專利名稱：摻鎵元素太陽能單晶的生產(chǎn)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太陽能電池硅單晶的生產(chǎn)方法，特別涉及一種摻鎵元素太陽能單晶的生產(chǎn)方法。

背景技術：
目前，用于生產(chǎn)太陽能電池的硅單晶普遍為摻硼元素單晶，并且摻硼元素單晶的生產(chǎn)方法已被廣大硅材料制造企業(yè)所掌握。隨著國內(nèi)外經(jīng)濟的飛速發(fā)展和市場競爭日趨激烈，這種采用摻硼元素硅單晶制作的太陽能電池，由于在轉(zhuǎn)換效率，使用壽命及抗惡劣環(huán)境等性能上逐漸不能滿足人類更高目標的需求，因此，硅材料制造企業(yè)面臨如何提高太陽能硅單晶性能的問題，即如何提高太陽能硅單晶的轉(zhuǎn)換效率、使用壽命和抗惡劣環(huán)境能力，以滿足如今高端太陽能電池的需要。經(jīng)過多方實驗和研究，摻鎵元素的太陽能單晶逐漸體現(xiàn)出產(chǎn)品的優(yōu)勢，但是，如何將熔點僅為29.78℃的鎵元素摻入1420℃的熔硅中，是拉制摻鎵元素太陽能單晶首要攻破的技術難題。


發(fā)明內(nèi)容
為了提高太陽能單晶的性能，尤其從轉(zhuǎn)換效率，使用壽命及抗惡劣環(huán)境等方面體現(xiàn)出更為優(yōu)越的效果，本發(fā)明提供一種摻鎵太陽能單晶的摻雜方法及拉晶工藝。
由于鎵元素的熔化點僅為29.78℃，常溫下即可熔化，因此對于鎵元素的運輸、存放等都需冷藏。常規(guī)的硼元素的熔點和沸點高于硅的熔點和沸點，在硅熔體中難以蒸發(fā)，作為摻雜劑容易控制。利用直拉法，在拉晶狀態(tài)下，熔料硅本身溫度達1420℃，摻雜劑鎵元素的熔點過低，摻雜過程不容易控制，相對比硼元素較困難。
鎵元素的分凝系數(shù)僅為0.008，與常規(guī)的硼元素0.8的分凝系數(shù)相比，差了100倍，因為分凝系數(shù)太小，作為摻雜劑在摻雜時難以控制摻雜濃度，也不容易準確控制晶體的電阻率，因此，要拉制獲得目標電阻率的合格單晶，也存在一定的難度。
根據(jù)鎵元素的物理性質(zhì)，要成功控制出摻鎵太陽能單晶有一定的難度，其中，首要如何將熔點僅為29.78℃的鎵元素摻入到1420℃的溶硅中，這需要研究出一種針對摻鎵元素的摻雜方法，在研究過程中，本發(fā)明曾設計四種摻雜方案，并進行實驗。
四種摻雜方案包括 一、鎵元素直接隨多晶料熔化，達到摻雜的目的。
直拉法中由于硅本身熔料溫度達1420℃，如果將鎵元素同時與硅料一起裝入石英坩堝中融化，理論上沒有問題，但多晶硅料從開始熔化，到全部熔完一般需要3-4個小時，長時間的熔化過程，使鎵元素伴隨著溫度的升高而揮發(fā)，揮發(fā)量會很難控制，通過大量實驗，驗證出該方法的不利因素 1、鎵元素的揮發(fā)在整個熱系統(tǒng)內(nèi)較難控制，尤其想要做到量化，幾乎不可能。
2、長時間的揮發(fā)會導致?lián)芥壴啬康氖。^難得到目標的摻雜電阻率水平。
3、長時間的揮發(fā)，會對整個成晶系統(tǒng)造成破壞，很難拉制出單晶。
二、制作硅與鎵元素的合金，然后以合金的方式進行摻雜。
