CN107541772A - 一种掺镓单晶棒的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种掺镓单晶棒的制备方法，采用分段拉制的方式来制得单晶，通过控制拉制长度使得单元晶棒的头尾电阻率在预设的电阻率范围内之后再进行收尾处理，加料后重复进行拉制以最终得到头尾电阻率相差不太大的单晶棒。本发明提出的掺镓单晶棒的制备方法，其制得的单晶棒的头尾电阻率相差一般控制在十倍以内，故其电阻率的一致性较高，可以更好地满足实际应用需求。

Description

一种掺镓单晶棒的制备方法

技术领域

本发明涉及单晶生长技术领域，特别涉及一种掺镓单晶棒的制备方法。

背景技术

众所周知的，太阳能电池作为一种新型的能源利用方式，近年来得到了越来越广泛地发展与应用。而单晶硅片是制备太阳能电池的一种极为重要的基质材料，其性质的优劣将直接决定着太阳能电池的性能。

目前，用于生产太阳能电池的单晶硅片普遍为掺杂了硼元素的单晶硅片，且掺硼元素单晶硅片的生产方法已被众多企业所掌握并应用在实际生产中。近年来，随着国内外经济的飞速发展以及市场竞争的日趋激烈，采用掺硼元素单晶硅片所制得的太阳能电池，由于在转换效率、使用寿命以及抗恶劣环境等方面上已逐渐不能满足人们更高的需求标准。因此需要找出一种能够有效替代该掺硼元素单晶硅片的新型的单晶硅片，以提高太阳能电池的整体性能。近年来，经过多方实验与研究发现：掺镓元素的太阳能单晶硅片在转换效率、使用寿命以及抗恶劣环境等方面均有更为良好的表现。

然而，由于镓元素的分凝系数仅为0.08，与常规的硼的分凝系数0.8相差了100倍，由于分凝系数太小，在掺杂时难以控制掺杂浓度，进而不容易控制晶棒的电阻率，使得制得的单晶的头尾电阻率相差高达几十倍，也即电阻率的一致性较差。

发明内容

基于此，本发明的目的在于提出一种在实际生产制备中，能够较好地控制单晶的头尾电阻率的制备方法，以使得单晶的头尾电阻率相差不至于太大，提高单晶的电阻率的一致性，以满足实际应用需求。

本发明提出一种掺镓单晶棒的制备方法，所述单晶棒包括N段等径长度的单元晶棒，其中，所述方法包括如下步骤：

在一坩埚内加入预设重量的混合生产原料，并对所述混合生产原料进行拉制以得到第一段的单元晶棒，当所述第一段的单元晶棒的当前长度在所述等径长度的第一百分比范围内且对应的头尾电阻率在第一电阻率范围内时进行收尾处理，所述混合生产原料包括根据预设百分配比进行混合配置的纯镓掺杂剂以及原生料；

向所述坩埚中补加所述原生料以及所述纯镓掺杂剂以使所述坩埚中当前混合料的重量与所述预设重量相等且对应的镓含量浓度与所述混合生产原料中的相等，按照制得所述第一段的单元晶棒的方法进行循环重复拉制直至得到第N-2段的单元晶棒；

向所述坩埚中补加所述原生料以使所述坩埚中的所述当前混合料的重量与所述预设重量相等，对所述坩埚中的所述当前混合料进行拉制以得到第N-1段的单元晶棒，当所述第N-1段的单元晶棒的当前长度为所述等径长度的第二百分比且对应的头尾电阻率在第二电阻率范围内时进行所述收尾处理；

向所述坩埚中补加所述原生料以使所述坩埚中的所述当前混合料的重量与所述预设重量相等，对所述坩埚中的所述当前混合料进行拉制以得到第N段的单元晶棒，当所述第N段的单元晶棒的当前长度为所述等径长度的第三百分比且对应的头尾电阻率在第三电阻率范围内时进行所述收尾处理以得到所述单晶棒。

本发明提出的掺镓单晶棒的制备方法，在实际生产制备中，采用分段拉制的方式来制得单晶，通过控制拉制长度使得单元晶棒的头尾电阻率在预设的电阻率范围内之后再进行收尾处理，加料后重复进行拉制以最终得到头尾电阻率相差不太大的单晶棒，提高了其电阻率的一致性，满足了实际应用需求。

