[發明專利]一種摻雜電阻率均勻的N型鑄造硅多晶及其制備方法

有效

• 申請號: 201210073813.4
• 申請日: 2012-03-20
• 公開（公告）號: CN102560641A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 余學功;肖承全;楊德仁
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C30B28/06
• 分類號: C30B28/06;C30B29/06
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明屬于太陽能電池材料領域，具體涉及一種摻雜電阻率均勻的N型鑄造硅多晶及其制備方法。

背景技術

太陽能是取之不盡、用之不竭的清潔能源，利用半導體材料的光電轉換特性，制備成太陽能電池，可以將太陽能轉變為電能。在最近的十年中，太陽能電池的產量以每年30-40％的速度增長，太陽能產業成為目前市場上發展最快的產業之一。

鑄造多晶硅是制備太陽能電池的主要材料之一，目前約占光伏市場的50％左右。傳統的太陽能光伏技術中，摻硼的P型鑄造多晶硅被廣泛地應用于太陽能電池的制備。但是，在光照下，摻硼的P型鑄造多晶硅由于硼氧復合體的產生，將會導致少子載流子壽命大幅下降，從而導致電池光電轉換效率的衰減現象。這種光致衰減現象會導致太陽能電池的光電轉換效率降低1-2％，這對太陽能電池光伏發電是非常不利的。通過磷取代硼制備的N型鑄造多晶硅，可以避免硼氧復合體的生成，抑制光衰減現象。此外，N型鑄造多晶硅對鐵等過渡金屬的耐受性比P型鑄造多晶硅要好，所以一般情況下，N型鑄造多晶硅具有更高的少數載流子壽命，這對制備高轉換效率太陽能電池是非常有利的。

對于晶體硅太陽能電池，其光電轉換效率是與晶體硅片的電阻率密切相關的。一般而言，對于制備N型高效晶體硅太陽能電池，材料的最佳電阻率應控制在1.0-2.0Ω.cm的范圍。如果電阻率太高(＞2.0Ω.cm)，其對應的摻雜濃度就低，導致后續制備的太陽能電池中的PN結內建電場的勢壘低，不利于獲得高的開路電壓，因而必然影響電池的轉換效率；如果電阻率太低(＜1.0Ω.cm)，俄歇復合和硅禁帶中雜質的間接復合效應作用增強，將會限制少子載流子壽命，不利于獲得高的短路電流，同樣也會影響電池的轉換效率。在定向凝固法生長摻磷鑄造硅多晶時，由于磷的分凝系數是0.35，遠小于1，所以在多晶硅鑄錠生長完成以后，電阻率沿著晶錠生長方向分布離散度大。對于整個多晶硅鑄錠來說，電阻率分布在1.0-2.0Ω.cm范圍內的、可用于制備高效太陽電池的多晶硅鑄錠有效長度只占整根多晶硅鑄錠的50-65％，而對于剩下的35-50％的多晶硅鑄錠，目前常規電池工藝不能制備出高效太陽能電池。

公開號為CN101918314A的專利申請提供了一種用于控制補償硅原料形成硅錠過程中的電阻率的方法，通過在冶金補償硅原料中加入預定數量的鋁或鎵，來增加硅錠中P型硅材料的份額，維持P型硅錠中電阻率的一致性。公開號為CN101654804A的專利申請提供了一種在晶體生長過程中控制摻鎵直拉單晶硅電阻率的方法，當P型晶體的電阻率在1.0-1.2Ω.cm時，向剩余硅熔融溶液額外加入一部分磷，來達到調控電阻率的目的。上述兩個專利申請公開了生長P型硅晶體時控制電阻率均勻性的方法，對于過度補償生長出的N型硅晶體部分作為廢料處理。

近幾年來，隨著N型硅晶體用來制備太陽能電池受到越來越多的重視，對于如何控制N型磷摻雜鑄造硅多晶電阻率的均勻性仍然是一個難題。因此，尋找一種合理有效的方法來控制N型磷摻雜鑄造硅多晶電阻率的均勻性，對提高硅晶體制備太陽能電池的利用率、降低電池成本具有非常重要的意義。

發明內容

本發明提供了一種制備摻雜電阻率均勻的N型鑄造硅多晶的方法，可以將至少90％的N型磷摻雜多晶硅鑄錠的電阻率控制在1.0-2.0Ω.cm范圍內，解決了N型磷摻雜多晶硅鑄錠電阻率軸向變化范圍大，制備高效太陽能電池材料利用率低的問題。

一種制備摻雜電阻率均勻的N型鑄造硅多晶的方法，包括如下步驟：將多晶硅料、磷摻雜劑和鎵混合后熔融，再利用鑄造法生長硅多晶體。

所述的熔融在高于硅熔點的溫度下進行即可，通常選用1410℃，，在該溫度下，多晶硅即可熔融，如果溫度更高，則不利于節能。

所述的熔融過程在真空或者氬氣的保護下進行，這是為了保證鑄造法生長的多晶硅具有良好的晶體結構，如果沒有在保護條件下進行，則多晶硅會產生缺陷，從而不能夠很好的控制電阻率，影響后續制備出的太陽能電池的效率。

所述的多晶硅料、磷摻雜劑和鎵的比例無特殊限制，但其配比關系需使得后續生長出的至少90％高度的硅多晶的電子凈摻雜濃度在2.0e15～5.0e15cm^-3范圍內。

所述的鑄造法可以采用現有技術，在真空或氬氣保護下，熔融多晶硅料、磷摻雜劑和鎵，然后提升爐內保溫罩，同時冷卻坩堝底部，熔體溫度自底部開始降低，晶體硅首先在底部形成，并呈柱狀向上生長。