[发明专利]一种生长薄板硅晶体的方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能级硅制造方法领域，具体涉及一种生产大面积薄板硅晶体的方法。

背景技术

硅片，包括单晶硅片和多晶硅片，是制造晶体硅太阳能电池的基础材料。在目前的太阳能行业中，90％以上的晶体硅太阳能电池所用的硅片是通过对单/多晶硅锭切片后得到的。切片过程(通常采用多线切割技术)由于切割损失(Kerf Loss)常常会对硅材料造成很大的浪费，原料损失会在40％以上。因此，从硅原料通过某种结晶的方式，直接生产出硅片，或者生产出薄板状硅晶体并通过简单的截断形成硅片，成为行业发展的方向。目前以带状硅形式的薄板硅晶体的生产技术有：通过模具限定硅带尺寸和形状的EFG法(详见专利号为ZL90104389.3、ZL90109365.3、ZL91101558.2等的中国专利的记载)，以及通过耐高温提拉线(string)限定硅带尺寸和形状的Evergreen Solar，Inc公司采用的方法(详见专利号为US7718003、US7842270等美国专利的记载)。为了限定硅片的厚度，上述方法均使用了容易破坏晶体结构的材料(例如线或模具)，这样生产出的带状硅晶体的结晶颗粒较细，同时还受到了线或模具的污染，在实践中也无法生长出薄板状的硅单晶结构。上述技术还存在另一个缺陷。带状硅在生长时由于没有可靠的支撑，生长界面附近的液态硅往往靠表面张力悬空，因此容易在生长速度或周边流场/温度场波动时形成表面不平坦的带硅，使得带硅在后续的电池片生产和加工中带来困难。另外，上述技术的带状硅结晶方向与带状硅的提拉方向一致，同时带状硅的结晶冷却范围却局限在很小的区域，根据带状硅的提拉速度(即生产速度)接近于结晶冷却的速度的原理，上述技术的带状硅晶体无法实现高速生产。

发明内容

本发明提供了一种生长薄板硅晶体的方法，无需采用固体模具或提拉线来形成硅熔液薄层，因此生长过程中不存在破坏晶体结构的物质，生成的薄板硅晶体中结晶颗粒大，生成的薄板硅面积大，产量高；并且，在有单晶硅片引导的前提下，可生产薄板单晶硅。

一种生长薄板硅晶体的方法，包括：将由硅原料熔化所形成的硅熔液流入到液态衬底的上面，所述的硅熔液浮于所述的液态衬底之上，并在所述的液态衬底表面平铺，形成硅熔液薄层；再通过温度场控制，使得在所述的硅熔液薄层和液态衬底的水平方向形成温度梯度(即水平方向上的温度场控制)，最终所述的硅熔液薄层结晶生成薄板硅晶体，得到的所述薄板硅晶体水平放置。

所述的衬底，采用熔点低于硅、密度大于硅、且在1000～2000℃下与硅不反应且不互溶的物质。这样，可以保证硅晶体生长时所述的衬底为液态，而且所述的液态衬底始终处于硅熔液/硅晶体的下面，并且不会在硅晶体中引入杂质，不影响硅材料作为太阳能光伏材料使用时的品质。采用所述的液态衬底作为支撑硅熔液/硅晶体的载体，目的在于避免晶体生长时，硅晶体/硅熔液与固体的结构件/容器相接触，从而使固体表面缺陷(例如表面凸点和表面凹陷等诱发形成新的晶核的缺陷)导致的自发成核破坏晶体的结构；或者硅熔液破坏性地凝固在固态结构件/容器上，使硅与其无法分离。

所述的温度场控制(即水平方向上的温度场控制)，是通过改变加热和保温方式使热场的温度在水平方向上从高到低分布，依次形成1550～1450度的高温区、1450～1380度的高梯度区、1380度以下的低温区。凝固结晶过程在所述的高梯度区完成。

优选的技术方案中，所述的衬底所采用的物质可选用纯度较高的锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)等IV簇元素中的一种或多种，也可以采用如CaF₂、CaCl₂、BaF₂、BaCl₂等与硅不反应的氯化物或氟化物，还可以采用钡(Ba)。即：所述的衬底采用的物质可以为锗、锡、铅、钡、CaF₂、CaCl₂、BaF₂、BaCl₂中的一种或多种。由于化合物中的F元素或Cl元素对常用的耐高温材料(例如石墨)具有一定的腐蚀性，因此，所述的衬底所采用的物质最优选为锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)、钡(Ba)中的一种或多种。