專利名稱：一種在晶體硅形成過程中控制電阻率的裝置的制作方法
技術領域：
一種在晶體硅形成過程中控制電阻率的裝置
技術領域：
本實用新型涉及太陽能光伏材料制備領域，特別是涉及一種在晶體硅形成過程中控制電阻率的裝置。
背景技術：
太陽能光伏發(fā)電是目前發(fā)展最快的可持續(xù)能源利用的形式之一，晶體硅太陽單晶硅或多晶硅電池是光伏發(fā)電的主流產品，生產電池的硅片是從單晶硅錠或多晶硅錠切片獲得，所以硅片要求的電學性能必須在鑄錠的生產過程中完成。對于晶體硅太陽能電池而言，其光電轉換效率與硅片的電阻率有關。目前，晶體硅材料的電阻率一般控制在I 3Ω . Cm的范圍內。如果電阻率過高(> 3Ω · cm) ，將會引起電池的串聯電阻增加，其短路電流將減小，因而電池的光電轉換效率會降低；如果電阻率太低(<1Ω ·_)，俄歇復合效應同樣會降低少子的有效壽命，也會導致電池光電轉換效率降低。對于N型晶體硅和其它P型晶體硅而言，其內的摻雜劑的分凝系數都比較小，例如，磷的分凝系數為O. 35，砷的分凝系數為O. 30，銻的分凝系數為O. 023，鎵的分凝系數為O. 08，較小的分凝系數意味著偏析較為嚴重，所以在硅晶體生長完成后，電阻率沿晶體生長方向變化很大。例如，對于摻磷或摻砷的N型硅晶體，若熔化后結晶的初始電阻率為3. O Ω .cm,則在其凝固到最終形成硅錠的晶體高度的70%左右時，其電阻率通常會低于I Ω ·_，導致部分晶體硅不能使用，這將大大限制硅錠的利用率，增加生產成本。

實用新型內容基于此，有必要提供了一種在晶體硅形成過程中控制電阻率的裝置，可以將經由定向凝固所形成硅錠的晶體高度的90%的電阻率控制在I 3Ω · cm的范圍內。一種在晶體硅形成過程中控制電阻率的裝置，包括爐體，其包括上爐體與下爐體，摻雜補償單元，設置于所述上爐體上，所述摻雜補償單元包括承載摻雜補償劑的承載件和驅動所述承載件前進或者后退的驅動件，所述承載件連接于所述驅動件上，所述驅動件設置于所述上爐體。在優(yōu)選的實施例中，所述承載件具有與驅動件相連接的連桿及夾持摻雜補償劑的夾頭，其中，所述夾頭連接于所述連桿的端部。在優(yōu)選的實施例中，所述裝置還包括一個氣體導流筒，所述摻雜補償單元設置在所述氣體導流筒內。在優(yōu)選的實施例中，所述裝置還包括固定于爐體上的隔熱組件，所述隔熱組件包括位于坩堝上方的頂隔熱板、位于坩堝下方的下隔熱板及位于坩堝四周的側隔熱籠。本實用新型利用摻雜單元在硅熔體中添加電阻率補償劑來控制小分凝系數多晶硅的電阻率。在晶體生長過程中以摻雜補償單元在硅熔體內逐步添加摻雜補償劑(例如硼)，從而達到有效地控制在晶體長晶過程中晶體硅的電阻率的目的。由于用來補償的摻雜補償劑(例如硼)的含量很少且主要位于硅錠的頭部，在晶體硅硅錠頭部的氧含量很低，因此微量的摻雜補償劑(例如硼)引起的光衰減效應很小。本裝置生產出的晶體硅硅錠再經切割形成的硅片可以用來制備高效的太陽能電池。由于可將制備的90%的晶體硅硅錠的電阻率控制在I. O 3. O Ω * cm的范圍內，有利于增加硅料的利用率，從而降低生產成本。
