CN101851779A - 一种太阳能电池单晶硅片的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能电池的单晶硅片的制造方法,依次包括准备、配料、拉棒和切割步骤,拉棒步骤包括熔化、挥发、种晶、缩颈、放肩、拉晶、收尾和冷却过程。其中,在配料步骤中,采取以原生多晶硅为主原料并掺硼母合金的配方,或者以原生多晶硅为主原料配以循环料的配方;在拉棒步骤中,控制坩埚转速为1rpm~8rpm以降低硅熔融液的氧浓度,控制晶棒转速为3rpm~12rpm以改善生长晶棒中氧的径向分布,并控制晶棒拉速为0.8mm/min~3mm/min。所生产的单晶硅片氧含量低且分布均匀,所制成的单晶硅太阳能电池质量上佳,光电转换效率高、衰减低。
Description
技术领域
本发明属于绿色能源太阳能电池技术领域,特别是涉及一种高效能太阳能电池的单晶硅片的制造方法。
背景技术
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的绿色能源。太阳能电池是太阳能光伏发电***的主要组件,其中单晶硅太阳能电池是目前发展最快的一种太阳能电池。单晶硅片的品质直接影响着单晶硅太阳能电池的质量,提高单晶硅片的品质是生产高效能太阳能电池的前提。目前,国内外普遍采用传统直拉生长法生产单晶硅,然后经切割制成单晶硅片。研究表明,单晶硅太阳能电池衰减高的根源在于氧,氧与硼结合形成了硼氧复合体是导致衰减的罪魁祸首。虽然直拉生长法生产工艺比较成熟,成品率也较高,而且生产成本相对较低,但该方法生产的单晶硅氧含量过高且分布不均,直接导致所制成的单晶硅太阳能电池质量不佳,特别是其光电转换效率低、衰减高。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的缺陷,提出了一种生产高效能太阳能电池单晶硅片的方法,由该方法生产的单晶硅片氧含量低且分布均匀,所制成的单晶硅太阳能电池质量上佳,光电转换效率高、衰减低。
本发明解决技术问题所采取的技术方案是:一种太阳能电池单晶硅片的制造方法,依次包括准备、配料、拉棒和切割步骤,所述拉棒步骤包括熔化、挥发、种晶、缩颈、放肩、拉晶、收尾和冷却过程;其中,
(1)在所述配料步骤中,采取以原生多晶硅为主原料并掺硼母合金的配方,或者以原生多晶硅为主原料配以循环料的配方;
(2)在所述拉棒步骤中,控制坩埚转速为1rpm~8rpm以降低硅熔融液的氧浓度,控制晶棒转速为3rpm~12rpm以改善生长晶棒中氧的径向分布,并控制晶棒拉速为0.8mm/min~3mm/min。
作为一种优选,在所述配料步骤中,所述掺硼母合金的配方以质量份计为:原生多晶硅100份,电阻率为0.0015Ω·cm硼母合金0.22份~0.24份。
作为一种优选,在所述配料步骤中,所述配以循环料的配方以质量百分计为:原生硅30%~40%,循环料60%~70%。
作为一种优选,在所述拉棒步骤中,挥发过程控制所述坩埚转速为5rpm~8rpm;拉晶过程控制所述坩埚转速为6rpm~8rpm,控制所述晶棒转速为10rpm~12rpm并控制所述晶棒拉速为0.8mm/min~1.2mm/min;收尾过程控制所述坩埚转速为1rpm~5rpm,控制所述晶棒转速为3rpm~10rpm并控制所述晶棒拉速为1.2mm/min~3mm/min。
作为进一步的优选,在所述拉棒步骤中,挥发过程控制所述坩埚转速为6rpm;拉晶过程控制所述坩埚转速为8rpm,控制所述晶棒转速为12rpm并控制所述晶棒拉速为1.1mm/min;收尾过程控制所述坩埚转速为2rpm,控制所述晶棒转速为5rpm并控制所述晶棒拉速为2.5mm/min。
本发明所述的循环料是指在拉晶过程中,或拉晶后单晶硅棒加工成单晶硅片过程中所产生的边角料,如:头尾料,埚底料、提肩料、边片料及一些碎片等。
具体地说,本发明所提供的一种太阳能电池单晶硅片的制造方法,其包括准备、配料、拉棒和切片步骤,所述拉棒步骤包括熔化、挥发、种晶、缩颈、放肩、拉晶、收尾和冷却过程。所述准备步骤包括原料的准备和设备的准备,其中主要对原生多晶硅进行清洗,除去金属等杂质,同时单晶炉进行整理,完成装料前的准备。
所述配料步骤,采取以原生多晶硅为主原料并掺硼母合金的配方,或者以原生多晶硅为主原料配以循环料的配方;将配方原料装载到单晶炉的石英坩埚中。
装载完成后,对单晶炉抽真空并充入高纯保护气体氩气,进入拉棒步骤。在所述拉棒步骤中,包括熔化、挥发、种晶、缩颈、放肩、拉晶、收尾和冷却过程。在熔化过程中,对单晶炉加热升温,温度超过硅材料的熔点,使其熔化。硅材料全部熔化后需保温一段时间,此为挥发,使熔融硅液的温度和流动性得以稳定。然后是种晶过程,首先将单晶籽晶固定在旋转的籽晶轴上,然后缓缓下降籽晶轴,距液面数毫米时暂停片刻,使籽晶温度尽量接近熔融硅液温度,以减少可能的热冲击;接着将籽晶轻轻浸入熔融硅液中,使头部少量熔化;然后和熔融硅液形成一个固液界面,随后籽晶逐步上升,与籽晶粘连并慢慢离开固液界面的硅液的温度降低,形成单晶硅。种晶完成后是缩颈过程,籽晶应尽快向提升,使晶体生长速度加快。放肩过程,缩颈完成后晶体生长速度大大放慢,而直径急速增大至预定直径。然后进入拉晶过程,拉晶过程即等径生长的过程,晶体生长速度加快并以几乎固定的速度和固定的直径生长。收尾过程,在等径生长过程结束后,应使晶体的直径慢慢缩小,直到形成一尖点而与熔融硅液面分开。最后是冷却过程,将晶棒升至上炉室冷却一段时间。在拉棒步骤中,坩埚转速、晶棒转速和晶棒拉速的控制十分重要。
