[發明專利]一種n型晶體硅的制備方法

無效

• 申請號: 201010148437.1
• 申請日: 2010-04-13
• 公開（公告）號: CN101812728A
• 公開（公告）日: 2010-08-25
• 發明（設計）人: 蔣君祥;徐璟玉;胡建鋒;熊斌;戴寧;褚君浩
• 申請（專利權）人: 上海太陽能電池研究與發展中心
• 主分類號: C30B29/06
• 分類號: C30B29/06
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域

本發明涉及晶體硅的生長方法，具體是指一種n型晶體硅的方法。

背景技術

晶體硅太陽電池(包括單晶和多晶)是光伏發電的主流產品，生產電池的硅片是從多晶硅錠或單晶硅棒切片獲得，所以硅片要求的電學性能必須在多晶鑄錠或單晶棒的生產過程中完成，通常在晶體硅生長過程中摻雜III族元素獲得p型半導體，摻雜V族元素獲得n型半導體，并且通過調節摻雜濃度使硅片的電阻率控制在0.5～3Ω·cm之間來滿足制備太陽電池的要求。作為硅的摻雜必須在硅的帶隙中形成一個淺能級，并且具有固溶度大、擴散系數小和蒸汽壓低的特點。摻雜劑的能級決定了材料的半導體特性，固溶度太小只能在制備高電阻半導體時使用，擴散系數和蒸汽壓與晶體生長的可調控性和安定性密切相關。

選取摻雜劑的另一個重要指標是它在硅中的平衡分凝系數(k₀)，從晶體生長學的角度來說，摻雜劑的平衡分凝系數越接近于1，它在晶體生長過程中偏析越小，則在晶體生長方向上摻雜濃度分布越均勻，從而滿足電學性能要求的成品率也就越高。在提高成品率和降低生產成本的前提下，目前太陽電池使用的幾乎都是硼(B，k₀＝0.8)摻雜的p型硅片，因為所有元素中B的平衡分凝系數最大。但B與晶體中殘留的氧(O)在光照條件下容易形成B-O復合體，與雜質鐵(Fe)形成B-Fe結合，使電池出現光至衰減現象，降低了電池的轉換效率。

n型晶體硅電池比p型電池具有更長的少子壽命，同時電池制作溫度低，符合低成本、高產量、高效率的發展要求，因此受到世界各國的普遍重視。近年來n型晶體硅太陽電池的制備技術得到了迅速發展，采用點接觸技術的高阻n型晶圓生產的電池轉換效率達到20.1％，156cm²規格的n型多晶硅電池轉換效率達到16.4％。

n型晶體硅通常由V族元素摻雜獲得，最常用的是磷(P，k₀＝0.35)摻雜，磷以外的V族元素，氮(N，k₀＝0.0007)、砷(As，k₀＝0.3)、銻(Sb，k₀＝0.023)和鉍(Bi，k₀＝0.0007)之中，N在晶體中以分子狀態存在，使晶體呈現出異乎尋常的電學特性，通常不被用來摻雜；Bi也因其金屬特性和較小的平衡分凝系數不被使用。但是P、As和Sb的平衡分凝系數均比B小，因此他們在晶體生長時的偏析程度比B更嚴重，如果采用現有的多晶鑄錠和單晶生長工藝，產品的成品率必然下降，增加生產成本。

中國專利申請號85100591提出采用磁場拉晶(MCZ)技術，在晶體生長裝置外施加一個橫向磁場，使導電熔體在流動過程中垂直于磁場方向的速度分量切割磁力線產生感生電流，在感生電流與外加磁場的共同作用下產生與導電熔體運動方向相反的洛倫茲力，增加熔體的磁粘滯力，減弱熔體的流動，降低熔體溫度起伏和液面波動，從而控制晶體中雜質的含量和分布。盡管MCZ法在一定程度上提高了摻雜濃度分布的均勻性，但生產的單晶硅棒規格較小，不能滿足太陽電池低成本生產要求。

美國專利2008002919和日本專利2002128591分別提出了一種電阻率補償法，在晶體生長過程中將適量反型摻雜與主摻雜一起添加到硅液中，利用反型摻雜在硅晶體中分凝系數比主摻雜小的特點，使主摻雜因凝固偏析造成的電阻率下降得到補償，使滿足電阻率指標的產品合格率增加。盡管這種補償材料在電阻率方面滿足電池制備的要求，但降低了硅片的綜合電學性能。

發明內容

基于上述已有技術存在的問題，本發明的目的是提供一種摻雜濃度和電阻率分布均勻的n型晶體硅的制備方法，該方法尤其適用于制造以P、As或Sb摻雜的n型多晶硅錠或n型單晶硅棒的制備。

本發明的技術方案是在晶體生長過程中，將一個平行于晶體生長方向的直流電場施加于熔融硅液，使液相中的摻雜向固液界面方向遷移，在電場和凝固偏析的雙重作用下，在晶體生長先端的液相中形成摻雜富集的一個高濃度區域，提高了后續生長晶體的摻雜含量，減弱了凝固偏析的影響，獲得在晶體生長方向上均勻摻雜的n型多晶錠或n型單晶棒，并減小了電阻率的偏差范圍，提高了產品合格率，從而降低n型硅片的制造成本。

本發明的一種n型晶體硅的制備方法，其特征在于：在晶體生長過程中，對熔融硅液施加一個平行于晶體生長方向的直流電場，在溫度場和電場的協同控制下完成晶體生長，獲得摻雜在晶體生長方向均勻分布的n型多晶硅錠或n型單晶硅棒。

所述的n型晶體硅是指以P、As和Sb中的一種或幾種摻雜形成的n型晶體硅。