所述掺镓单晶棒的制备方法，其中，所述第一百分比范围为50％～60％。

所述掺镓单晶棒的制备方法，其中，所述第一电阻率范围为0.51～0.6Ω.cm。

所述掺镓单晶棒的制备方法，其中，所述第二百分比为65％。

所述掺镓单晶棒的制备方法，其中，所述第二电阻率范围为0.51～1.13Ω.cm。

所述掺镓单晶棒的制备方法，其中，所述第三百分比为90％。

所述掺镓单晶棒的制备方法，其中，所述第三电阻率范围为0.3～1.28Ω.cm。

所述掺镓单晶棒的制备方法，其中，所述单晶棒中电阻率范围为0.5～1Ω.cm的长度占比为82％，电阻率范围为0.3～0.5Ω.cm的长度占比为5％，电阻率范围为1～1.28Ω.cm的长度占比为13％。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明第一实施例提出的掺杂单晶棒的制备方法的原理框图；

图2为本发明第二实施例提出的掺杂单晶棒的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请参阅图1，对于本发明第一实施例中的掺镓单晶棒的制备方法，所述单晶棒包括N段等径长度的单元晶棒，其中，所述方法包括如下步骤：

S101，在一坩埚内加入预设重量的混合生产原料，并对所述混合生产原料进行拉制以得到第一段的单元晶棒，当所述第一段的单元晶棒的当前长度在所述等径长度的第一百分比范围内且对应的头尾电阻率在第一电阻率范围内时进行收尾处理，所述混合生产原料包括根据预设百分配比进行混合配置的纯镓掺杂剂以及原生料。

具体的，本发明中的掺镓单晶棒是在一坩埚中进行生产的，首先向该坩埚中加入预设重量的混合生产原料。该混合生产原料包括纯镓掺杂剂以及原生料，其中该纯镓掺杂剂为7N纯镓掺杂剂，该原生料为原生多晶硅料。可以理解的，所述混合生产原料中的纯镓掺杂剂与原生料是按照一定的质量百分比进行混合配置的，在本实施例中，所述纯镓掺杂剂的质量为18g，所述原生料的质量为200kg。

如上所述，在所述坩埚中加入了所述混合生产原料之后，开始进行单晶棒的拉制作业。在此需要指出的是，在本发明中，单晶棒的拉制作业是分段进行的，在完成了一小段的单元晶棒的拉制之后继续进行加料，然后再进行下一段的单元晶棒的拉制作业，以最终得到符合实际电阻率标准要求的单晶棒。

在第一段的单元晶棒的拉制作业中，由于为了保证第一段的单元晶棒的头尾电阻率的差值不至于太大，在本实施例中，通过控制单元晶棒的拉制长度来进而调节单元晶棒的头尾电阻率的大小，以满足实际应用需求。具体的，当所述第一段的单元晶棒的当前长度在所述等径长度的第一百分比范围内且对应的头尾电阻率在第一电阻率范围内时进行收尾处理。例如，所述等径长度为2m(单元晶棒的轴向长度)，当所述第一段的单元晶棒的当前长度被拉制到所述等径长度的第一百分比范围(例如为50％～60％)，也即当所述第一段的单元晶棒的当前长度被拉制到1.0～1.2m时，且此时对应的头尾电阻率在第一电阻率范围(例如为0.51～0.6Ω.cm)内时，由于此时的头尾电阻率的差异较小(头尾电阻率的差异值小于2倍)，此时对所述第一段的单元晶棒进行收尾处理以得到第一段的单元晶棒。在此需要说明的是，最后制得的第一段的单元晶棒的长度与等径长度相同，也即为2m。

S102，向所述坩埚中补加所述原生料以及所述纯镓掺杂剂以使所述坩埚中当前混合料的重量与所述预设重量相等且对应的镓含量浓度与所述混合生产原料中的相等，按照制得所述第一段的单元晶棒的方法进行循环重复拉制直至得到第N-2段的单元晶棒。

