[发明专利]掺镓元素太阳能单晶的生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池硅单晶的生产方法，特别涉及一种掺镓元素太阳能硅单晶的生产方法。

背景技术

目前，用于生产太阳能电池的硅单晶普遍为掺硼元素单晶，并且掺硼元素单晶的生产方法已被广大硅材料制造企业所掌握。随着国内外经济的飞速发展和市场竞争日趋激烈，这种采用掺硼元素硅单晶制作的太阳能电池，由于在转换效率，使用寿命及抗恶劣环境等性能上逐渐不能满足人类更高目标的需求，因此，硅材料制造企业面临如何提高太阳能硅单晶性能的问题，即如何提高太阳能硅单晶的转换效率、使用寿命和抗恶劣环境能力，以满足如今高端太阳能电池的需要。经过多方实验和研究，掺镓元素的太阳能硅单晶逐渐体现出产品的优势，但是，如何将熔点仅为29.78℃的镓元素掺入1420℃的熔硅中，是拉制掺镓元素太阳能硅单晶首要攻破的技术难题。

发明内容

为了提高太阳能硅单晶的性能，尤其从转换效率，使用寿命及抗恶劣环境等方面体现出更为优越的效果，本发明提供一种掺镓太阳能硅单晶的掺杂方法及拉晶工艺。

由于镓元素的熔化点仅为29.78℃，常温下即可熔化，因此对于镓元素的运输、存放等都需冷藏。常规的硼元素的熔点和沸点高于硅的熔点和沸点，在硅熔体中难以蒸发，作为掺杂剂容易控制。利用直拉法，在拉晶状态下，熔料硅本身温度达1420℃，掺杂剂镓元素的熔点过低，掺杂过程不容易控制，相对比硼元素较困难。

镓元素的分凝系数仅为0.008，与常规的硼元素0.8的分凝系数相比，差了100倍，因为分凝系数太小，作为掺杂剂在掺杂时难以控制掺杂浓度，也不容易准确控制晶体的电阻率，因此，要拉制获得目标电阻率的合格单晶，也存在一定的难度。

根据镓元素的物理性质，要成功控制出掺镓太阳能硅单晶有一定的难度，其中，首要如何将熔点仅为29.78℃的镓元素掺入到1420℃的溶硅中，这需要研究出一种针对掺镓元素的掺杂方法，在研究过程中，本发明曾设计四种掺杂方案，并进行实验。

四种掺杂方案包括：

一、镓元素直接随多晶料熔化，达到掺杂的目的。

直拉法中由于硅本身熔料温度达1420℃，如果将镓元素同时与硅料一起装入石英坩埚中融化，理论上没有问题，但多晶硅料从开始熔化，到全部熔完一般需要3—4个小时，长时间的熔化过程，使镓元素伴随着温度的升高而挥发，挥发量会很难控制，通过大量实验，验证出该方法的不利因素：

1、镓元素的挥发在整个热系统内较难控制，尤其想要做到量化，几乎不可能。

2、长时间的挥发会导致掺镓元素目的失败，较难得到目标的掺杂电阻率水平。

3、长时间的挥发，会对整个成晶系统造成破坏，很难拉制出单晶。

二、制作硅与镓元素的合金，然后以合金的方式进行掺杂。

通过使用Si-Ga合金进行掺杂最为理想，但制备Si-Ga合金的难度也是比较大的，作为合金，应该具备以下特点

1、有足够的掺杂剂的浓度。

2、掺杂过程中合金使用量要少，不至于影响整体熔硅重量。

3、合金的制作，不是很困难，容易获得。

合金的制作是基于镓元素能够先掺在熔硅中，并且掺入的镓元素的量足够多，否则，达不到作为合金使用的目的。通过实验，目前情况，制作高品质Si-Ga合金的工艺条件还不具备，因此实施起来较为困难。

三、制作盛镓元素硅碗进行掺杂。

制作盛装镓的硅碗，在多晶硅料熔化完后，隔离置换后，通过专门的装置，将整个盛装镓元素的硅碗浸入熔硅中，即使镓元素在高温下出现熔化，也可以将其连同硅碗及熔化的镓元素掺入熔硅中，通过实验验证，可行，但是由于盛镓硅碗制作成本较高且有一定难度，因此也不便于实施。

四、通过拉晶设备的掺杂装置进行镓元素的掺杂。

在多晶硅料硅料熔化完后，在拉晶设备的掺杂装置内，放入镓元素，隔离置换，以最短时间倒气将掺杂装置翻转，使镓元素倒入多晶原料内。实验过程中，发现此方案在掺杂操作上比较高效可取。

经过大量的实验证明，采取第四种掺杂方案可成功解决镓元素的掺杂问题。由于掺杂元素不同，采用原有的拉晶工艺，通过多次试验发现，在拉晶过程中容易出现断苞情况，很难成晶，这就是需要探索出适合掺镓元素的拉晶工艺。

本发明为了实现上述目的所采取的技术方案是：一种掺镓元素太阳能硅单晶的生产方法，其特征在于：掺杂方法包括：

(1)、擦拭掺杂装置

在掺杂前，用带无水乙醇的纤维纸，对掺杂装置进行擦拭；

(2)、冷却掺杂装置