一種摻雜電阻率均勻的n型直拉矽單晶及其製備方法
2023-07-12 08:24:06
專利名稱：一種摻雜電阻率均勻的n型直拉矽單晶及其製備方法
技術領域：
本發明屬於太陽能電池材料領域，具體涉及一種摻雜電阻率均勻的N型直拉矽單晶及其製備方法。
背景技術：
太陽能是取之不盡、用之不竭的清潔能源，利用半導體材料的光電轉換特性，製備成太陽能電池，可以將太陽能轉變為電能。在最近的十年中，太陽能電池的產量以每年 30-40%的速度增長，太陽能產業成為目前市場上發展最快的產業之一。直拉矽單晶是製備太陽能電池的主要材料之一。在傳統的太陽能光伏技術中，摻硼的P型矽單晶被廣泛地應用於太陽能電池的製備。但是，在光照下，摻硼的P型矽單晶由於硼氧複合體的產生，將會導致少子載流子壽命的大幅下降，從而導致電池光電轉換效率的衰減。這種光致衰減現象會導致太陽能電池的光電轉換效率降低2% _3%，這對太陽能電池光伏發電是非常不利的。通過磷取代硼製備的N型矽單晶，可以避免硼氧複合體的生成，抑制光衰減現象。此外，N型矽單晶對鐵等過渡金屬的耐受性比P型矽單晶要好，所以一般情況下，N型矽單晶具有更高的少子載流子壽命，這對製備高轉換效率太陽能電池是非常有利的。對於晶體矽太陽能電池，其光電轉換效率是與晶體矽片的電阻率密切相關的。一般而言，對於製備N型高效晶體矽太陽能電池，材料的最佳電阻率應控制在1. 0-2. 0 Ω . cm 的範圍，如果電阻率太高(> 2. 0 Ω . cm)，其對應的摻雜濃度就低，導致後續製備的太陽能電池中的PN結內建電場的勢壘低，不利於獲得高的開路電壓，因而必然影響電池的轉換效率；如果電阻率太低(< 1.0 Ω. cm)，俄歇複合和矽禁帶中雜質的間接複合效應作用增強， 將會限制少子載流子壽命，不利於獲得高的短路電流，同樣也會影響電池的轉換效率。在直拉法生長N型摻磷矽單晶時，由於磷的分凝係數是0. 35，遠小於1，所以在矽晶體生長完成以後，電阻率沿著晶體生長方向分布離散度大。對於固化率為90%的直拉矽晶體，電阻率分布在1. 0-2.0 Ω. cm範圍內的、可用於製備高效太陽能電池的晶體矽有效長度只佔整根單晶體的50-65%，而對於剩下的35-40%的矽晶體，按照目前常規電池工藝不能製備出高效太陽能電池。公開號為CN101918314A的專利申請提供了一種用於控制補償矽原料形成矽錠過程中的電阻率的方法，通過在冶金補償矽原料中加入預定數量的鋁或鎵，來增加矽錠中P 型矽材料的份額，維持P型矽錠中電阻率的一致性。公開號為CN1016M804A的專利申請提供了一種在晶體生長過程中控制摻鎵直拉單晶矽電阻率的方法，當P型晶體的電阻率在 1. 0-1. 2 Ω . cm時，向剩餘矽熔融溶液額外加入一部分磷，來達到調控電阻率的目的。上述兩個專利申請公開了生長P型矽晶體時控制電阻率均勻性的方法，對於過度補償生長出的 N型矽晶體部分作為廢料處理。近幾年來，隨著N型矽晶體用來製備太陽能電池受到越來越多的重視，對於如何控制N型磷摻雜直拉矽晶體電阻率的均勻性仍然是一個難題。因此，尋找一種合理有效的
3方法來控制N型磷摻雜直拉矽單晶電阻率的均勻性，對提高矽晶體製備太陽能電池的利用率、降低電池成本具有非常重要的意義。
發明內容
本發明提供了一種製備摻雜電阻率均勻的N型直拉矽單晶的方法，可以將整根N 型矽單晶的電阻率控制在1. 0 2. 0 Ω . cm範圍內，解決了 N型直拉矽單晶電阻率軸向變化範圍大，製備高效太陽能電池材料利用率低的問題。一種製備摻雜電阻率均勻的N型直拉矽單晶的方法，包括如下步驟將多晶矽料、 磷摻雜劑和鎵混合後熔融，再利用直拉法生長矽單晶體。所述的熔融在高於矽熔點的溫度下進行即可，通常選用1410°C，在該溫度下，多晶矽即可熔融，如果溫度更高，則不利於節能。所述的熔融過程在真空或者氬氣的保護下進行，這是為了保證直拉法生長的單晶矽具有良好的晶體結構，如果沒有在保護條件下進行，則單晶矽會產生缺陷，從而不能夠很好的控制電阻率，影響後續製備出的太陽能電池的效率。所述的多晶矽料、磷摻雜劑和鎵的比例無特殊限制，但其配比關係需使得後續生長出的整根矽晶體的電子淨摻雜濃度在2. 0el5 5. 0el5Cm_3範圍內。所述的直拉法可以採用現有技術，直拉法生長矽單晶體的過程一般包括種晶、縮頸、放肩、等徑生長、收尾、冷卻。作為優選，所述的多晶矽料為高純電子級矽料或者冶金級補償矽料。當所述的多晶矽料為高純電子級矽料，使用該方法製備得到的N型矽單晶體中只含磷和鎵，避免了生成引起光衰減的硼氧複合體。當所述的多晶矽料為冶金級補償矽料，使用該方法製備得到的N型矽單晶體中所添加的磷可以補償冶金級補償矽料中硼原子的電活性，有效降低光衰減作用。本發明還提供了一種用所述的方法製備得到的N型矽單晶體。