如上所述，在完成了所述第一段的单元晶棒的拉制之后，需要在该第一段的单元晶棒的基础上继续进行拉制以得到第二段的单元晶棒。由于在所述第一段的单元晶棒的拉制作业之后消耗了一定量的原料，故而此时需要向所述坩埚中补料之后才能进行第二段的单元晶棒的拉制作业。在此需要指出的是，在此补充的是所述原生料以及所述纯镓掺杂剂。补料之后使得所述坩埚中当前余料的重量与所述预设重量相等且对应的镓含量浓度与所述混合生产原料中的相等即可。

例如，第一次的投料量约为200kg，在拉制所述第一段的单元晶棒之后，所述坩埚中的当前余料重量为80kg，此时仍需向所述坩埚中加入约120kg的所述原生料以及所述纯镓掺杂剂。在补料之后，所述坩埚中的当前混合料的重量与所述预设重量(约为200kg)相等，且镓含量浓度也与所述混合生产原料中的相等。

在完成了补料添加之后，对所述坩埚中的当前混合料进行拉制以得到第二段的单元晶棒，其中该第二段的单元晶棒的拉制方法与上述第一段的单元晶棒的拉制方法相同。当所述第二段的单元晶棒的当前长度被拉制到所述等径长度(2m)的所述第一百分比范围(例如为50％～60％)，也即当所述第二段的单元晶棒的当前长度被拉制到1.0～1.2m时，且此时对应的头尾电阻率在所述第一电阻率范围(例如为0.51～0.6Ω.cm)内时，由于此时的头尾电阻率的差异较小(头尾电阻率的差异值小于2倍)，此时对所述第二段的单元晶棒进行收尾处理以得到第二段的单元晶棒。在此需要说明的是，最终得到的第二段的单元晶棒的长度也为2m。

在此还需要说明的是，在拉制完第二段的单元晶棒之后，按照与该第二段的单元晶棒同样的拉制方法进行循环重复拉制直至倒数第二段的单元晶棒为止。

S103，向所述坩埚中补加所述原生料以使所述坩埚中的所述当前混合料的重量与所述预设重量相等，对所述坩埚中的所述当前混合料进行拉制以得到第N-1段的单元晶棒，当所述第N-1段的单元晶棒的当前长度为所述等径长度的第二百分比且对应的头尾电阻率在第二电阻率范围内时进行所述收尾处理。

如上所述，当拉制到倒数第二段的单元晶棒时，此时仍先需要进行添加补料作业。具体的，在此只补加所述原生料(也即原生多晶硅料)。需要指出的是，在加入了所述原生多晶硅料之后不需要加入所述纯镓掺杂剂。在添加补料之后，保证所述坩埚中的当前混合料的总重量与第一次投料量(预设重量200kg)相同。如上所述，第一次的投料量约为200kg，若所述坩埚中的当前余料重量为70kg，则此时仍需向所述坩埚中加入约130kg的所述原生多晶硅料。

在完成了补料添加之后，对所述坩埚中的当前混合料进行拉制以得到倒数第二段的单元晶棒，当所述倒数第二段的单元晶棒的当前长度被拉制到所述等径长度(2m)的所述第二百分比(例如为65％)，也即当所述倒数第二段的单元晶棒的当前长度被拉制到1.23m时，且此时对应的头尾电阻率在所述第二电阻率范围(例如为0.51～1.13Ω.cm)内时，由于此时的头尾电阻率的差异较小，此时对所述倒数第二段的单元晶棒进行收尾处理以最终得到倒数第二段的单元晶棒。在此需要说明的是，最终得到的倒数第二段的单元晶棒的长度也为2m。

S104，向所述坩埚中补加所述原生料以使所述坩埚中的所述当前混合料的重量与所述预设重量相等，对所述坩埚中的所述当前混合料进行拉制以得到第N段的单元晶棒，当所述第N段的单元晶棒的当前长度为所述等径长度的第三百分比且对应的头尾电阻率在第三电阻率范围内时进行所述收尾处理以得到所述单晶棒。

进一步的，当拉制到最后一段的单元晶棒时，此时仍需要进行补料作业。同样的，在此也仅需添加所述原生料(也即原生多晶硅料)，而无需添加所述纯镓掺杂剂。在添加补料之后，所述坩埚中的当前混合料的总重量与第一次投料量(200kg)相同。如上所述，第一次的投料量约为200kg，所述坩埚中的当前余料重量为70kg，此时仍需向所述坩埚中加入约130kg的所述原生多晶硅料。

