[发明专利]制备太阳能级硅和光电池的方法

说明书

发明背景

[0001]本发明涉及一种形成元素硅的方法。更具体的，本发明涉及 太阳能级硅的制备，其可以通过光电(“PV”)工业来用于生产晶体硅基 的PV组件。

[0002]传统上，PV工业依赖于为电子工业所生产的硅来作为它的硅 给料。直到大约2000年，用于PV工业的硅给料是由来自半导体工业的 等级外的或者不合格的材料组成。通常，来自电子工业的初级材料(例如 剩料)、不合格品和废料通常被用作给料。对于电子工业而言，硅给料的 成本小于装置成本的5％，而对于PV工业而言，它可能高达组件成本的 30％。因为PV工业巨大的增长，目前主要的硅源是初级硅。最终，硅 的成本是通过PV装置所产生的电的成本的限制因素。因此，低成本的 太阳能级(SoG)硅源能够变成一种用于广泛的PV用途的可授权的工艺。

[0003]用于生产所谓的初级硅的方法几乎等同于在生产半导体级硅 中所用的这些方法。但是，生产者已经简化了它们的加工中的一些步骤 来提供给PV工业。由于成本考虑，这里已经进行了许多的尝试来用更 廉价的替代方法替代目前的基于化学气态净化的净化方法。一种示例性 的技术包括冶金学净化(凝相)。近年来已经取得了显著的进步，并且几 个试验工厂已经投入运行。但是，这些材料仅仅缓慢的引入到市场中， 并且通常仅仅用作初级材料的“稀释剂”。

[0004]SoG硅的发展集中在两个主要的领域：(a)使用化学加工的电 子级(EG)硅变体的生产，和(b)提高质量的冶金学级(MG)硅的生产。在 化学加工路线中的进步通过降低EG硅的价格而使得电子工业受益。但 是，这种材料的成本对于PV应用来说仍然是不理想的高的。

[0005]通过使用用于生产SoG硅的化学加工路线，全部的杂质会被 降低到小于大约1ppba的程度。但是，用高达0.1ppma的金属杂质也能 够生产高效率的电池。因此，该给料可以包含比EG硅给料更高程度的 杂质，而不会危及太阳能电池的性能。

[0006]几种用于生产太阳能级硅的方法是已知的，但是这些方法的 大部分具有与加工和成本相关的一种或多种缺点。这些方法中的一些基 于硅的化合物例如二氧化硅的碳高温还原，并且可能需要高纯度的原料 来生产太阳能级硅(solar-grade silicon)。为了满足这些来自PV工业的需 要，非常需要发展一种能够生产相对纯的SoG硅的经济性方法。本发明 解决上前述的一种或多种在太阳能级硅的生产中存在的问题。

发明内容

[0007]本发明的一种实施方案涉及一种制造高纯度元素硅的方法， 其包括下面的步骤：

(a)通过这样的技术来制备硅胶组合物，该技术包括将至少一种有机 硅烷化合物与含水组合物进行反应，来形成硅胶颗粒；

(b)在该硅胶组合物存在下，将烃物质通过烃裂化反应进行分解，目 的是将由该烃物质分解所形成的碳沉积在该凝胶组合物颗粒上；和

(c)将该含碳的硅胶组合物加热到高于大约1550℃的温度，来生产 包含元素硅的产物。

[0008]本发明另外一种实施方案涉及一种制造光电池的方法，其包 括步骤：

(A)如下来制备高纯度元素硅：加热硅胶组合物或者衍生自硅胶组 合物的中间组合物，其中该硅胶组合物或者中间组合物包含至少大约5 重量％的碳，并且该加热温度高于大约1550℃，来生产一种包含元素硅 的产物；

(B)由该元素硅形成半导体基底；和

(C)在该半导体基底之内或者之上形成至少一种p-n结。

具体实施方式

[0009]根据本发明的一种实施方案，将硅胶组合物在此处所述的生 产元素硅的条件下进行加热。该组合物的主要成分是硅胶本身，其是多 种形式的市售品。(硅胶也描述在许多的参考文献中，例如“Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology”，第3版第21卷第1020-1032页， 其在此引入作为参考)。通常，硅胶是一种粒状的多孔形的二氧化硅。通 常，硅胶可以更具体的表述为胶体二氧化硅球形粒子的一种粘着一起 的、刚性的、连续的三维网络。该凝胶结构通常包含硅氧烷和硅烷醇键 二者。孔可以是相互连接的，并且可以至少部分地填充有水和/或醇，这 取决于用于制备该凝胶的具体的水解和缩合反应。