CN111676511A - 一种n型单晶电阻率的控制方法 - Google Patents

一种n型单晶电阻率的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种n型单晶硅棒电阻率的控制方法，包括以下步骤：以多晶硅为原料，拉制，得到单晶硅棒；所述拉制过程中掺入单质镓和磷硅合金。本发明提供的方法以制备n型单晶硅为目的。本发明利用磷镓分凝系数的差异，提高n型单晶尾部的电阻率，收窄、压缩电阻率范围至需求状态。本发明提供的方法根据需要在拉制过程中添加在任一棒，实现对电阻率范围的收窄、压缩。本发明提供的方法一次性加入掺杂剂单质镓和磷硅合金，不造成晶体生长扰动，破坏晶体的生长。本发明通过控制n型单晶硅的电阻率范围，能够提高电池片的发电效率。实验结果表明：收窄电阻率后的n型单晶硅制备的电池的平均发电效率提升0.5～1％。

Description

一种n型单晶电阻率的控制方法
技术领域
本发明属于单晶制备技术领域，尤其涉及一种n型单晶电阻率的控制方法。
背景技术
太阳能不同于石油、煤炭，是取之不尽的清洁能源，可利用半导体材料的光电转化特性，制备成太阳能电池组件，转换太阳能为电能。
太阳能电池片使用的硅原料分为多晶硅和单晶硅，由于单晶组织一致性较好，同时少缺陷、少夹杂，相比多晶有较高的转换效率，受到用户的亲睐。传统太阳能光伏技术中，掺硼直拉单晶有广泛的应用基础，但掺硼单晶在阳光的照射下，硅片中的硼和氧会生产硼氧对，作为深能级的复合中心，会降低少数载流子的寿命，产生的光衰会使效率下降2-3％。为避免产生光衰，以磷作为掺杂剂拉制N型单晶，匹配相应的电池工艺，制成高转换率、低光衰的电池片。
另外，对于晶体硅太阳能电池片而言，电阻率是影响电池效率的关键因素之一。长期实践表明，对于高效率太阳能电池，晶体硅材料的电阻率要控制在0.5-3.5Ω·cm的范围内。如果电阻率太高(＞3.5Ω·cm)，单个电池片会引起串联电阻增加，减少短路电流，使效率降低；如果电阻率太低(＜0.5Ω·cm)，俄歇复合效应将降低加速了少子的复合速度，同样也导致电池的转换效率降低。一般控制在1～2Ω·cm之间能获得最大的效率值，使得单个硅片的转换效率达到较好水平。
直拉法生产N型单晶硅时，磷在硅中分凝系数是0.35，所以在硅单晶生长的过程中电阻率逐渐降低，使得拉制大长度的硅棒时，尾部电阻率过低。由于N型单晶电阻率分布的规律，使拉制长度受到限制，同时导致电阻率分布跨度加大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种n型单晶电阻率的控制方法，该方法能够提升单晶拉制时尾部电阻率，进而控制单晶硅的电阻率范围。
本发明提供了一种n型单晶硅棒电阻率的控制方法，包括以下步骤：
以多晶硅为原料，拉制，得到单晶硅棒；
所述拉制过程中掺入单质镓和磷硅合金。
优选地，所述磷硅合金的电阻率为0.001～0.01Ω·cm。
优选地，所述n型多晶硅的质量、单质镓和0.001Ω·cm的磷硅合金的质量比为4×105:0.1～3:30～60。
优选地，所述拉制的棒数为单棒或多棒；
若为多棒，在拉制过程中任意一棒开始掺入单质镓和磷硅合金后，后面每一棒均掺入单质镓和磷硅合金。
优选地，所述拉制时，坩埚转速为4～8rpm，晶转为5～10rpm；晶体生长速度为1.4～1.6mm/min。
优选地，单晶硅棒的头部电阻率的目标值为任意值。
本发明提供的方法以制备n型单晶硅为目的。本发明利用磷镓分凝系数的差异，提高n型单晶尾部的电阻率，收窄、压缩电阻率范围至需求状态。本发明提供的方法根据需要在拉制过程中添加在任一棒，实现对电阻率范围的收窄、压缩。本发明提供的方法一次性加入掺杂剂单质镓和磷硅合金，不造成晶体生长扰动，破坏晶体的生长。本发明通过控制n型单晶硅的电阻率范围，能够提高电池片的发电效率。
具体实施方式
本发明提供了一种n型单晶硅棒电阻率的控制方法，包括以下步骤：
以多晶硅为原料，拉制，得到单晶硅棒；
所述拉制过程中掺入单质镓和磷硅合金。
在本发明中，所述磷硅合金的电阻率为0.001～0.01Ω·cm。具体实施例中，采用磷硅合金的电阻率为0.001Ω·cm。所述磷硅合金为市售商品。
在本发明中，单晶硅棒的头部电阻率为2Ω·cm，多晶硅的质量、单质镓和0.001Ω·cm的磷硅合金的质量比为4×105:0.1～3:30～60。本发明将单质镓和磷硅合金加进n型多晶硅中需要满足头部电阻率为2Ω·cm。单晶硅棒的头部电阻率的目标值可以为任意值。