在完成了补料之后，对所述坩埚中的当前混合料进行拉制以得到最后一段的单元晶棒。具体的，当所述最后一段的单元晶棒的当前长度被拉制到所述等径长度(2m)的所述第三百分比(例如为90％)，也即当所述最后一段的单元晶棒的当前长度被拉制到1.8m时，且此时对应的头尾电阻率在所述第三电阻率范围(例如为0.3～1.28Ω.cm)内时，由于此时的头尾电阻率的差异较小，此时对所述最后一段的单元晶棒进行收尾处理以最终得到单晶棒。

在完成了所述单晶棒的最后的拉制之后，经电阻率测试可以得知：对制得的所述单晶棒而言，所述单晶棒中电阻率范围为0.5～1Ω.cm的长度占比为82％，电阻率范围为0.3～0.5Ω.cm的长度占比为5％，电阻率范围为1～1.28Ω.cm的长度占比为13％。

本发明提出的掺镓单晶棒的生产方法，在实际生产制备中，采用分段拉制的方式来制得单晶，通过控制拉制长度使得单元晶棒的头尾电阻率在预设的电阻率范围内之后再进行收尾处理，加料后重复进行拉制以最终得到头尾电阻率相差不太大的单晶棒，提高了其电阻率的一致性，满足了实际应用需求。

实施例2

请参阅图2，对于本发明第二实施例中的掺镓单晶棒的制备方法，其制作流程大致如下：首先向一坩埚中加入200kg的混合生产原料，其中该混合生产原料包括纯镓掺杂剂以及原生料，在本实施例中该纯镓掺杂剂为7N纯镓掺杂剂，该原生料为原生多晶硅料，该纯镓掺杂剂的质量为18g。在第一次投料完成之后，开始进行第一段单元晶棒的拉制处理，具体的，在拉制到等径长度的50％～60％，且当此时对应的头尾电阻率在第一电阻率范围(在本实施例中，所述第一电阻率范围为0.51～0.6Ω.cm)时进行收尾处理得到第一段的单元晶棒。

在完成了第一段的单元晶棒的拉制之后，向所述坩埚中进行添加补料作业，此时加入所述原生料以及所述纯镓掺杂剂。其中，添加补料的重量与所述坩埚当前余料重量之和等于第一次投料的重量。例如，第一次的投料量约为200kg，在拉制所述第一段的单元晶棒之后，所述坩埚中的当前余料重量为80kg，此时仍需向所述坩埚中加入约120kg的混合添加料。在此还需要指出的是，此时加入的所述纯镓掺杂剂的量以将其浓度调节到与所述混合生产原料中的纯镓浓度相同为准。

在完成了补料之后，开始进行第二段的单元晶棒的拉制，该第二段的单元晶棒的拉制方法与上述第一段的单元晶棒的拉制方法相同，也同样是在拉制到等径长度的50％～60％，且当此时对应的头尾电阻率在第一电阻率范围(在本实施例中，所述第一电阻率范围为0.51～0.6Ω.cm)时进行收尾处理得到第二段的单元晶棒。在此还需要指出的是，在本实施例中，以此种拉制方法循环重复进行拉制直至倒数第二段的单元晶棒为止。在本实施例中，第一段至倒数第三段的单元晶棒的重量均为120kg。

当拉制到倒数第二段的单元晶棒时，继续进行补料作业。此时加入所述原生料，而不用添加所述纯镓掺杂剂。补料之后所述坩埚中的当前混合料的重量等于预设重量200kg。例如第一次的投料量约为200kg，所述坩埚中的当前余料重量为70kg，此时仍需向所述坩埚中加入约130kg的所述原生多晶硅料，也即所述第三预设重量为130kg。在补料完成之后进行拉制，当拉制到等径长度的65％，且当此时对应的头尾电阻率在第二电阻率范围(在本实施例中，所述第二电阻率范围为0.51～1.13Ω.cm)时进行收尾处理得到倒数第二段的单元晶棒。在本实施例中，拉制得到的倒数第二段的单元晶棒的重量为130kg。