通過使用Si-Ga合金進行摻雜最為理想，但制備Si-Ga合金的難度也是比較大的，作為合金，應該具備以下特點 1、有足夠的摻雜劑的濃度。
2、摻雜過程中合金使用量要少，不至于影響整體熔硅重量。
3、合金的制作，不是很困難，容易獲得。
合金的制作是基于鎵元素能夠先摻在熔硅中，并且摻入的鎵元素的量足夠多，否則，達不到作為合金使用的目的。通過實驗，目前情況，制作高品質(zhì)Si-Ga合金的工藝條件還不具備，因此實施起來較為困難。
三、制作盛鎵元素硅碗進行摻雜。
制作盛裝鎵的硅碗，在多晶硅料熔化完后，隔離置換后，通過專門的裝置，將整個盛裝鎵元素的硅碗浸入熔硅中，即使鎵元素在高溫下出現(xiàn)熔化，也可以將其連同硅碗及熔化的鎵元素摻入熔硅中，通過實驗驗證，可行，但是由于盛鎵硅碗制作成本較高且有一定難度，因此也不便于實施。
四、通過拉晶設備的摻雜裝置進行鎵元素的摻雜。
在多晶硅料硅料熔化完后，在拉晶設備的摻雜裝置內(nèi)，放入鎵元素，隔離置換，以最短時間倒氣將摻雜裝置翻轉(zhuǎn)，使鎵元素倒入多晶原料內(nèi)。實驗過程中，發(fā)現(xiàn)此方案在摻雜操作上比較高效可取。
經(jīng)過大量的實驗證明，采取第四種摻雜方案可成功解決鎵元素的摻雜問題。由于摻雜元素不同，采用原有的拉晶工藝，通過多次試驗發(fā)現(xiàn)，在拉晶過程中容易出現(xiàn)斷苞情況，很難成晶，這就是需要探索出適合摻鎵元素的拉晶工藝。
本發(fā)明為了實現(xiàn)上述目的所采取的技術方案是一種摻鎵元素太陽能單晶的生產(chǎn)方法，其特征在于摻雜方法包括 (1)、擦拭摻雜裝置 在摻雜前，用帶無水乙醇的纖維紙，對摻雜裝置進行擦拭； (2)、冷卻摻雜裝置 預先將無水乙醇置于溫度為-10℃≤T≤-7℃的冷藏箱里，將蘸上冷藏過的無水乙醇的纖維紙放在摻雜裝置下，每隔1分鐘更換一次，重復3次到5次，使摻雜裝置溫度降低到5℃-10℃，然后等待放入鎵元素； (3)、鎵元素放入摻雜裝置 將預先置于冷藏箱里的鑷子取出，用鑷子迅速將置于冷藏箱里且預先稱量好的鎵元素放入摻雜裝置中； (4)、隔離置換 迅速將置于摻雜裝置下的纖維紙取出，關上設備爐門，進行手動隔離置換，且將隔離置換時間控制在1分鐘內(nèi)； (5)、摻入熔料中 隔離置換完成后，打開隔離翻板閥，通過連桿推出摻雜裝置并將其翻轉(zhuǎn)，將固態(tài)的鎵元素倒入熔料內(nèi)，即完成摻雜過程； 拉晶的工藝步驟如下 (1)、引晶 待爐內(nèi)熔體溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)后，進行烤晶、熔接籽晶、拉細頸，細頸直徑控制在3mm-6mm，細頸長度控制在180mm-300mm，引晶拉速控制在5-10mm/min； (2)、放肩 細頸長度與直徑滿足要求后，開始放肩，放肩時拉速下降至0.3～0.6mm/min； (3)、轉(zhuǎn)肩 當放肩直徑接近預定目標時，開始調(diào)整堝升電位器，啟動堝升，堝升比例1.0∶0.128，轉(zhuǎn)肩過程中提升拉速，拉速提升至1.5mm/min，當單晶轉(zhuǎn)肩直徑為要求直徑時，開始進入單晶等徑生長狀態(tài)； (4)、等徑 完成轉(zhuǎn)肩過程后，穩(wěn)定晶升速度，使單晶頭部拉速控制在0.8-1.6mm/min，尾部拉速控制在0.5～2.0mm/min； (5)收尾 堝升電位器調(diào)零，手動調(diào)整拉速進行收尾，收尾最小直徑控制在8mm以內(nèi)； (6)停爐 將晶體提起離開液面，關閉“加熱”開關、晶升、晶轉(zhuǎn)、堝轉(zhuǎn)、堝升電源停充氬氣，即完成拉晶的工藝過程。
