[发明专利]掺锗的定向凝固铸造单晶硅及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体硅材料技术领域，具体涉及一种掺锗的铸造单晶硅及其制备方法。

背景技术

太阳能电池发电是目前最清洁环保的可持续能源利用形式，太阳电池的发展是建立在半导体硅材料的研究基础上的。利用半导体材料的光电转换特性，制备成太阳能电池，可以将太阳能转变成电能。

硅单晶是生产太阳能电池的主要材料之一。一般情况下，单晶硅的制备是利用直拉技术或区熔技术而获得的，可以用在电子工业和太阳能光伏工业，它制备的太阳电池效率高，但是晶体制备成本高、能耗高。而利用定向铸造技术可制备铸造多晶硅，应用在太阳能光伏行业，成本相对比较低，但是由多晶硅制备的太阳电池的光电转换效率低。

此外，现有的定向铸造技术制备得到的硅材料中位错较多，因此机械强度较低。而当前影响太阳能电池广泛使用的一个主要障碍是成本较高。太阳能电池的成本主要在硅片，如减少每一片硅片的厚度，使得每一片硅片的材料用量减少，可有效降低太阳能电池的成本。但是由于铸造硅片的机械强度低，一旦降低单一硅片的厚度，就会使硅片在加工、电池制备和电池组装成组件等过程中，容易发生损伤和破碎，硅片的破碎率增加，仍然导致成本的增加。因此，现有的铸造硅难以制成薄的硅片的缺陷，造成硅片成本增加，也限制了其使用。

中国发明专利申请(申请号200610154949.2)公开了一种掺杂锗的定向凝固铸造多晶硅，含有浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm³的硼或磷，而且还含有浓度为1×10¹⁶～1×10¹⁹/cm³的锗。这种掺杂锗的定向凝固铸造多晶硅的机械强度得到了提高，可用来获得更薄的硅片用于太阳能电池，从而大幅降低成本。但是，由于低成本制备得到的是多晶硅，多晶硅制备的太阳电池的光电转换效率低的问题仍然存在。

中国发明专利(申请号01139098.0)公开了一种微量掺锗直拉硅单晶，含有浓度为1×10¹³～1×10²¹/cm³的磷或硼或砷或锑，浓度为1×10¹³～1×10²⁰/cm³的锗。这种直拉硅单晶中掺锗主要是抑制直拉硅单晶生产中的原生微缺陷、特别是空洞缺陷，从而提高硅单晶的质量和成品率。但是由于直拉硅单晶制备的成本和能耗都相当高，大大限制了掺锗直拉硅单晶在太阳能电池领域的应用。

发明内容

本发明提供了一种掺锗的铸造单晶硅及其制备方法，采用定向凝固铸造方法，获得掺锗单晶硅，克服了上述的当前掺锗的直拉单晶硅和掺锗的铸造多晶硅在实际应用中的缺点，可以广泛应用于太阳能电池领域。

一种掺锗的定向凝固铸造单晶硅，含有浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm³的硼、镓或磷，还含有浓度为1×10¹⁸～5×10²⁰/cm³的锗。

上述的掺锗的定向凝固铸造单晶硅的制备方法，包括以下步骤：

(1)将无位错的原料单晶硅块铺满坩埚底部，再将多晶硅置于原料单晶硅块之上，并按目标掺杂浓度计算的投料量加入电活性掺杂剂和锗，装炉；

其中，所述的电活性掺杂剂为硼、镓或磷；所述的目标掺杂浓度为本发明要制备得到的目标产物中电活性掺杂剂和锗的浓度。本发明中，电活性掺杂剂的目标掺杂浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm³，锗的目标掺杂浓度为1×10¹⁸～5×10²⁰/cm³。其中，所用锗料的纯度在99.99～99.99999％之间，锗料可为锗块或锗粉；所用多晶硅的纯度在99.9999％以上。

其中，所述的无位错的原料单晶硅块优选采用无位错的掺锗单晶硅块，无位错的掺锗单晶硅块中锗浓度与锗的目标掺杂浓度之差小于5×10¹⁹/cm³，这样可以避免铸造过程中起始阶段有失配位错的产生。上述的锗的目标掺杂浓度是指本发明制备得到的掺锗定向凝固单晶硅中锗的浓度，为1×10¹⁸～5×10²⁰/cm³。