进一步的，当拉制到最后一段的单元晶棒时，此时继续进行补料作业。加入所述原生料，此时也不需要加入所述纯镓掺杂剂。在添加补料之后，所述坩埚中的当前混合料的重量与第一次投料量相同。如上所述，第一次的投料量约为200kg，所述坩埚中的当前余料重量为70kg，此时仍需向所述坩埚中加入约130kg的所述原生多晶硅料。

在完成最后一次的添加补料作业之后，对最后一段的单元晶棒进行拉制，当拉制到等径长度的90％，且当此时对应的头尾电阻率在第三电阻率范围(在本实施例中，所述第三电阻率范围为0.3～1.28Ω.cm)时进行收尾处理得到最终的单晶棒。在本实施例中，最后一段的单元晶棒的重量为200kg。

在完成了单晶棒的拉制作业之后，对其电阻率进行了测量表征后，得到电阻率的分布数据如下：所述单晶棒中电阻率范围为0.5～1Ω.cm的长度占比为82％，电阻率范围为0.3～0.5Ω.cm的长度占比为5％，电阻率范围为1～1.28Ω.cm的长度占比为13％。

本发明提出的掺镓单晶棒的制备方法，采用分段拉制的方式来制得单晶，通过控制拉制长度使得单元晶棒的头尾电阻率在预设的电阻率范围内之后再进行收尾处理，加料后重复进行拉制以最终得到头尾电阻率相差不太大的单晶棒。本发明中所制得的单晶棒的头尾电阻率的差异一般控制在十倍以内，相较于现有的掺镓单晶棒而言，其电阻率的一致性较高，从而可以更好地满足实际应用需求。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种掺镓单晶棒的制备方法，所述单晶棒包括N段等径长度的单元晶棒，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

在一坩埚内加入预设重量的混合生产原料，并对所述混合生产原料进行拉制以得到第一段的单元晶棒，当所述第一段的单元晶棒的当前长度在所述等径长度的第一百分比范围内且对应的头尾电阻率在第一电阻率范围内时进行收尾处理，所述混合生产原料包括根据预设百分配比进行混合配置的纯镓掺杂剂以及原生料；

向所述坩埚中补加所述原生料以及所述纯镓掺杂剂以使所述坩埚中当前混合料的重量与所述预设重量相等且对应的镓含量浓度与所述混合生产原料中的相等，按照制得所述第一段的单元晶棒的方法进行循环重复拉制直至得到第N-2段的单元晶棒；

向所述坩埚中补加所述原生料以使所述坩埚中的所述当前混合料的重量与所述预设重量相等，对所述坩埚中的所述当前混合料进行拉制以得到第N-1段的单元晶棒，当所述第N-1段的单元晶棒的当前长度为所述等径长度的第二百分比且对应的头尾电阻率在第二电阻率范围内时进行所述收尾处理；

向所述坩埚中补加所述原生料以使所述坩埚中的所述当前混合料的重量与所述预设重量相等，对所述坩埚中的所述当前混合料进行拉制以得到第N段的单元晶棒，当所述第N段的单元晶棒的当前长度为所述等径长度的第三百分比且对应的头尾电阻率在第三电阻率范围内时进行所述收尾处理以得到所述单晶棒。

2.根据权利要求1所述的掺镓单晶棒的制备方法，其特征在于，所述第一百分比范围为50％～60％。

3.根据权利要求1所述的掺镓单晶棒的制备方法，其特征在于，所述第一电阻率范围为0.51～0.6Ω.cm。

4.根据权利要求1所述的掺镓单晶棒的制备方法，其特征在于，所述第二百分比为65％。

5.根据权利要求1所述的掺镓单晶棒的制备方法，其特征在于，所述第二电阻率范围为0.51～1.13Ω.cm。

6.根据权利要求1所述的掺镓单晶棒的制备方法，其特征在于，所述第三百分比为90％。

7.根据权利要求1所述的掺镓单晶棒的制备方法，其特征在于，所述第三电阻率范围为0.3～1.28Ω.cm。

8.根据权利要求1所述的掺镓单晶棒的制备方法，其特征在于，所述单晶棒中电阻率范围为0.5～1Ω.cm的长度占比为82％，电阻率范围为0.3～0.5Ω.cm的长度占比为5％，电阻率范围为1～1.28Ω.cm的长度占比为13％。