專利名稱：：一種摻鎵金屬硅及其定向凝固鑄造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及鑄造金屬硅領(lǐng)域，尤其是一種摻鎵金屬硅及其定向凝固鑄造方法。
背景技術(shù)：
：由于太陽(yáng)能行業(yè)的不斷發(fā)展與壯大，競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，生產(chǎn)高質(zhì)量低成本的電池才能立足市場(chǎng)，同時(shí)光伏行業(yè)硅材料緊缺，金屬硅由于其低成本而頗具吸引力，很多廠家嘗試生產(chǎn)由金屬硅材料制成的電池，但其低成本是由于富含金屬雜質(zhì)(Fe，Al等)和硼磷(B/P)，目前市場(chǎng)上高品級(jí)的金屬硅純度一般在5N左右，既99.999%左右，是由工業(yè)級(jí)冶金級(jí)硅做進(jìn)一步化學(xué)或物理純化所得，其硼磷含量仍然很高，一般在0.l-20ppma，碳氧含量一般在10-60ppma，其純度直接影響所產(chǎn)電池的轉(zhuǎn)換效率，且由于其本身材料中高B/0含量的存在，所做電池衰減非常嚴(yán)重，所做多晶硅電池的光致衰減有的甚至達(dá)到單晶電池的衰減率3%_5%，而普通多晶電池衰減在僅在1%左右。所謂的光致衰減的現(xiàn)象為，對(duì)于硼摻雜晶硅太陽(yáng)能電池，當(dāng)它暴露于光照下，電池性能會(huì)衰減，并最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的效率。早在30多年前，F(xiàn)ischer和Pschunder首先發(fā)現(xiàn)了摻硼太陽(yáng)電池的這種光致衰減現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)多年研究，科學(xué)家們一致認(rèn)同這種光致衰減現(xiàn)象是由于摻硼硅中的間隙態(tài)氧和替位態(tài)硼形成亞穩(wěn)態(tài)的缺陷結(jié)構(gòu)(即硼氧復(fù)合體)所致，這種缺陷結(jié)構(gòu)降低了少數(shù)載流子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度，使太陽(yáng)能電池的性能下降。同時(shí)，各個(gè)廠家金屬硅B/P含量不穩(wěn)定，對(duì)于B>P的金屬硅，可以通過(guò)摻雜P來(lái)提高電阻率；對(duì)于P>B的N型硅料，可以通過(guò)摻雜B和Ga來(lái)使其生長(zhǎng)為P型晶錠，并使電阻率符合要，然而B分凝系數(shù)比較大為0.8，調(diào)整P/N型號(hào)時(shí)所需的量比較大，除非通過(guò)鑄錠過(guò)程中分步添加B才能解決此問(wèn)題，而且Ga分凝系數(shù)比較小0.008，正好避免了此問(wèn)題，對(duì)電阻率型號(hào)調(diào)整效果更佳。這種情況下如果采用B為摻雜劑，會(huì)讓電池產(chǎn)生更多的B-0對(duì)，更進(jìn)一步增大衰減。目前行業(yè)內(nèi)對(duì)金屬硅電池的衰減情況研究的比較少，單晶硅光致衰減研究的比較多，如無(wú)錫尚德太陽(yáng)能電力有限公司控制單晶衰減的專利"一種摻鎵單晶硅太陽(yáng)電池及其制造方法"，公開號(hào)CN101399297A;河北工業(yè)大學(xué)的"直拉法生長(zhǎng)摻鎵硅單晶的方法和裝置"，公開號(hào)CN101148777A&201058893Y。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是為了解決上述存在的缺點(diǎn)和不足，提供一種解決現(xiàn)有金屬硅電池高光致衰減問(wèn)題和傳統(tǒng)摻硼方法難以控制金屬硅電阻率和型號(hào)的問(wèn)題的一種摻鎵金屬硅及其定向凝固鑄造方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是—種摻鎵金屬硅及其定向凝固鑄造方法，該方法步驟如下(—)、將坩堝進(jìn)行烘焙后，再進(jìn)行氮化硅的噴涂和烘烤；(二)、將硅料裝入坩堝，按摻雜濃度加入適量的鎵；(三)、將多晶爐抽真空，通入保護(hù)氣體，硅料加熱至1440°C-154(rC熔化；3(四)、通過(guò)定向凝固，使熔化的硅從下部到上部逐漸結(jié)晶；(五)、最后高溫退火，形成用于切片做電池的多晶錠。為了降低金屬硅電池的光致衰減，加入適量的鎵的方法為將鎵加熱到熔點(diǎn)29.9°C以上，再用塑料移液管移取所需量的鎵置于硅片上，待其與硅片凝固在一起，將凝固有鎵的硅片和硅料一起裝入坩堝，并置于坩堝的中下部，金屬硅中含有濃度O.l-20卯ma的硼和濃度0.l-20ppma的磷，還含有1X1014atoms/cm3-lX1017atoms/cm3的鎵。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明在鑄造鑄造金屬硅中加入鎵，能夠降低金屬硅電池的光致衰減，硅中摻雜用的三五主族元素一般為替位共價(jià)態(tài)，硼的共價(jià)原子半徑是82pm(lpm=10—12m)在硅晶格中有足夠的空間可以形成硼氧復(fù)合體，而鎵的共價(jià)原子半徑是126pm，其較大的原子半徑阻礙了硼和氧在硅晶格中的作用，從而抑制了摻鎵晶體的光衰減；可以更好的調(diào)整P/N型號(hào)和電阻率。