所述切割步骤包括切断、滚圆、切片和清洗过程。切断过程切去单晶硅棒头尾无用部分;滚圆过程通过对晶棒滚磨以获得精确统一的直径,对成品要求为矩形的则将晶棒切割成矩形;切片过程将单晶硅棒切成具有精确几何尺寸的薄单晶硅片,通常其厚度控制为200μm~300μm;然后在清洗过程中,采超声波清洗以清除单晶硅片表面的污染物。
实施本发明所得到的单晶硅片即为单晶硅太阳能电池的原料硅片,用于制造单晶硅太阳能电池的单体片,然后组装成太阳能电池组件。由本发明获得的单晶硅片氧含量低且分布均匀,所制成的单晶硅太阳能电池质量上佳,光电转换效率达到17.7%,衰减比在2%以下。
具体实施方式
(1)目标确定:单晶硅棒直径170mm,晶棒电阻率2.0Ω·cm~1.5Ω·cm,头部最高中心电阻率小于3.0Ω·cm,长度1100mm,碳含量小于0.2ppma,氧含量小于20ppma,少子寿命大于10μs。
(2)实际工艺:20kg原生多晶硅加上40kg循环料,采用分阶段降温用余温熔料即塌料后固体占2/3时,把温度降到高温80%左右,固体占1/3时温度降至挥发温度;在熔料前3h将氩气流量计调节到15L/min,全熔后,氩气流量计调节到35L/min;全熔后挥发1h,挥发时埚转为6rpm,氩气流量35L/min;掉渣回熔时不得以高温回熔;拉晶埚转调节为8rpm,晶转调节为12rpm,拉速调节为1.1mm/min;收尾后,埚位下降30mm、功率降至20KW~30KW,控制拉速为2mm/min~3mm/min、埚转2rpm、晶转5mm/min、氩气25L/min;30min后关闭功率,5h后关闭晶转、埚转拆炉。
(3)结果分析:2009年5月中旬选定某单晶炉按上述工艺制备4根单晶硅棒,编号分别为XN09051503、XN09051505、XN09051506、XN09061502。将单晶硅棒分头尾段,分别取样片对导电型号、头部中心电阻率、少子寿命、氧含量和碳含量进行测试。并在完成切片后,送到电池片厂家进行光电转换效率、光致衰减实验。
表1给出了原料硅片导电型号、头部中心电阻率、少子寿命、氧含量和碳含量的测试数据,表2列出太阳能电池单体片光电转换效率、光致衰减的实验数据。结果表明本发明很好的解决单晶硅氧含量过高和分布不均匀的问题,产品利用率高、产品成本低;且光电转换效率和光致衰减都能维持在较高的水平。
表1
表2
晶体编号 | 出片数 | A级片数 | 平均光电转换率(%) | 平均衰减比(%) |
XN09051503 | 2787 | 2634 | 17.5 | 1.61 |
XN09051505 | 2924 | 2763 | 17.7 | 1.96 |
XN09051506 | 2979 | 2779 | 17.7 | 1.62 |
XN09061502 | 2817 | 2803 | 17.6 | 1.48 |
Claims (5)
1.一种太阳能电池单晶硅片的制造方法,依次包括准备、配料、拉棒和切割步骤,所述拉棒步骤包括熔化、挥发、种晶、缩颈、放肩、拉晶、收尾和冷却过程;其特征在于,其中,
(1)在所述配料步骤中,采取以原生多晶硅为主原料并掺硼母合金的配方,或者以原生多晶硅为主原料配以循环料的配方;
(2)在所述拉棒步骤中,控制坩埚转速为1rpm~8rpm以降低硅熔融液的氧浓度,控制晶棒转速为3rpm~12rpm以改善生长晶棒中氧的径向分布,并控制晶棒拉速为0.8mm/min~3mm/min。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池单晶硅片的制造方法,其特征在于,在所述配料步骤中,所述掺硼母合金的配方以质量份计为:原生多晶硅100份,电阻率为0.0015Ω·cm硼母合金0.22份~0.24份。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池单晶硅片的制造方法,其特征在于,在所述配料步骤中,所述配以循环料的配方以质量百分计为:原生硅30%~40%,循环料60%~70%。
4.根据权利要求1至3之任意一项所述的太阳能电池单晶硅片的制造方法,其特征在于,在所述拉棒步骤中,挥发过程控制所述坩埚转速为5rpm~8rpm;拉晶过程控制所述坩埚转速为6rpm~8rpm,控制所述晶棒转速为10rpm~12rpm并控制所述晶棒拉速为0.8mm/min~1.2mm/min;收尾过程控制所述坩埚转速为1rpm~5rpm,控制所述晶棒转速为3rpm~10rpm并控制所述晶棒拉速为1.2mm/min~3mm/min。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池单晶硅片的制造方法,其特征在于,在所述拉棒步骤中,挥发过程控制所述坩埚转速为6rpm;拉晶过程控制所述坩埚转速为8rpm,控制所述晶棒转速为12rpm并控制所述晶棒拉速为1.1mm/min;收尾过程控制所述坩埚转速为2rpm,控制所述晶棒转速为5rpm并控制所述晶棒拉速为2.5mm/min。
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