的时候，通过掺杂剂掺杂器装置将2.25mg的磷添加到剩余的硅溶液，然后，继续生长硅单晶，在固化率达到82％的时候，收尾。在生长的晶体的不同部位取样，然后通过四探针法测试生晶体的电阻率的轴向分布，如附图1所示。可以看到，整根晶体的电阻率都分布在1-3Ω·cm。因而，相对于不通过磷掺杂补偿的晶体，硅材料的利用率提高12％。这些电阻率在1-3Ω·cm的硅片制备的太阳电池的效率都在17.5％以上，无光衰减。
实施例2
将50kg的多晶硅放入石英坩埚，同时掺入1.365g的镓(使得掺镓直拉硅单晶头部的目标电阻率为3Ω·cm)。在氩气保护下，在1410℃融熔多晶硅，使镓熔入多晶硅溶液中，按常规调整晶体生长参数，以1.2mm/min的生长速度生长直径为150mm的直拉硅单晶。当晶体生长长度达到80cm的时候，通过掺杂剂掺杂器装置将2.25mg的磷添加到坩埚中，溶入剩余的硅熔液，然后，继续生长硅单晶。当晶体长度达到94cm的时候，再通过掺杂剂掺杂器装置将1.35mg的磷添加到坩埚中，溶入剩余的硅熔液。在固化率达到88％的时候，收尾。在生长的晶体的不同部位取样，然后通过四探针法测试生晶体的电阻率的轴向分布，如图2所示。可以看到，整根晶体的电阻率都分布在1-3Ω·cm。因而，相对于不通过磷掺杂补偿的晶体，硅晶体的材料利用率提高18％。这些电阻率在1-3Ω·cm的硅片制备的太阳电池的效率都在17.2％以上，无光衰减。
实施例3
将50kg的多晶硅放入石英坩埚，同时掺入1.365g的镓(使得掺镓直拉硅单晶头部的目标电阻率为3Ω·cm)。在氩气保护下，在1410℃融熔多晶硅，使镓熔入多晶硅溶液中，按常规调整晶体生长参数，以1.2mm/min的生长速度生长直径为150mm的直拉硅单晶。当晶体生长长度达到80cm的时候，通过掺杂剂掺杂器装置将2.25mg的磷添加到坩埚中，溶入剩余的硅熔液，继续生长硅单晶。当晶体长度达到94cm的时候，再通过掺杂剂掺杂器装置将1.35mg的磷添加到坩埚中，溶入剩余的硅熔液，继续生长硅单晶。当晶体长度达到94cm的时候，再通过掺杂剂掺杂器装置将1.35mg的磷添加到坩埚中，溶入剩余的硅熔液，继续生长硅单晶。在固化率达到90％的时候，收尾。在生长的晶体的不同部位取样，然后通过四探针法测试生晶体的电阻率的轴向分布，如图3所示。可以看到，整根晶体的电阻率都分布在1-3Ω·cm。因而，相对于不通过磷掺杂补偿的晶体，硅晶体的材料利用率提高20％。这些电阻率在1-3Ω·cm的硅片制备的太阳电池的效率都在17.0％以上，无光衰减。
Claims (2)
1、一种在晶体生长过程中控制掺镓直拉硅电阻率的方法，包括如下步骤：在真空或氩气保护下，融熔多晶硅，将镓熔入硅熔液中形成掺镓硅溶液，生长直拉硅单晶，其特征在于：在晶体生长过程中，当晶体的电阻率在1.2-1.0Ω·cm的时候，向剩余的掺镓硅溶液中掺入磷，形成磷、镓共掺的硅溶液后继续生长，使得晶体的电阻率被重新调控到3.0Ω·cm，在晶体固化率达到80～90％时停止生长，得到预定电阻率的硅晶体。
2、根据权利要求1所述的控制掺镓直拉硅单晶电阻率的方法，其特征在于：所述的向剩余的掺镓硅溶液中掺磷可进行若干次，来调控掺镓直拉硅的电阻率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20100224 |