采取以上摻雜方法及拉晶工藝可成功拉制出摻鎵元素太陽能單晶，經(jīng)過對采用摻鎵元素單晶的太陽能電池做進一步試驗，試驗結(jié)果驗證，與采用摻硼元素單晶的太陽能電池相比，其特性指標大大提高，從而可滿足高端太陽能電池的需要。



圖1是單晶爐中摻雜裝置位置示意圖。
圖2是推出摻雜裝置，將鎵元素放入摻雜內(nèi)示意圖。
圖3是拉回摻雜裝置，進行隔離置換示意圖。
圖4是隔離置換完成后，再次推出摻雜裝置，并將其翻轉(zhuǎn)，使得鎵元素掉入熔硅中示意圖。
圖5摻雜完成后，摻雜裝置復位示意圖。

具體實施例方式 摻鎵元素太陽能單晶的摻雜方法是在常規(guī)的拉制太陽能單晶進行拆爐、裝料、抽空、化料工藝完成后進行的，摻鎵元素太陽能單晶在上述工藝中設有變化，在此，不再詳細描述。
摻鎵元素太陽能單晶的摻雜方法包括 (1)擦拭摻雜裝置 利用設備的摻雜裝置，摻雜裝置是一個連桿連接一個帶開口，槽狀的裝置，該摻雜裝置可以在連桿的作用下進行翻轉(zhuǎn)，使其開口向下，可以把放入摻雜裝置的摻雜物倒入熔料中。在摻雜前，用帶無水乙醇的纖維紙，對摻雜裝置進行擦拭，保證摻雜裝置內(nèi)光潔無灰塵。
(2)冷卻摻雜裝置 由于鎵元素的熔點較低，為了使放入摻雜裝置內(nèi)的鎵元素保持凝固，必須使摻雜裝置溫度夠低。首先將預先放入冷藏箱內(nèi)的無水乙醇取出，冷藏箱溫度控制在-10℃≤T≤-7℃，用纖維紙蘸上冷藏過的無水乙醇，將纖維紙放在摻雜裝置下，每隔1分鐘更換一次，重復3次到5次，使摻雜裝置溫度降低，溫度降到5℃-10℃時即可，然后等待放入鎵元素。
(3)鎵元素放入摻雜裝置 待摻雜裝置降溫完成后，從冷藏箱內(nèi)迅速取鎵元素，取出鎵元素的重量，與該爐拉制單晶的投料重量有關，根據(jù)投料重量、鎵元素在熔硅中的分凝系數(shù)，兩種物質(zhì)的原子量與密度等數(shù)據(jù)，如果計算出該爐單晶電阻率要控制在8Ω·cm，摻入鎵元素重量應為350mg。
計算相關數(shù)據(jù) 鎵元素原子量69.72 硅元素原子量28 鎵元素分凝系數(shù)0.008 投料重量35kg 硅元素密度2.33g/cm3 阿伏加德羅常數(shù)6.023×10^23/mol 鎵元素純度99.9999％ 用鑷子將稱量好的鎵元素放入摻雜裝置內(nèi)，為保證在低于鎵元素熔點下進行操作，鑷子也預先放入冷藏箱進行處理。冷藏箱溫度控制在-10℃≤T≤-7℃，鑷子使用時溫度在1℃-3℃。
(4)隔離置換 待鎵元素放入摻雜裝置內(nèi)，迅速將冷卻摻雜裝置用的纖維紙取出，關上設備爐門，進行手動隔離置換。選擇手動隔離置換，為了盡量減少在摻雜裝置上的時間，隔離置換時間控制在1分鐘內(nèi)，使得鎵元素能夠保持在凝固狀態(tài)。
(5)摻入熔料中 隔離置換完成后，打開隔離翻板閥，通過連桿推出摻雜裝置，并將其翻轉(zhuǎn)，將固態(tài)的鎵元素倒入熔料內(nèi)，完成摻雜過程。
