本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種砷化鎵襯底材料制備方法。
背景技術(shù)：
隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)能源的需求越來(lái)越大，全球的化石能源日漸枯竭，能源問題日益突出。為了人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，開發(fā)新能源和可再生潔凈能源已成為全世界共同面對(duì)的課題。太陽(yáng)能是太陽(yáng)內(nèi)部通過(guò)核聚變向外輻射巨大的能量，取之不盡用之不竭，因而以太陽(yáng)能的開發(fā)和利用為核心的可再生能源被認(rèn)為是解決人類社會(huì)能源問題的重要途徑之一。
太陽(yáng)能電池又稱為“太陽(yáng)能芯片”或“光電池”，是一種利用太陽(yáng)光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片。它只要被光照到，瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產(chǎn)生電流。在物理學(xué)上稱為太陽(yáng)能光伏(Photovoltaic，photo光，voltaics伏特，縮寫為PV)，簡(jiǎn)稱光伏。
目前，太陽(yáng)能電池主要有傳統(tǒng)的硅太陽(yáng)能電池和發(fā)電轉(zhuǎn)換效率更高的砷化鎵太陽(yáng)能電池，但傳統(tǒng)的硅太陽(yáng)能電池只能承受3到5倍的光強(qiáng)，而砷化鎵太陽(yáng)能電池存在純度不高的技術(shù)問題。而且砷化鎵材料的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)仍掌握在口本、德國(guó)以及美國(guó)的國(guó)際大公司手中，與國(guó)外公司相比國(guó)內(nèi)企業(yè)在砷化鎵材料生產(chǎn)技術(shù)方面還有較大差距。光伏太陽(yáng)能發(fā)電是砷化鎵材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，在國(guó)際新型可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展方興未艾之際，研究發(fā)展光伏太陽(yáng)能電池用高純度砷化鎵材料制備方法無(wú)疑具有重要意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，而提出的一種砷化鎵制備方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：
一種砷化鎵襯底材料制備方法，包括如下步驟：
S1：超高純鎵制備：在含鎵的電解原液中加入氫氧化鈉，對(duì)電解原液進(jìn)行電解提純，其中金屬鎵在陰極富集，從而得到提純鎵溶液，然后利用結(jié)晶法對(duì)提純鎵溶液進(jìn)行結(jié)晶，利用雜質(zhì)在液態(tài)鎵和固態(tài)鎵的溶解度不同，借助晶種或降溫作用，使液態(tài)鎵結(jié)晶析出，得到純度較高的晶體鎵，將晶體鎵在鎵單晶爐內(nèi)加熱熔 化形成熔體鎵，爐內(nèi)放入籽晶，使籽晶的端部浸入溶體鎵并使其略有熔化，然后控制溫度，緩慢地將籽晶垂直提升，拉出的液體固化為單晶，得到純度較高的單晶鎵，可以將4N鎵提純至6N-8N超高純鎵；
S2：超高純砷制備：采用西門子法將工業(yè)級(jí)砷通過(guò)氯化、精餾、還原生產(chǎn)工藝提純至6N-8N超高純砷，將工業(yè)級(jí)砷裝入氯化柱中，通入干燥氯氣并升溫至20-200℃，兩者反應(yīng)生成三氯化砷，將三氯化砷通入以砷作填料的精餾塔，升溫使得三氯化砷蒸發(fā)，控制精餾條件，獲得提純?nèi)然?，將提純?nèi)然橥ㄈ脒€原爐中，通入氫氣，加熱升溫至800-1000℃，使三氯化砷與氫氣進(jìn)行反應(yīng)，獲得還原砷；
