[发明专利]一种冶金级多晶硅掺磷吸杂的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种冶金级多晶硅，尤其是涉及一种冶金级多晶硅生产过程中通过掺磷实现吸杂目的的方法。

背景技术

进入21世纪以来，世界光伏产业飞速发展，但是当前多晶硅的严重脱销和价格暴涨，制约了光伏发电产业的发展。此外，由于硅材料的成本约占太阳能电池总成本的30％，硅材料价格高也成为阻碍光伏产业发展的重要因素之一。为了提高性价比，目前市场上的太阳能电池多采用太阳能级多晶硅制造，其纯度一般达到99.9999％(6N)以上。冶金级多晶硅，是市场上最便宜的硅原料，其纯度一般为95％～99％。经过进一步提纯后冶金级多晶硅的纯度可达99.999％(5N)，并称为新冶金级多晶硅，用新冶金级多晶硅代替太阳能级硅，可以使太阳能级电池的生产成本更低。然而，相对于太阳能级硅，冶金硅含有大量的镍、铁、钴、铬、钛等杂质元素，这些杂质形成深能级，成为少数载流子的复合中心，影响少子寿命和太阳能电池性能。磷吸杂是利用磷在高温半导体内部的扩散，硅晶体中的硅-自间隙原子增多，为金属杂质从替代位置移动到间隙位置提供条件，从而加快金属杂质的扩散。现有的磷吸杂方法主要是通过在硅晶体表面提供磷源，磷原子不断由表面进入晶体内部，对于冶金级多晶硅内部的杂质元素不易吸除，并且吸杂过程所用的时间较长。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种冶金级多晶硅掺磷吸杂的方法，由于磷的扩散系数比杂质金属大，更容易扩散到冶金级多晶硅表面而被清除，而不必对所述该方法掺入的磷元素进行再次处理。

所述冶金级多晶硅掺磷吸杂的方法包括以下步骤：

(1)将高纯硅粉与分析纯的红磷混合；

(2)以氩气作为保护气，使用行星球磨机对步骤(1)的混合物进行球磨，使单质磷充分固溶到硅晶体中；

(3)将步骤(2)的产物放置在特制模具中，并采用压片机对其进行压制，压强为10兆帕，得到Si₉₆P₄合金块；

(4)在太阳能级多晶硅片中加入适量步骤(3)的产物，并在真空环境中反复多次熔炼，之后得到硅磷合金块，真空退火，水中淬火；

(5)采用碳化硅砂纸将步骤(4)产物的表面磨光，之后采用抛光机对其进行抛光，然后用无水乙醇将基体表面清洗干净、烘干，作为扩散偶基体；

(6)使用高纯镍粉、铁粉、钴粉将步骤(5)的产物包裹住，并放到特制的模具中，采用压片机对其进行加压，压强为10兆帕，分别得到Ni/(Si-P)、Fe/(Si-P)、Co/(Si-P)三种扩散偶；

(7)将步骤(6)的产物置于经过氩气冲洗三到五次的高真空石英管中，经退火处理后在水中淬火；

(8)将步骤(7)的产物先在预磨机上进行粗磨，然后在4#、5#碳化硅砂纸上进行精磨，再使用抛光机对其进行抛光，制备金相试样；将其浸泡在HF溶液中，去除扩散到多晶硅表面的金属杂质和磷元素，清洗后吹干，烘干，得到磷吸杂后的新冶金级多晶硅。

所述步骤(1)中，Si：P物质的量之比为96：4。

所述步骤(2)中，球磨时间为5小时，球磨时的球料比为：10:1。

步骤(4)在冶金级多晶硅生产过程中，在其内部掺入分析纯赤磷，使磷在硅磷合金块中的含量为0～1.0at.％；

所述步骤(4)中，真空熔炼用的是真空非自耗钨极磁控电弧炉。

步骤(4)的真空退火处理为：将产物放入真空退火炉中，加热至赤磷熔点以下300～590℃，保温0.5～5小时，使赤磷在冶金级多晶硅中分布均匀；

步骤(7)中，所述退火处理的温度为800-1000℃，时间为2-5h。

采用SEM-EDS手段，对步骤(8)的产物进行形貌和成分分析，每一个扩散偶中各取10个点测量杂质金属在硅磷合金中的扩散系数，再求平均值；

将步骤(9)中所得到的扩散系数与对应杂质金属在同一温度下不含磷多晶硅中的不纯扩散系数进行对比，其比值如表一所示。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供了一种掺磷效果好，工艺简单、成本较低，能耗小效率高的除杂方法，制备过程中不受传统方式限制，更适合工业化生产的冶金硅吸杂方法。对空气环境造成较小污染。

(2)该方法利用磷在高温半导体内扩散，增多硅-自间隙原子，使杂质元素通过间隙扩散到多晶硅表面，从而达到吸杂目的,所制得的多晶硅杂质含量少，成分均匀。

附图说明