完成摻雜過程后，開始摻鎵元素單晶的拉制。摻鎵元素太陽能單晶的拉晶工藝步驟如下 (1)引晶調(diào)整加熱器功率，待爐內(nèi)熔體溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)后，進行烤晶、熔接籽晶、拉細頸，當籽晶插入熔體時，由于受到籽晶與熔硅的溫度差所造成的熱應力和表面張力的作用會產(chǎn)生位錯。因此，在熔接之后，通過引細頸工藝，即引晶，可以使位錯消失，建立起無位錯生長狀態(tài)。通常通過高拉速來控制細頸的直徑。細頸直徑控制在3mm-6mm，細頸長度控制在180mm-300mm，引晶拉速控制在5-10mm/min。與常規(guī)拉制單晶相比，細頸直徑要求更細，長度更長，為的是能夠更好地消除位錯。
(2)放肩引細頸階段完成后必須將直徑放大到目標直徑，當細頸生長至足夠長度，并且達到一定的提拉速率，即可降低拉速進行放肩。放肩時拉速下降至0.3～0.6mm/min，與常規(guī)拉制單晶相比，放肩更為緩慢，放肩時間更長，單晶生長速率穩(wěn)定； (3)轉(zhuǎn)肩晶體生長從放肩階段轉(zhuǎn)到等徑生長階段時，需要進行轉(zhuǎn)肩，當放肩直徑接近預定目標時，提高拉速，晶體逐漸進入等徑生長。為保持液面位置不變，轉(zhuǎn)肩過程中應開始調(diào)整堝升電位器，啟動堝升，堝升比例1.00.128。提升放肩的拉速，拉速提升至1.5mm/min，由于放肩過程緩慢，轉(zhuǎn)肩過程也比常規(guī)過程緩慢，當單晶轉(zhuǎn)肩直徑為要求直徑時，開始進入單晶等徑生長狀態(tài)； (4)等徑完成轉(zhuǎn)肩過程后，穩(wěn)定晶升速度，使單晶頭部拉速控制在0.8-1.6mm/min，尾部拉速控制在0.5～2.0mm/min，等徑生長過程中避免較大的溫度起伏和機械振動，穩(wěn)定地生長單晶，整個等徑過程相對與常規(guī)單晶的生長要更緩慢； (5)收尾堝升電位器調(diào)零，手動調(diào)整拉速，進行收尾，收尾的作用是防止位錯反延，當無位錯生長狀態(tài)中晶體突然脫離液面時，已經(jīng)生長的無位錯晶體受到熱沖擊，其熱應力往往超過硅的臨界應力，這時會產(chǎn)生位錯，并將反延至其溫度尚處于范性形變最低溫度的晶體中去，形成位錯排，通過收尾工藝，使晶體直徑逐步縮小，收尾最小直徑控制在8mm以內(nèi)； (6)停爐將晶體提起離開液面，關閉“加熱”開關、晶升、晶轉(zhuǎn)、堝轉(zhuǎn)、堝升電源，停充氬氣。
摻鎵單晶拉制的規(guī)格、摻雜元素、熱系統(tǒng)等如下 單晶尺寸6英寸單晶 型號P型 晶向<100> 摻雜元素鎵元素 系統(tǒng)Φ16″熱系統(tǒng). 設備CG6000型 將采用摻鎵元素單晶制作成的太陽能電池與常規(guī)太陽能電池做比較，其實驗結(jié)果及分析如下 (1)相對于摻硼太陽能電池幾個關鍵參數(shù)的比較
(2)摻硼硅片衰減3％左右，摻鎵硅片衰減1％。衰減比例要遠小于摻硼電池 (3)摻硼實際衰減后電性能估算16.9％*0.97＝16.393％ 摻鎵實際衰減后電性能估算16.6％*0.99＝16.434％ 從以上的數(shù)據(jù)比較上可以看出摻鎵太陽能硅片在衰減后實際電性能優(yōu)于摻硼太陽能硅片。
