CN1469495A - 一种颗粒硅带的制备方法及其专用设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可作多晶硅薄膜太阳电池衬底材料的颗粒硅带的制备方法及其使用该方法制备颗粒硅带的专用设备。发明方法的工艺流程包括：将硅粉平铺于石英板或石墨板上的硅粉层依次通过预加区，线聚焦加热区和自然冷却区。其线聚焦加热区为一个分别设置于传输板上下两侧的两个带有光学线聚焦反射罩的卤钨灯管组件构成的光学加热区，硅粉层在该加热区经线聚焦区熔，熔化后的硅熔液渗流至硅粉颗粒间隔，并在自然冷却后将颗粒粘结在一起，形成所谓颗粒硅带。由本工艺所制备的颗粒硅带表面呈熔化结晶状，光滑平整，具有一定的机械强度和化学稳定性，适于用作太阳能电池的衬底材料，价格低廉。

Description

一种颗粒硅带的制备方法及其专用设备
技术领域
本发明涉及一种可作多晶硅薄膜太阳电池衬底材料的颗粒硅带的制备方法及其使用该方法制备颗粒硅带的专用设备。
背景技术
硅基太阳电池的发展一直面临的主要问题，一是提高光电转换效率；二是降低生产成本。从目前的发展状况来看，熔铸多晶硅太阳电池在一定程度上降低了生产成本，但和单晶硅电池一样存在大量切片损失，难以大幅度降低生产成本；非晶硅薄膜电池虽在成本上有明显的优势，但光疲劳效应严重地制约了其发展空间。研究表明，多晶硅薄膜电池的光电转换效率可接近单晶硅电池，并且具有性能稳定的特点，在廉价衬底材料上制备多晶硅电池，可大幅度降低生产成本，适合于大规模生产。就目前的技术发展来看，廉价衬底材料的制备是必须首先解决的关键问题。目前衬底材料一般是通过制备块状多晶硅材料，再将其切割成片状材料，块状多晶硅除了制备成本高之外，将其切割成片状会造成相当大的损失，这是造成衬底成本高而无法降低多晶硅薄膜电池生产成本的重要原因。
发明内容
本发明的目的是提出一种低成本的制备颗粒硅带的方法，这样得到的颗粒硅带在经过化学处理后可达到作为多晶硅薄膜太阳电池衬底的要求，可避免由于切片而造成的损失。
本发明方法的基本原理是通过光学加热使硅粉表面熔化，熔融后的硅熔液渗流至硅粉颗粒间隙，冷却后形成一面仍可辨认出原始硅粒形态的带状硅，即所谓颗粒硅带。
本发明采用的制备工艺包括以下步骤：
(1)将硅粉平铺于石英板或石墨板上形成硅粉层；
(2)在惰性气体保护下，对硅粉层进行预加热，预加热温度为400-800℃；
(3)使经预加热后的硅粉层以基本均匀的速度通过一个有惰性气体保护的线聚焦加热区进行聚焦区熔，使硅粉表面熔化，线聚焦温度控制在1420-1480℃；
(4)使硅带自然冷却，即形成颗粒硅带。
在本发明方法中，用于制备颗粒硅带的硅粉的形态可选择具有良好流动性的球状或接近球状硅粉，硅粉颗粒直径以50-600μm为宜，最好选用硅粉颗粒直径在200-600μm范围，这样可使硅带表面具有较好的平整度和表面质量。
在本方法的第(1)步中，可控制所形成的硅粒层的厚度在1-3mm左右范围，以使制得的硅带具有合适的厚度。
为防止在硅带制备过程中，高温下熔融的硅被粘结在支承板上(石英板或石墨板)，可在硅粉层与作为支撑板的石英板或石墨板之间设置(可在板上喷涂)一层主要成分为Al2O3或CrO2或BN的隔离层。
在第(3)步中，所说的线聚焦加热区采用从上下两侧对硅粉层进行线聚焦区熔加热。聚焦区熔的速度可控制在200mm/min以下的范围内，最好控制在30mm/min左右。
用于实现本发明颗粒硅带的制备方法的装置的技术方案，其特征在于具有一个机械传送机构和可由该机构驱动而水平向前传动的石英或石墨传输板，在传输板的传输路径上按前后顺序依次设置加料漏斗、预加热区、线聚焦加热区和自然冷却区；所说的预加热区由分别设置于传输板上下两侧的两排非聚焦卤钨灯管构成；所说的线聚焦加热区由分别设置于传输板上下两侧的两个带有光学线聚焦反射罩的卤钨灯管组件形成。
所说的线聚焦加热区的带有光学线聚焦反射罩的卤钨灯管组件，其光学线聚焦反射罩采用双椭圆形反射灯罩，有4支卤钨灯管分别设置于双椭圆形反射灯罩的焦点位置，还有4支起辅助加热作用的卤钨灯管设置于双椭圆形反射灯罩内的非焦点位置。
用本装置制备颗粒硅带的过程是：
(1)加料和传送：将硅粒由加料漏斗平铺在作为支撑的石英板或石墨板上，通过机械传送机构传输至预加热区；
(2)预加热区在惰性气体保护下，对硅粉层进行预加热除气及蒸发低熔点杂质，然后传输至线聚焦加热区；
(3)在线聚焦加热区，于惰性气体保护下，硅粉层通过带有线聚焦反射罩的卤钨灯从上下两侧进行线状区加热，使硅粉表面熔化，通过控制传送机构的传输速度控制硅带晶体的生长速度。
(4)生成的硅带晶体继续传输至冷却区，形成颗粒硅带。
整个过程是连续进行的。
本发明提出了一种制备所谓颗粒硅带的方法，该方法所制备的硅带表面平整，硅带表面在经过化学处理后可达到作为太阳电池多晶硅外延薄膜沉积的基片的要求，是一种廉价的衬底材料，可大幅度降低多晶硅薄膜电池的生产成本。本发明的制备颗粒硅带的方法和装置，采用光学加热。便于聚焦，实现定向定位加热，没有辐射污染，加热速率高，工艺简单，生产成本低。
附图说明
图1为制备颗粒硅带装置的结构示意图；
图2为图1中加热区的具体结构图。
具体实施方式
实施例
本实施例采用如图1所示的颗粒硅带制备装置。在本装置中，1为传输支撑板(用石英材料制造)，2为机械传送装置，通过该装置可驱动传输支撑板1沿水平方向向前连续平移，在传输板的传输路径上按前后顺序依次设置加料漏斗3、预加热区4、线聚焦加热区5和自然冷却区6；在预加热区由分别设置于传输板上下两侧的两排共8支非聚焦卤钨灯管41、42、43、44、45、46、47、48构成；在线聚焦加热区由分别设置于传输支撑板上下两侧的两个带有光学线聚焦反射罩的卤钨灯管组件形成，其光学线聚焦反射罩50采用双椭圆形反射灯罩，有4支卤钨灯管51、52、53、54分别设置于双椭圆形反射灯罩50的焦点位置，还有4支起辅助加热作用的卤钨灯管55、56、57、58设置于双椭圆形反射灯罩50内的非焦点位置。其预加热区和线聚焦加热区的各部件安装在装置的支架上(如图2所示)。制备颗粒硅带的具体流程是：在惰性气体保护下，用加料漏斗3将粒度为250～600μm的球形电子级硅粉均匀致密地平铺在石英传输支撑板1上，通过机械传送装置2将硅粉层先后传输至预加热区、线聚焦加热区和自然冷却区，传送速度调节在30mm/min。通过调节加料漏斗嘴的宽度，控制硅粉层的厚度在2mm左右。预加热区的温度控制在600℃左右，在线聚焦加热区，由传输板上下两侧的两个带有光学线聚焦反射罩的卤钨灯管组件所形成的线聚焦区熔带的加热温度为1420℃左右。硅粉层经过线聚焦加热区区熔，熔化后的硅熔液渗流至硅粉颗粒间隔，并在自然冷却后将颗粒粘结在一起，形成所谓颗粒硅带11。由本工艺所制备的颗粒硅带表面呈熔化结晶状，光滑平整，具有一定的机械强度和化学稳定性，适于用作太阳能电池的衬底材料。

