单晶硅太阳能电池硅片转换效率提高对并网电能质量的改善.硕士论(4)

单晶硅太阳能电池硅片转换效率提高对并网电能质量的改善.硕士论文

华北电力大学工程硕士学位论文

第三章直拉法掺镓硅单晶生长工艺

３．１技术领域

太阳能电池的制造方法与太阳能电池的种类很多，目前应用最多的是单晶硅和多晶硅太阳能电池，其产量占到当前世界太阳能电池总产量的９０％以上。它们的工艺技术成熟，性能稳定可靠，光电转换效率高，使用寿命长，已进入大规模生产。本论文对晶体硅太阳能电池的生产制造工艺进行介绍。晶体硅太阳能光伏发电池产业价值链由两条工艺路线构成，其中单晶太阳能电池加工环节包括高纯硅的生产、单晶拉制、单晶硅切片、电池片生产、组件封装、系统应用；多晶硅太阳能电池加工包括高纯硅的生产、多晶硅铸锭、多晶硅开方、切片、电池片生产、组件封装、系统应用。

本论文将着重讲述掺镓直拉硅单晶的制备技术，这是一种经过长期的理论研究与实践相结合的基础上，经过长期的总结和改进，直拉法生长掺镓硅单晶的方法和装置，可以控制晶体生长工艺中压缩晶锭的纵向电阻率分布范围，使其完全分布在目前晶硅太阳电池制备的电阻率范围之内。

３．２技术背景

国内外有不少关于掺Ｇａ硅单晶电阻率分布工艺及特性研究的文献报道。有关文献报道了（Ｇａ在Ｓｉ０２／Ｓｉ系下的扩散模型与分布规律，稀有金属材料与工程，２００５，６，９２０一９２３．）利用二次离子质谱分析、薄层电阻测量方法，对Ｇａ在Ｓｉ０２／Ｓｉ系下的扩散特性、硅表面及体内分布进行了装置研究，并得出结论。日本也有掺镓硅单晶的生产方法，为了改进掺镓的硅单晶在拉轴方向的电阻率分布和生产具有统一的电阻率的硅单晶，提出了一种基于直拉法生产掺镓硅单晶的方法，其中包含在拉硅单晶的时候降低大气压力（ＡＢＥ

ＳＩＬＩＣＯＮＳＩＮＧＬＥＣＲＹＳＴＡＬ．ＴＡＫＡＯ．ＭＥＴＨＯＤＦＯＲＰＲＯＤＵＣＩＮＧＧａ—ＤＯＰＥＤ。：ＪＰ２００２１５４８９６，２００２—０５—２８）

直拉法（ＣＺ法）生长掺镓硅单晶最大的困难是由于镓在硅中的分凝系数非常小ｋＯ＝０．０８（而硼在硅中的分凝系数为Ｏ．８），因此用普通直拉法生长的掺镓硅单晶锭头部和尾部电阻率相差很大，头部电阻率与尾部电阻率之比达５０倍～６０倍，只能有一少部分应用于太阳能电池制作。美国专利（ＵＳ６，８１５，６０５）虽然报道了有关掺镓硅单晶的生产方法，但它是用一种原晶和熔化的硅联合并且被循环拉制成一种硅单晶锭，而且其电阻率的范围从５Ｑ ｃｍ～０．１Ｑ ｃｍ（５０倍），其缺点在于需要事先准备原晶而且循环拉制，工艺复杂成本高，并且拉出晶锭的纵向电阻率范围大，不能工业化推广。１２

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３．３技术内容

本工艺的目的是提供一种直拉法生长掺镓硅单晶的方法，可以克服现有技术的缺点。本工艺晶体生长方法实用、效率高、成本低，能得到单晶纵向电阻率完全符合要求的大直径低位错密度的掺镓硅单晶，能满足高效太阳能电池衬底材料的要求。

本工艺的另一个目的是提供一种直拉法生长掺镓硅单晶的装置，它是对现有直拉法生长单晶装置的改进。本工艺提供了以矮加热器为核心的复合式热场装置，晶转埚转拉速组合，多层高度隔热的漏斗型热屏，形成优化的快速结晶潜热携带氩气流场。使热系统内充满氩气，保护掺镓硅单晶生长。提高硅单晶质量，结构简单合理，有广泛的应用价值。