所述的N型矽單晶體電子淨摻雜濃度在2. 0el5 5. 0el5Cm_3範圍內，在該範圍內，可以保證N型矽單晶體的電阻率分布在1.0 2.0 Ω. cm範圍內，從來使利用該矽單晶體製備出的太陽能電池具有較高的光電轉換效率。所述的N型矽單晶體電阻率分布在1.0 2.0Ω.cm範圍內。在其整個軸向長度上電阻率均勻一致。如果電阻率太高(>2.0Ω.cm)，其對應的摻雜濃度就低，導致後續製備的太陽能電池中的PN結內建電場的勢壘低，不利於獲得高的開路電壓，因而必然影響電池的轉換效率；如果電阻率太低(< 1. 0Ω. cm)，俄歇複合和矽禁帶中雜質的間接複合效應作用增強，將會限制少子載流子壽命，不利於獲得高的短路電流，同樣也會影響電池的轉換效率。本發明製備摻雜電阻率均勻的N型直拉矽單晶的方法，可以將N型直拉矽單晶的整根晶體的電阻率控制在1. 0 2. 0 Ω . cm的範圍，有利於提高N型矽單晶在製備高效太陽能電池時的利用率，從而顯著降低太陽能電池的製造成本，本發明方法操作簡單，易於在光伏產業大規模應用。
圖1為實施例1製備的N型晶體矽片的固化率和電阻率的關係示意圖。圖2為實施例2製備的N型晶體矽片的固化率和電阻率的關係示意圖。
具體實施例方式實施例1先將11. 05mg磷和361. 8Img鎵放入石英坩堝底部，再將50kg的高純電子級多晶矽料放入石英坩堝；在氬氣保護下，在1410°C熔融多晶矽料，使磷和鎵熔入多晶矽溶液中， 調整晶體生長參數(鍋轉lOr/min、晶轉20r/min，保護氣體流量IOOtorr)，以1. 2mm/min的生長速度生長直徑為150mm的直拉矽單晶。在生長的晶體的不同部位取樣，通過四探針法測試生長晶體的電阻率的軸向分布，如附圖1所示。可以看到，整根晶體的電阻率都分布在 1. 0-2. 0Ω. cm之間。因此，相對於沒有鎵摻雜補償的晶體，矽材料的利用率提高了 22%。利用這些電阻率在1. 0-2. 0Ω. cm的N型晶體矽片製備得到的太陽能電池效率均大於18. 6%, 且無光衰減。實施例2先將9. 47mg的磷和517. 66mg的鎵放入石英坩堝底部，再將50kg的冶金級補償矽料(總計含有0. 49mg的硼和6.31mg的磷)放入石英坩堝中；在氬氣保護下，在1410°C熔融多晶矽料，使磷和鎵熔入多晶矽溶液中，調整晶體生長參數(鍋轉15r/min、晶轉37r/min， 保護氣體流量200torr)，以1. 5mm/min的生長速度生長直徑為150mm的直拉矽單晶。在生長的晶體的不同部位取樣，通過四探針法測試生長晶體的電阻率的軸向分布，如附圖2所示。可以看到，整根晶體的電阻率都分布在1.0-2. 0Ω. cm之間。因此，相對於沒有鎵摻雜補償的晶體，矽材料的利用率提高了 30%。利用這些電阻率在1. 0-2. 0Ω. cm的N型晶體矽片製備得到的太陽能電池效率均大於17.6%，光衰減少，絕對效率衰減在0.4%範圍內。
權利要求
1.一種製備摻雜電阻率均勻的N型直拉矽單晶的方法，其特徵在於將多晶矽料、磷摻雜劑和鎵混合後熔融，再利用直拉法生長矽單晶體。
2.如權利要求1所述的製備摻雜電阻率均勻的N型直拉矽單晶的方法，其特徵在於 所述的磷摻雜劑為磷粉或磷矽母合金。
3.如權利要求1所述的製備摻雜電阻率均勻的N型直拉矽單晶的方法，其特徵在於 所述的熔融以及直拉法生長矽單晶在真空或氬氣的保護下進行。
4.如權利要求1所述的製備摻雜電阻率均勻的N型直拉矽單晶的方法，其特徵在於 所述的多晶矽料為高純電子級矽料。
5.如權利要求1所述的製備摻雜電阻率均勻的N型直拉矽單晶的方法，其特徵在於 所述的多晶矽料為冶金級補償矽料。
6.如權利要求1 5任一項所述的製備摻雜電阻率均勻的N型直拉矽單晶的方法製備得到的N型直拉矽單晶。
7.如權利要求6所述的N型直拉矽單晶，其特徵在於，電子淨摻雜濃度為2.0el5 5. 0el5cm 3。
8.如權利要求7所述的N型直拉矽單晶，其特徵在於，電阻率為1.0 2. 0 Ω . cm。
全文摘要
本發明公開了一種摻雜電阻率均勻的N型直拉矽單晶及其製備方法，其中方法包括如下步驟將多晶矽料、磷摻雜劑和鎵混合後熔融，再利用直拉法生長矽單晶體。利用本發明方法製備得到的摻雜電阻率均勻的N型直拉矽單晶可以將N型直拉矽單晶的整根晶體的電阻率控制在1.0～2.0Ω.cm範圍內，有效提高N型矽晶體在製備太陽能電池過程中的利用率，從而顯著降低太陽能電池的製造成本，操作簡單，易於在光伏產業推廣應用。
文檔編號C30B29/06GK102560627SQ20121007386
公開日2012年7月11日 申請日期2012年3月20日 優先權日2012年3月20日
發明者餘學功, 楊德仁, 肖承全 申請人:浙江大學