[发明专利]太阳能级φ6英吋无位错单晶硅的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及用硅材料制做的太阳能硅片，在阳光下能把太阳光直接转化为电能，特别涉及大英吋无位错单晶硅。

背景技术

目前，由于硅材料的来源丰富，用硅材料制成的半导体器件使用范围广、可靠性好。因此，已成为最重要的半导体材料。现在，90％的半导体器件都是用硅材料制作的。近几年来，为了节约煤、石油、木材等能源，同时为了减少环境污染，大力提倡绿色能源，逐渐使用硅材料制作太阳能硅片，可在阳光下能把太阳光转化为电能。在整个硅晶体中，所有的粒子都是按同一规律并且同一方向周期性地排列在一起，这样的晶体叫单晶体，单晶体常有规则的外形，并且具有各向异性单晶硅。在单晶体生长过程中，由于热应力、杂质添加、液面波动、机械震动等原因，使正在生长的晶体中的粒子排列的规律性，在局部被打乱，形成了晶格缺陷。位错是晶体中常见的缺陷，在制作太阳能电池的硅片，都要求硅材料是单晶体，并且是无位错的。

发明内容

本发明的目的提供了一种光电转换效率高的大英吋太阳能无位错单晶硅的制备方法。

本发明采用的技术方案是：依次包括如下步骤：

(1)采用高纯多晶硅原料，使用硝酸和氢氟酸对原料进行化学腐蚀，除去表面杂质再用高纯水冲洗干净；(2)用无位错的单晶硅切制长度为100～130mm的籽晶；(3)先把多晶硅装入炉室，炉室内通氩气加热熔化硅料，硅料的熔点为1416℃，加热熔料的时间为4小时左右，再将籽晶接触液面，慢慢的向上提拉，液体硅就在籽晶下方逐渐结晶，拉制出单晶硅。

本发明方法简单，制备无位错单晶硅的直径为6英吋(150mm)，用这样的单晶硅切成片子，再做成太阳能电池，其光电转换效率可达到15～18％。

具体实施方式

拉制单晶硅的原料是高纯多晶硅。多晶硅的纯度及质量好坏将直接影响到无位错单晶硅是否能够拉制成功，以及拉制出来的单晶硅是否合格。

在地壳中虽然硅元素的含量丰富，但都是以化合物(例如SiO₂)的形式存在。必须通过化学生产的方式将硅的化合物转化成高纯度的多晶硅。高纯多晶硅的生产方法有多种，现在使用较多的是三氯氢硅氢还原法(SiHCl₃)。用来拉制太阳能级的单晶硅，要求使用的多晶硅的纯度＞6个“9”(99.9999％)。

多晶硅料在投入使用前，必须进行严格的分检以及严格的化学腐蚀清理，除去表面杂质，并用高纯水冲洗干净。化学腐蚀时常用的酸是硝酸和氢氟酸。对于不同的多晶料，化学腐蚀的具体操作方法(酸配比、腐蚀时间、温度等)也不尽相同。其化学反应式如下：

Si+4HNO₃+4HF＝SiF₄↑+4NO₂↑+4H₂O

SiF₄+2HF＝H₂[SiF₆]+Q(热量)

也可用碱腐蚀，反应式如下：(NaOH的浓度为10～30％)

Si+2NaOH+H₂O＝Na₂SiO₃+2H₂↑

高纯石英坩埚是盛装多晶硅料及液体硅的容器，用高纯石英(SiO₂)烧制而成，为白色不透明的。为了避免石英中的杂质污染液体硅(温度在1416℃以上)，要求在坩埚内壁再喷塗一层高纯度的透明石英。用于生产太阳能级单晶硅的石英坩埚，其外直径一般为：16英寸、18英寸、20英寸等，对应最大装料量分别为40、60、90公斤。

为了控制单晶硅的型号和电阻率，都要在晶体中掺如一定量的V族或III族元素。现在拉制太阳能级单晶硅时，一般是掺入硼硅母合金(含有硼的硅晶体)，掺入量为几百毫克到几十克不等(取决于母合金的含硼浓度)。在装炉时，硼硅母合金随同多晶硅料一同装入石英坩埚中。多晶硅料熔化成液态时，硼原子也就均匀分布在液体中。

籽晶是晶体生长的“种子”，也叫晶种。用不同晶向的籽晶做晶种，就会获得不同晶向的单晶体。籽晶是用无位错的单晶硅切制(掏制)而成，有方形的(如10×10mm)，也有圆形的(如φ12.7mm)，长度一般为100至130mm左右。为了保证单晶硅质量，切籽晶所用的晶体一般用高电阻率的单晶。