本工艺提供的直拉法生长掺镓硅单晶的方法包括装料、加热、拉晶等步骤：

按常规方法在单晶炉中装料，并将镓合金放至石英埚内多晶硅原料的中心部位；化料，待熔硅温度稳定，降籽晶，下降引细径，晶转提拉；等径生长，控制炉室压力、晶体的拉速、氩气流速和晶转，调埚位保持导流筒下沿与液面之间距离和埚转，按常规工艺调节、收尾和冷却；其中，拉速为１．５衄／ｍｉｎ～６．５咖／ｍｉｎ，：细径长度不小于１６０咖，直径≤３咖；转肩拉速１．６衄／ｍｉｎ～２．６衄／ｍｉｎ，转肩１／２后拉速调至１．２衄／ｍｉｎ。

本工艺提供的直拉法生长掺镓硅单晶的方法的具体步骤包括装料、加热、拉晶：１）按常规方法将单晶炉清炉，抽真空，保证真空泄漏率≤１Ｐａ／３Ⅲｉｎ，并确认无故障时，开炉、装料，并将镓合金放至石英埚内多晶硅原料的中心部位，充氩气至炉压１９００’２０００Ｐａ。

２）低埚位化料，埚转为零，待确认化料中塌料后，将埚转方向调至ｌ～２转／分钟，化料完毕，熔硅温度达１４２０℃一１５００℃（硅的熔点为１４２０℃）。

３）化料完毕，加热功率电控欧路切入自动，降温至液面有过冷度，待熔硅温度稳定３０～３５分钟后，将籽晶降至距熔硅液面９０～１００衄处预热２５～３０分钟，开始下降引细径，此时晶转调至５～８转，浸熔３０～３５分钟后提拉，拉速为１．５咖／ｍｉｎ～６．５咖／ｍｉｎ，细径长度不小于１６０嗍，直径≤３咖。

４）转肩拉速，转肩拉速１．６ｍｍ／ｍｉｎ～２．６ｍｍ／ｍｉｎ，转肩１／２后拉速调至１．２ｍｍ／ｍｉｎ。

５）等径生长，控制炉室压力，晶体的拉速，氩气流速和晶转，调埚位保持导流筒下沿与液面之间距离和埚转，按常规工艺调节、收尾和冷却。

所述的引径、缩径、放肩、等径，利用导流桶的角度将炉内氩气流直吹晶锭外径与熔硅接触处，即结晶前沿。

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步骤１）所述的充氩气是将氩气流量增至常规工艺流量的一倍。氩气流速可调至２０～３５Ｌ／ｈ。

步骤２）化料完毕后，导流桶下沿与熔硅液面之间的距离调至２．５ｍｍ。

步骤５）晶转在６～３０转内调节。

步骤５）晶体的拉速在０．８～１－１姗／ｍｉｎ范围内调节。

步骤６）坩埚的转速在３～１０转／ｍｉｎ内调节。导流筒下沿与液面之间距离５～２５衄。

步骤５）控制炉室压力在２２００Ｐａ一２５００ｐａ，即以通常的方法在氩气氛下生长掺镓硅单晶。

直拉法生长掺镓硅单晶的装置主要包括单晶炉、矮加热器、导流部件和供氩气组成的复合式热装置。本工艺的热场装置剖面示意如图１．１所示。

采用通用的单晶炉（ＴＤＲ一６２Ｂ单晶炉）炉内安装以矮加热器的复合式热装置，加热器外围处安装石墨保温筒，保温筒外面安装固化保温碳毡；石墨保温筒座落在固化炉底护盘上的石墨下托盘的子口内，石墨保温筒上沿也被石墨上托盘的下子口定位，导流筒上沿由在石墨上托盘的上子口定位，上保温盖由石墨上托盘的上面外子口定位。石墨埚杆支撑石墨坩埚，石英坩埚座落在石墨坩埚内，石英坩埚上沿高出石墨坩埚上沿。

加热器外围１５咖处安装石墨保温筒，所述的石英坩埚上沿高出石墨坩埚上沿２０～２５衄。

加热器按３２等分开瓣，电极位置不开缝，实际为３０瓣。缝宽１０舳，开缝高度２８５脚。加热器外径４９５唧，内径４５８咖，电极开孔间距３２０姗。

加热器有效高度在３３０～３７５姗范围，加热器总高度为４８０姗，

使用本工艺的方法和装置，用纯度为６个９的镓合金，用太阳能级的块状多晶硅（Ｂ≤０．１ｐｐｂａ，Ｄ≤０．９ｐｐｂａ，Ｃ≤Ｏ．５ｐｐｍａ）均可以得到头部和尾部电阻率之比为５～６倍的优质单晶硅。即Ｏ．５Ｑ ｃｍ～３Ｑ ｃｍ …… 此处隐藏：1807字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……