熔硅中的鎵濃度由如下分凝公式得到，Cs=KX&X(l-g)k—、其中g(shù)為凝固百分比，Cs為硅棒中凝固百分比為g處的鎵濃度，(^為熔硅中鎵濃度，k為鎵的分凝系數(shù)0.008，由于鎵的分凝系數(shù)很小為0.008(硼的分凝系數(shù)為0.8)，鎵在硅晶體內(nèi)摻雜濃度變化較大。具體實(shí)施例方式—種摻鎵金屬硅及其定向凝固鑄造方法，該方法步驟如下—)、將坩堝進(jìn)行烘焙后，再進(jìn)行氮化硅的噴涂和烘烤；(二)、將硅料裝入坩堝，按摻雜濃度加入適量的鎵；(三)、將多晶爐抽真空，通入保護(hù)氣體，硅料加熱至1440°C-154(rC熔化；(四)、通過(guò)定向凝固，使熔化的硅從下部到上部逐漸結(jié)晶；(五)、最后高溫退火，形成用于切片做電池的多晶錠。為了降低金屬硅電池的光致衰減，加入適量的鎵的方法為將鎵加熱到熔點(diǎn)29.9°C以上，再用塑料移液管移取所需量的鎵置于硅片上，待其與硅片凝固在一起，將凝固有鎵的硅片和硅料一起裝入坩堝，并置于坩堝的中下部，金屬硅中含有濃度O.l-20卯ma的硼和濃度0.l-20ppma的磷，還含有1X1014atoms/cm3-lX1017atoms/cm3的鎵。以下結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。實(shí)施例1將240kg的某廠家金屬硅置于坩堝，其B/P含量各自在2-5卯ma之間，裝料時(shí)摻入Ga17g，裝爐，抽真空，氬氣保護(hù)，加熱硅料至1440-154(TC，直到硅料全部熔化，通過(guò)控制上下溫度梯度，實(shí)現(xiàn)從下往上定向凝固結(jié)晶，形成含硼濃度1.04X10"atoms/cm3，含鎵濃度2.3X1016atoms/cm3的金屬硅晶錠。對(duì)比例1將240kg的某廠家金屬硅置于坩堝，其B/P含量各自在2-5卯ma之間，裝料時(shí)不加任何摻雜劑，裝爐，抽真空，氬氣保護(hù)，加熱硅料至1440-1540°C，直到硅料全部熔化，通過(guò)控制上下溫度梯度，實(shí)現(xiàn)從下往上定向凝固結(jié)晶，形成含硼濃度1.04X10"atoms/cn^的金屬硅晶錠。對(duì)比例2將240kg的某廠家金屬硅置于坩堝，其B/P含量各自在2-5卯ma之間，裝料時(shí)摻入B母合金250g(電阻率0.00427ohm*cm)，裝爐，抽真空，氬氣保護(hù)，加熱硅料至1440_1540°C，直到硅料全部熔化，通過(guò)控制上下溫度梯度，實(shí)現(xiàn)從下往上定向凝固結(jié)晶，形成含硼濃度1.27X1017atoms/cm3的金屬硅晶錠。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>比較晶錠收率和組件衰減來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的效果，見上表，收率大幅提高，衰減比摻硼的有所減低。權(quán)利要求一種摻鎵金屬硅的定向凝固鑄造方法，該方法步驟如下(一)、將坩堝進(jìn)行烘焙后，再進(jìn)行氮化硅的噴涂和烘烤；(二)、將硅料裝入坩堝，按摻雜濃度加入適量的鎵；(三)、將多晶爐抽真空，通入保護(hù)氣體，硅料加熱至1440℃-1540℃熔化；(四)、通過(guò)定向凝固，使熔化的硅從下部到上部逐漸結(jié)晶；(五)、最后高溫退火，形成用于切片做電池的多晶錠。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種摻鎵金屬硅的定向凝固鑄造方法，其特征在于加入適量的鎵的方法為將鎵加熱到熔點(diǎn)29.9°C以上，再用塑料移液管移取所需量的鎵置于硅片上，待其與硅片凝固在一起，將凝固有鎵的硅片和硅料一起裝入坩堝，并置于坩堝的中下部。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種摻鎵金屬硅的定向凝固鑄造方法，其特征在于所述的金屬硅中含有濃度0.l-20卯ma的硼和濃度0.l-20卯ma的磷，還含有1X10"atoms/cm3_lX1017atoms/cm3的鎵。4.通過(guò)權(quán)利要求1所述的方法所制的摻鎵金屬硅，其特征在于其中含有濃度0.l-20ppma的硼、0.-120ppma的磷和含有1X1014atoms/cm3-lX1017atoms/cm3的鎵。全文摘要本發(fā)明涉及一種摻鎵金屬硅及其定向凝固鑄造方法，該方法步驟如下將坩堝進(jìn)行烘焙后，再進(jìn)行氮化硅的噴涂和烘烤；將硅料裝入坩堝，按摻雜濃度加入適量的鎵；將多晶爐抽真空，通入保護(hù)氣體，硅料加熱至1440℃-1540℃熔化；通過(guò)定向凝固，使熔化的硅從下部到上部逐漸結(jié)晶；最后高溫退火，形成用于切片做電池的多晶錠。本發(fā)明在鑄造金屬硅中加入鎵，從而有效、經(jīng)濟(jì)并且方便的解決了金屬硅電池的光致衰減，并更好的調(diào)整了P/N型號(hào)和電阻率。文檔編號(hào)C30B28/00GK101694008SQ20091003567公開日2010年4月14日申請(qǐng)日期2009年9月30日優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日發(fā)明者陳雪,黃強(qiáng),黃振飛申請(qǐng)人:常州天合光能有限公司;