權利要求
1、一種摻鎵元素太陽能單晶的生產(chǎn)方法，其特征在于包括摻雜方法和拉晶工藝，其摻雜方法包括
(1)、擦拭摻雜裝置
在摻雜前，用帶無水乙醇的纖維紙，對摻雜裝置進行擦拭；
(2)、冷卻摻雜裝置
預先將無水乙醇置于溫度為-10℃≤T≤-7℃的冷藏箱里，將蘸上冷藏過的無水乙醇的纖維紙放在摻雜裝置下，每隔1分鐘更換一次，重復3次到5次，使摻雜裝置溫度降低到5℃-10℃，然后等待放入鎵元素；
(3、鎵元素放入摻雜裝置
將預先置于冷藏箱里的鑷子取出，用鑷子迅速將置于冷藏箱里且預先稱量好的鎵元素放入摻雜裝置中；
(4)、隔離置換
迅速將置于摻雜裝置下的纖維紙取出，關上設備爐門，進行手動隔離置換，且將隔離置換時間控制在1分鐘內(nèi)；
(5)、摻入熔料中
隔離置換完成后，打開隔離翻板閥，通過連桿推出摻雜裝置并將其翻轉(zhuǎn)，將固態(tài)的鎵元素倒入熔料內(nèi)，即完成摻雜過程；
拉晶的工藝步驟如下
(1)、引晶
待爐內(nèi)熔體溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)后，進行烤晶、熔接籽晶、拉細頸，細頸直徑控制在3mm-6mm，細頸長度控制在180mm-300mm，引晶拉速控制在5-10mm/min；
(2)、放肩
細頸長度與直徑滿足要求后，開始放肩，放肩時拉速下降至0.3～0.6mm/min；
(3)、轉(zhuǎn)肩
當放肩直徑接近預定目標時，開始調(diào)整堝升電位器，啟動堝升，堝升比例1.0∶0.128，轉(zhuǎn)肩過程中提升拉速，拉速提升至1.5mm/min，當單晶轉(zhuǎn)肩直徑為要求直徑時，開始進入單晶等徑生長狀態(tài)；
(4)、等徑
完成轉(zhuǎn)肩過程后，穩(wěn)定晶升速度，使單晶頭部拉速控制在0.8-1.6mm/min，尾部拉速控制在0.5～2.0mm/min；
(5)收尾
堝升電位器調(diào)零，手動調(diào)整拉速進行收尾，收尾最小直徑控制在8mm以內(nèi)；
(6)停爐將晶體提起離開液面，關閉“加熱”開關、晶升、晶轉(zhuǎn)、堝轉(zhuǎn)、堝升電源，停充氬氣，即完成拉晶的工藝過程。
全文摘要
本發(fā)明涉及太陽能電池硅單晶的生產(chǎn)方法，特別涉及一種摻鎵元素太陽能單晶的生產(chǎn)方法。該生產(chǎn)方法包括摻雜方法和拉晶工藝，其中摻雜方法包括1.擦拭摻雜裝置，2.冷卻摻雜裝置，3.鎵元素放入摻雜裝置，4.隔離置換，5.摻入熔料中。拉晶的工藝步驟如下1.引晶，2.放肩，3.轉(zhuǎn)肩，4.等徑，5.收尾，6.停爐。本發(fā)明經(jīng)過對采用摻鎵元素單晶的太陽能電池做進一步試驗，試驗結(jié)果驗證，與采用摻硼元素單晶的太陽能電池相比，其特性指標大大提高，從而可滿足高端太陽能電池的需要。
文檔編號C30B29/06GK101319364SQ200810053398
公開日2008年12月10日 申請日期2008年6月3日 優(yōu)先權日2008年6月3日
發(fā)明者沈浩平, 汪雨田, 尚偉澤, 翔 李, 高樹良, 李海靜, 高潤飛 申請人:天津市環(huán)歐半導體材料技術有限公司