S3：砷化鎵多晶料的制備：將S1中獲得的單晶鎵和S2中獲得的還原砷按照一定的比例裝入PBN坩堝內(nèi)，將PBN坩堝送入合成爐中，加入三氧化二硼作為覆蓋劑進(jìn)行砷化鎵多晶料的合成；
S4:砷化鎵單晶棒制備：采用垂直布里奇曼法工藝單晶加熱爐制備砷化鎵單晶棒，將S3中獲得的砷化鎵多晶料置于圓柱型的坩堝中，緩慢地下降，并通過(guò)一個(gè)具有一定溫度梯度的加熱爐，將爐溫控制在略高于砷化鎵多晶料的熔點(diǎn)附近，在通過(guò)加熱區(qū)域時(shí)，坩堝中的材料被熔融，當(dāng)坩堝持續(xù)下降時(shí)，坩堝底部的溫度先下降到熔點(diǎn)以下，并開始結(jié)晶，晶體隨坩堝下降而持續(xù)長(zhǎng)大，溶體已全部凝固后，斷電降溫，待溫度降到90℃以下后，將坩堝從單晶爐中取出，獲得砷化鎵單晶棒；
S5:超薄砷化鎵晶片制備：利用S4制備的砷化鎵單晶棒采用多線切割機(jī)制備超薄砷化鎵晶片；
S6:砷化鎵襯底材料的制備：將S5中制備的超薄砷化鎵晶片放入承載片中，利用磨盤研磨邊緣，再利用超聲波研磨拋光機(jī)，對(duì)超薄砷化鎵晶片進(jìn)行研磨和拋光，利用上蠟機(jī)對(duì)超薄砷化鎵晶片進(jìn)行上蠟、下蠟、化蠟，再利用超聲波清洗機(jī)對(duì)超薄砷化鎵晶片進(jìn)行清洗，制得砷化鎵襯底材料，最后在潔凈室中對(duì)超薄砷化鎵襯底材料進(jìn)行真空包裝。
優(yōu)選地，S4中所述的加熱爐溫度區(qū)間為1100℃-1260℃，所述溫度梯度為20℃。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的有益技術(shù)效果：
1.制備的砷化鎵晶片純度高。
2.采用超聲波對(duì)超薄砷化鎵晶片進(jìn)行研磨、拋光、清洗，精度高、效果好、效率高。
通過(guò)所述工藝制備的太陽(yáng)能電池發(fā)電效率得到提升可達(dá)到38％，電池的穩(wěn)定性更好，抗輻射能力強(qiáng)使之無(wú)光衰性，使用壽命對(duì)比于硅太陽(yáng)能電池延長(zhǎng)了十年以上，克服了現(xiàn)在市場(chǎng)里太陽(yáng)能電池效率低(19％～逐年衰減)的缺陷。電池光電轉(zhuǎn)換效率提高了19％，直接提高了電池發(fā)電總量，并且成本降低至市場(chǎng)均價(jià)的五分之一，使其技術(shù)可以適用于工業(yè)批量生產(chǎn)。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。
實(shí)施例1
一種砷化鎵襯底材料制備方法，包括如下步驟：
S1：超高純鎵制備：在含鎵的電解原液中加入氫氧化鈉，對(duì)電解原液進(jìn)行電解提純，其中金屬鎵在陰極富集，從而得到提純鎵溶液，然后利用結(jié)晶法對(duì)提純鎵溶液進(jìn)行結(jié)晶，利用雜質(zhì)在液態(tài)鎵和固態(tài)鎵的溶解度不同，借助晶種或降溫作用，使液態(tài)鎵結(jié)晶析出，得到純度較高的晶體鎵，將晶體鎵在鎵單晶爐內(nèi)加熱熔化形成熔體鎵，爐內(nèi)放入籽晶，使籽晶的端部浸入溶體鎵并使其略有熔化，然后控制溫度，緩慢地將籽晶垂直提升，拉出的液體固化為單晶，得到純度較高的單晶鎵，可以將4N鎵提純至6N-8N超高純鎵；
S2：超高純砷制備：采用西門子法將工業(yè)級(jí)砷通過(guò)氯化、精餾、還原生產(chǎn)工藝提純至6N-8N超高純砷，將工業(yè)級(jí)砷裝入氯化柱中，通入干燥氯氣并升溫至100℃，兩者反應(yīng)生成三氯化砷，將三氯化砷通入以砷作填料的精餾塔，升溫使得三氯化砷蒸發(fā)，控制精餾條件，獲得提純?nèi)然?，將提純?nèi)然橥ㄈ脒€原爐中，通入氫氣，加熱升溫至850℃，使三氯化砷與氫氣進(jìn)行反應(yīng)，獲得還原砷；
S3：砷化鎵多晶料的制備：將S1中獲得的單晶鎵和S2中獲得的還原砷按照一定的比例裝入PBN坩堝內(nèi)，將PBN坩堝送入合成爐中，加入三氧化二硼作為覆蓋劑進(jìn)行砷化鎵多晶料的合成；