在本发明中，拉制的棒数为单棒或多棒；若为多棒，在拉制过程中任意一棒开始掺入单质镓和磷硅合金后，后面每一棒均掺入单质镓和磷硅合金。
拉制多棒，指定某棒后收窄，拉制总棒数没有限制，压缩其中一棒之后的电阻率，可以是第二棒、第三棒、第四棒，只要小于等于总棒数皆可。
在本发明中，拉制多棒时，每棒均可收窄，如可以是两棒、三棒、四棒。
本发明采用CZ法拉制单晶。所述拉制时，坩埚转速为4～8rpm，晶转为5～10rpm；晶体生长速度为1.4～1.6mm/min。
所述单晶硅棒的长度为0.5～5m。
在本发明中，所述磷的分凝系数为0.35，镓的分凝系数为0.008，采用磷镓混掺的方式，随着硅棒的拉制，杂质镓大量集中于尾部，能够提升N型单晶棒尾部电阻率，压缩电阻率范围。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种n型单晶硅棒电阻率的控制方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将400kg的多晶硅原料放入石英坩埚，掺入单质镓2.44g，电阻率0.001的磷硅合金52g(控制头部电阻率为2Ω·cm)，装炉后抽空检漏，开启功率在氩气的保护下熔融多晶硅。按常规调整生长参数，经过1～2小时稳温后，开始引晶、放肩等步骤，拉晶过程中视情况控制锅转为4～8rpm，晶转5～10rpm，晶体生长速度为1.5mm/min左右，10～40％余料后收尾。整体电阻率分布在1～2Ω·cm之间，而只掺磷硅合金时，制备的单晶硅棒的电阻率范围为0.5～2Ω·cm；可见，混掺单质镓和磷硅合金制备的单晶硅棒，电阻率的范围收窄。
据电池试验结果，收窄电阻率后电池平均发电效率提升0.5～1％。
实施例2
1、将400kg的多晶硅原料放入石英坩埚，掺入镓单质2.44g，电阻率0.001的磷硅合金52g(控制头部电阻率为2Ω·cm)，装炉后抽空检漏，开启功率在氩气的保护下熔融多晶硅；经过1～2小时稳温后，开始引晶、放肩、等径等步骤，拉晶过程中视情况控制锅转4～8rpm，晶转5～10rpm，晶体生长速度为1.5mm/min左右；20％余料后快速收尾，快速收尾较普通收尾，尾部呈圆弧状，时间一般为0.5～1小时，普通收尾呈塔状时间为1.5～2.5小时，冷却1～2小时，冷却至室温出棒；整体电阻率分布在1～2Ω·cm之间；未混掺单质镓，制备的单晶硅棒的电阻率范围0.5～2Ω·cm；可见，混掺单质镓和磷硅合金制备的单晶硅棒，电阻率的范围收窄；
2、加料310Kg，掺入单质镓0.2g，掺入电阻率0.001的磷硅合金22g(控制头部电阻率为2Ω·cm)，熔料后经过1～2小时稳温后，开始引晶、放肩、等径等步骤，拉晶过程中视情况控制锅转4～8rpm，晶转5～10rpm，晶体生长速度为1.5mm/min左右。拉制第二棒余料20％，快速收尾冷却出棒，电阻率范围为。整体电阻率分布在1～2Ω·cm之间，与未混掺电阻率范围0.5～2Ω·cm；可见，混掺单质镓和磷硅合金制备的单晶硅棒，电阻率的范围收窄；
3、加料302Kg，掺入单质镓0.2g，掺入电阻率0.001的磷硅合金23g(控制头部电阻率为2Ω·cm)，熔料后经过1～2小时稳温后，开始引晶、放肩、等径等步骤，拉晶过程中视情况控制锅转4～8rpm，晶转5～10rpm，晶体生长速度为1.5mm/min左右。拉制第三棒余料20％，快速收尾冷却出棒，整体电阻率分布在1～2Ω·cm之间，未混掺单质镓，制备的单晶硅棒的电阻率范围0.5～2Ω·cm；可见，混掺单质镓和磷硅合金制备的单晶硅棒，电阻率的范围收窄；
4、加料296Kg，掺入单质镓0.2g，掺入电阻率0.001的磷硅合金23g(控制头部电阻率为2Ω·cm)，熔料后经过1～2小时稳温后，开始引晶、放肩、等径等步骤，拉晶过程中视情况控制锅转4～8rpm，晶转5～10rpm，晶体生长速度为1.5mm/min左右。拉制尾棒第四棒余料7％，快速收尾冷却出棒。整体电阻率分布在1～2Ω·cm之间；未混掺单质镓，制备的单晶硅棒的电阻率范围为0.5～2Ω·cm；可见，混掺单质镓和磷硅合金制备的单晶硅棒，电阻率的范围收窄；据电池试验结果，收窄电阻率后电池平均发电效率提升0.5～1％。
出炉四棒电阻率均控制在最佳档位1～2Ω·cm，能够提升效率。
