[发明专利]低含氧量硅晶体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能级硅晶体的制备方法，尤其涉及一种采用丘克劳斯基法或定向凝固法制备低含氧量硅晶体的方法。

背景技术

硅基太阳能电池按照硅原料的类型可以分为非晶硅、多晶硅和单晶硅太阳能电池。多晶硅和单晶硅太阳能电池又统称为晶体硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池所用的原料硅晶体最常见的有以下两种形式：

多晶硅锭—生产多晶硅锭最常用的方式为在一个方型坩埚中将硅原料熔化成硅溶液后用定向凝固的方法制造。在生产过程中，通常用氩气、氦气或氮气作为惰性保护气体。用于熔化和定向凝固硅原料的设备通常称为多晶硅铸锭炉。

定向凝固法是将硅料放在铸锭炉中加以熔融，然后通过改变铸锭炉内的温度场分布(例如从铸锭炉底部通上冷源或改变炉内热场的加热器或保温材料的位置)以形成适当的温度梯度和降温速率，使固液界面从铸锭炉底部向上移动而形成晶锭。

单/多晶硅棒—丘克劳斯基法(Czochralski法，简称CZ法)(采用提拉炉)是硅晶体生长的另一种广泛使用的方法。根据原料纯度和拉晶工艺的不同，产品可以是多晶硅硅棒或单晶硅硅棒。

丘克劳斯基法是将硅熔液放置在圆形石英坩埚中，通过籽晶诱导下生长出圆柱状的硅晶体。在生产过程中，通常也用氩气、氦气或氮气作为惰性保护气体。

以上两种方法均以石英坩埚作为放置硅原料的容器。石英坩埚的主要成分为二氧化硅，在高温下部分氧原子会从石英中游离出来，进入到硅晶体中。因此，由石英坩埚作为容器的晶体生长法生长得到的晶体会有较高的氧浓度。然而，某些使用场合下需要极低氧含量的硅晶体，例如，为了提高作为掺硼太阳能光伏硅材料的寿命，减少光致衰减带来的负面影响，硅晶体中的氧含量需要最小化。氧作为一种杂质，在硅晶体中的平衡偏析系数k约等于1。也就是说，当氧通过某种方式扩散到晶体生长的固液相界面时，氧原子就很容易进入到硅晶体中。在这种情况下，尽可能地降低从石英坩埚中析出的氧原子的数量，同时减小上述氧原子扩散到固液相界面的可能性，将在最大程度上解决使用石英坩埚作为容器进行硅晶体生长时晶体内氧含量偏高的问题。

当硅原料在高温下熔化后，硅液与石英坩埚壁面会发生如下反应：

Si+SiO₂→2SiO

由于热对流，所生成的SiO会被输送到硅熔液表面。大量的SiO会从熔硅表面挥发，剩余的SiO会在熔硅中再分解，如下：

SiO→Si+O

分解出来的氧在熔硅冷却结晶的过程中进入晶体，处于硅晶格的间隙位置。

在硅的熔化温度下，SiO的蒸气压约9torr(毫米汞柱mmHg)，因此在一个合适的晶体生长环境气压下，大量的SiO会在硅熔液液面挥发。环境气压的控制是通过导入惰性气体，例如氩气、氦气或氮气来实现的。

目前降低硅晶体产品中的氧含量可采用的方式大致有以下几方面：

1.合理布置热场和工艺参数以降低石英坩埚所在位置的温度，减少氧原子的析出量和析出速度；

2.扩大硅熔液液面的面积给予氧原子最大的挥发表面积；

3.加快硅熔液液面上的气流流动速度，尽快将挥发出的氧原子带走，减小液面附近氧原子的分压；

4.降低炉内压力加快氧原子的挥发；

5.采用电磁场抑制硅熔液的对流，减小氧原子对流传质的速度；

6.降低石英坩埚的转速(如果石英坩埚必需旋转的话)，增加石英坩埚表面氧原子扩散边界层的厚度。

在解决硅晶体生长过程中降低晶体内氧含量的问题时，现有的技术并没有涉及采用改变硅熔液表面的气体组成成分的方法。在当前技术下，硅熔液表面的气体氛围中主要组成成分为SiO和惰性气休，另外还有少量的来自热场挥发生成的CO气体。

发明内容

本发明提供了一种低含氧量硅晶体的制备方法，以还原性气体或由还原性气体与惰性气体组成的混合气体作为保护气体，来减少由石英坩埚作为容器的晶体生长法生长得到的硅晶体中的含氧量，提高硅晶体的品质。

一种低含氧量硅晶体的制备方法，包括将硅熔液置入反应器(常用石英坩埚)内，通过定向凝固法或丘克劳斯基法制备硅晶体，在硅晶体的制备过程中，将还原性气体或由还原性气体与惰性气体组成的混合气体作为保护气体，通过硅熔液表面。

所述保护气体，必须与硅以及所用的石英坩埚材料及热场材料(主要是石墨)在高温下不反应或只是很少量反应，与制备时环境气体中的氧反应，同时保护气体必须不影响硅晶体作为光伏应用材料的产品性能。