S4:砷化鎵單晶棒制備：采用垂直布里奇曼法工藝單晶加熱爐制備砷化鎵單 晶棒，將S3中獲得的砷化鎵多晶料置于圓柱型的坩堝中，緩慢地下降，并通過(guò)一個(gè)具有一定溫度梯度的加熱爐，將爐溫控制在略高于砷化鎵多晶料的熔點(diǎn)附近，在通過(guò)加熱區(qū)域時(shí)，坩堝中的材料被熔融，當(dāng)坩堝持續(xù)下降時(shí)，坩堝底部的溫度先下降到熔點(diǎn)以下，并開始結(jié)晶，晶體隨坩堝下降而持續(xù)長(zhǎng)大，溶體已全部凝固后，斷電降溫，待溫度降到90℃以下后，將坩堝從單晶爐中取出，獲得砷化鎵單晶棒；
S5:超薄砷化鎵晶片制備：利用S4制備的砷化鎵單晶棒采用多線切割機(jī)制備超薄砷化鎵晶片；
S6:砷化鎵襯底材料的制備：將S5中制備的超薄砷化鎵晶片放入承載片中，利用磨盤研磨邊緣，再利用超聲波研磨拋光機(jī)，對(duì)超薄砷化鎵晶片進(jìn)行研磨和拋光，利用上蠟機(jī)對(duì)超薄砷化鎵晶片進(jìn)行上蠟、下蠟、化蠟，再利用超聲波清洗機(jī)對(duì)超薄砷化鎵晶片進(jìn)行清洗，制得砷化鎵襯底材料，最后在潔凈室中對(duì)超薄砷化鎵襯底材料進(jìn)行真空包裝。
S4中加熱爐溫度區(qū)間為1100℃-1260℃，溫度梯度為20℃。
實(shí)施例2
一種砷化鎵襯底材料制備方法，包括如下步驟：
S1：超高純鎵制備：在含鎵的電解原液中加入氫氧化鈉，對(duì)電解原液進(jìn)行電解提純，其中金屬鎵在陰極富集，從而得到提純鎵溶液，然后利用結(jié)晶法對(duì)提純鎵溶液進(jìn)行結(jié)晶，利用雜質(zhì)在液態(tài)鎵和固態(tài)鎵的溶解度不同，借助晶種或降溫作用，使液態(tài)鎵結(jié)晶析出，得到純度較高的晶體鎵，將晶體鎵在鎵單晶爐內(nèi)加熱熔化形成熔體鎵，爐內(nèi)放入籽晶，使籽晶的端部浸入溶體鎵并使其略有熔化，然后控制溫度，緩慢地將籽晶垂直提升，拉出的液體固化為單晶，得到純度較高的單晶鎵，可以將4N鎵提純至6N-8N超高純鎵；
S2：超高純砷制備：采用西門子法將工業(yè)級(jí)砷通過(guò)氯化、精餾、還原生產(chǎn)工藝提純至6N-8N超高純砷，將工業(yè)級(jí)砷裝入氯化柱中，通入干燥氯氣并升溫至150℃，兩者反應(yīng)生成三氯化砷，將三氯化砷通入以砷作填料的精餾塔，升溫使得三氯化砷蒸發(fā)，控制精餾條件，獲得提純?nèi)然?，將提純?nèi)然橥ㄈ脒€原爐中，通入氫氣，加熱升溫至950℃，使三氯化砷與氫氣進(jìn)行反應(yīng)，獲得還原砷；
S3：砷化鎵多晶料的制備：將S1中獲得的單晶鎵和S2中獲得的還原砷按照 一定的比例裝入PBN坩堝內(nèi)，將PBN坩堝送入合成爐中，加入三氧化二硼作為覆蓋劑進(jìn)行砷化鎵多晶料的合成；
S4:砷化鎵單晶棒制備：采用垂直布里奇曼法工藝單晶加熱爐制備砷化鎵單晶棒，將S3中獲得的砷化鎵多晶料置于圓柱型的坩堝中，緩慢地下降，并通過(guò)一個(gè)具有一定溫度梯度的加熱爐，將爐溫控制在略高于砷化鎵多晶料的熔點(diǎn)附近，在通過(guò)加熱區(qū)域時(shí)，坩堝中的材料被熔融，當(dāng)坩堝持續(xù)下降時(shí)，坩堝底部的溫度先下降到熔點(diǎn)以下，并開始結(jié)晶，晶體隨坩堝下降而持續(xù)長(zhǎng)大，溶體已全部凝固后，斷電降溫，待溫度降到90℃以下后，將坩堝從單晶爐中取出，獲得砷化鎵單晶棒；
S5:超薄砷化鎵晶片制備：利用S4制備的砷化鎵單晶棒采用多線切割機(jī)制備超薄砷化鎵晶片；
S6:砷化鎵襯底材料的制備：將S5中制備的超薄砷化鎵晶片放入承載片中，利用磨盤研磨邊緣，再利用超聲波研磨拋光機(jī)，對(duì)超薄砷化鎵晶片進(jìn)行研磨和拋光，利用上蠟機(jī)對(duì)超薄砷化鎵晶片進(jìn)行上蠟、下蠟、化蠟，再利用超聲波清洗機(jī)對(duì)超薄砷化鎵晶片進(jìn)行清洗，制得砷化鎵襯底材料，最后在潔凈室中對(duì)超薄砷化鎵襯底材料進(jìn)行真空包裝。
S4中加熱爐溫度區(qū)間為1100℃-1260℃，溫度梯度為20℃。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。