实施例3：以多棒总棒数为4，第三棒开始压缩电阻率为例：
1、将400kg的多晶硅原料放入石英坩埚，仅掺入电阻率0.001的磷硅合金35g(控制头部电阻率为2Ω·cm)，装炉后抽空检漏，开启功率在氩气的保护下熔融多晶硅。经过1～2小时稳温后，开始引晶、放肩、等径等步骤，拉晶过程中视情况控制锅转4～8rpm，晶转5～10rpm，晶体生长速度为1.5mm/min左右。20％余料后快速收尾，快速收尾较普通收尾，尾部呈圆弧状，时间一般为0.5～1小时，普通收尾呈塔状时间为1.5～2.5小时；冷却1～2小时，冷却至室温出棒。整体电阻率分布在0.7～2Ω·cm之间；
2、加料310Kg，仅掺入电阻率0.001的磷硅合金14.5g(控制头部电阻率为2Ω·cm)，熔料后经过1～2小时稳温后，开始引晶、放肩、等径等步骤，拉晶过程中视情况控制锅转4～8rpm，晶转5～1rpm，晶体生长速度为1.5mm/min左右。拉制第二棒余料20％，快速收尾冷却出棒，整体电阻率分布在0.7～2Ω·cm之间；
3、加料302Kg，掺入单质镓1.6g，掺入电阻率0.001的磷硅合金25g(控制头部电阻率为2Ω·cm)，熔料后经过1～2小时稳温后，开始引晶、放肩、等径等步骤，拉晶过程中视情况控制锅转4～8rpm，晶转5～10rpm，晶体生长速度为1.5mm/min左右。拉制第三棒余料20％，快速收尾冷却出棒，电阻率范围为。整体电阻率分布在1～2Ω·cm之间，与未混掺(只掺磷硅合金时)电阻率范围0.5～2Ω·cm，相比范围收窄；
4、加料296Kg，掺入单质镓0.2g，掺入电阻率0.001的磷硅合金23g(控制头部电阻率为2Ω·cm)，熔料后经过1～2小时稳温后，开始引晶、放肩、等径等步骤，拉晶过程中视情况控制锅转4～8rpm，晶转5～10rpm，晶体生长速度为1.5mm/min左右。拉制尾棒第四棒余料11％，普通收尾冷却出棒。整体电阻率分布在1～2Ω·cm之间，与未混掺(只掺磷硅合金时)电阻率范围0.5～2Ω·cm，相比范围收窄。
根据电池试验结果，收窄电阻率后电池平均发电效率提升0.5～1％。
由以上实施例可知，本发明提供了一种n型单晶硅棒电阻率的控制方法，包括以下步骤：以多晶硅为原料，拉制，得到单晶硅棒；所述拉制过程中掺入单质镓和磷硅合金。本发明提供的方法以制备n型单晶硅为目的。本发明利用磷镓分凝系数的差异，提高n型单晶尾部的电阻率，收窄、压缩电阻率范围至需求状态。本发明提供的方法根据需要在拉制过程中添加在任一棒，实现对电阻率范围的收窄、压缩。本发明提供的方法一次性加入掺杂剂单质镓和磷硅合金，不造成晶体生长扰动，破坏晶体的生长。本发明通过控制n型单晶硅的电阻率范围，能够提高电池片的发电效率。实验结果表明：收窄电阻率后的n型单晶硅制备的电池的平均发电效率提升0.5～1％。
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 (6)

1.一种n型单晶硅棒电阻率的控制方法，包括以下步骤：
以多晶硅为原料，拉制，得到单晶硅棒；
所述拉制过程中掺入单质镓和磷硅合金。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述磷硅合金的电阻率为0.001～0.01Ω·cm。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，单晶硅棒的头部电阻率为2Ω·cm，所述多晶硅原料的质量、单质镓和0.001Ω·cm的磷硅合金的质量比为4×105:0.1～3:30～60。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述拉制的棒数为单棒或多棒；
若为多棒，在拉制过程中任意一棒开始掺入单质镓和磷硅合金后，后面每一棒均掺入单质镓和磷硅合金。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述拉制时，坩埚转速为4～8rpm，晶转为5～10rpm；晶体生长速度为1.4～1.6mm/min。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，单晶硅棒的头部电阻率的目标值为任意值。
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