Claims (10)

1.一种颗粒硅带的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将硅粉平铺于石英板或石墨板上形成硅粉层；
(2)在惰性气体保护下，对硅粉层进行预加热，预加热温度为400-800℃；
(3)使经预加热后的硅粉层以基本均匀的速度通过一个有惰性气体保护的线聚焦加热区进行聚焦区熔，使硅粉表面熔化，线聚焦温度控制在1420-1480℃；
(4)使硅带自然冷却，即形成颗粒硅带。
2.根据权利要求1所述的颗粒硅带的制备方法，其特征在于所说的线聚焦加热区是从上下两侧对硅粉层进行线聚焦区熔加热。
3.根据权利要求1所述的颗粒硅带的制备方法，其特征在于用于制备颗粒硅带的硅粉的形态为球状或接近球状，硅粉颗粒直径为50-600μm。
4.根据权利要求4所述的颗粒硅带的制备方法，其特征在于所说的硅粉颗粒直径为200-600μm。
5.根据权利要求1所述的颗粒硅带的制备方法，其特征在于步骤(1)中，平铺于石英板或石墨板上的硅粉层厚度为1-3mm。
6.根据权利要求1所述的颗粒硅带的制备方法，其特征在于步骤(1)中，硅粉层与作为支撑板的石英板或石墨板之间设有一层主要成分为Al2O3或CrO2或BN的隔离层。
7.根据权利要求1所述的颗粒硅带的制备方法，其特征在于步骤(3)中，聚焦区熔的速度控制在200mm/min以下的范围内。
8.根据权利要求8所述的颗粒硅带的制备方法，其特征在于步骤(3)中，聚焦区熔的速度控制在30mm/min。
9.一种用于制备权利要求1所述的颗粒硅带的装置，其特征在于具有一个机械传送机构(2)和可由该机构驱动而水平向前传动的石英或石墨传输板传输支撑板(1)，在传输支撑板的传输路径上按前后顺序依次设置加料漏斗(3)、预加热区(4)、线聚焦加热区(5)和自然冷却区(6)；所说的预加热区由分别设置于传输支撑板上下两侧的两排非聚焦卤钨灯管构成；所说的线聚焦加热区由分别设置于传输支撑板上下两侧的两个带有光学线聚焦反射罩的卤钨灯管组件形成。
10.根据权利要求10所述的装置，其特征在于形成所说的线聚焦加热区的带有光学线聚焦反射罩的卤钨灯管组件，其光学线聚焦反射罩采用双椭圆形反射灯罩(50)，有4支卤钨灯管(51、52、53、54)分别设置于双椭圆形反射灯罩的焦点位置，还有4支起辅助加热作用的卤钨灯管(55、56、57、58)设置于双椭圆形反射灯罩内的非焦点位置。
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