圖I是本實用新型一個實施例的裝置在硅料加熱熔融階段的示意圖；圖2是圖I所示裝置在硅熔體定向凝固階段的示意圖；圖3是圖I所示裝置的摻雜補償單元的放大示意圖；圖4為實施例I中摻雜補償單元的承載件的運動距離和速度與晶體高度的關系示意圖；·[0015]圖5為實施例I中電阻率與晶體高度的關系示意圖；圖6為實施例2中電阻率與晶體高度的關系示意圖；圖7是實施例3中摻雜補償單元的承載件運動距離和速度與晶體高度的關系示意圖；圖8是實施例3中電阻率與晶體高度關系圖；上爐體1，下爐體2，側隔熱籠3，頂隔熱板4，下隔熱板5，提升桿6，氣體導流筒7，電極8，石墨支柱9，加熱器10，熱交換塊11，環(huán)狀隔熱條12，坩堝13，坩堝護板14，連桿15，夾頭16，硅料17，摻雜補償劑18。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的較佳實施例進行詳細闡述，以使本實用新型的優(yōu)點和特征能更易于被本領域技術人員理解，從而對本實用新型的保護范圍做出更為清楚明確的界定。如圖I所示，一種在晶體硅形成過程中控制電阻率的裝置包括爐體，該爐體包括上爐體I與下爐體2，該上爐體I上設置一個摻雜補償單元，該摻雜補償單元包括承載摻雜補償劑18的承載件和驅動所述承載件前進或者后退的驅動件，該承載件連接于該驅動件上，該驅動件設置于該上爐體I。該爐體內可設置隔熱組件，該隔熱組件固定于爐體上。在形成晶體硅時，隔熱組件內可以進一步設置坩堝13，其內放置有硅料17。隔熱組件與坩堝13之間具有加熱器10，上爐體I上設有穿過爐體和隔熱組件到達坩堝13頂部的氣體導流筒7，摻雜補償單元可以設于氣體導流筒7內。隔熱組件包括位于坩堝13上方的頂隔熱板4、位于坩堝13下方的下隔熱板5及位于坩堝13四周的側隔熱籠3。摻雜補償單元的承載件具有固定于驅動件上的連桿15和與連桿15相連、夾持摻雜補償劑18的夾頭16。在下爐體2內固定有石墨支柱9。下隔熱板5和熱交換塊11以從下到上的順序支撐在石墨支柱9上。上爐體I上固定有提升桿6。提升桿6的兩端分別以絲桿滑塊的形式連接于上爐體I和側隔熱籠3，提升桿6可以被外接驅動機構所驅動進而帶動側隔熱籠3上下運動以控制側隔熱籠3相對下隔熱板5在爐體內的升降。從圖I中可以看出，在周向上，側隔熱籠3的底部具有與下隔熱板5的頂部邊緣相適配的形狀，這樣，在提升桿6的作用下，當側隔熱籠3處于最低位置時，側隔熱籠3和下隔熱板5剛好配合在一起。頂隔熱板4和加熱器10通過電極8懸掛在上爐體I上并固定不動，頂隔熱板4的中央設有氣體導流筒7，經由該氣體導流筒7，可以向裝置內充入保護氣，例如氬氣。在側隔熱籠3、頂隔熱板4和下隔熱板5形成的容腔中，坩堝護板14的內壁緊貼著坩堝13的外壁并被承載于熱交換塊11上。其中，坩堝13內容納有待加熱的硅料17。其中，該硅料17為晶體硅和適量的摻雜劑，該晶體硅可以為多晶硅也可以為單晶硅。該摻雜劑可以為硅-磷、硅-砷、硅-銻等N型母合金，或者為磷、砷、銻等N型半導體元素。該摻雜劑也可以為P型母合金或P型半導體元素，如硅-硼或硅-鎵或硅-鋁合金，硼、鎵或鋁元素。此處摻雜劑的導電類型應保證與摻雜補償劑的導電類型相反。加熱器10靠近坩堝13的頂部和側部布置，另外，熱交換塊11的底部周邊還固定有環(huán)狀隔熱條12，以起到隔熱的作用。裝置的摻雜補償單元包括承載件和驅動件。其中，承載件具有與驅動件相連接的連桿15及夾持摻雜補償劑18的夾頭16，其中，該夾頭16連接于連桿15的端部，摻雜補償劑18被夾頭16夾持，其下端高于裝置內布置于頂部的加熱器10。由圖3可知，上述的連桿15和夾頭16被容納在氣體導流筒7內。該驅動件可以為馬達或其它合適的部件，該摻雜補償劑18為P型母合金或P型半導體元素，如硅-硼或硅-鎵或硅-鋁合金，硼、鎵或鋁元素，也可以為N型母合金或N型半導體元素，如硅-磷或硅-砷或硅-銻母合金，磷或砷或銻元 素。此處摻雜補償劑的導電類型應保證與摻雜劑的導電類型相反。例如，當摻雜補償劑為摻硼硅料、摻鎵硅料、摻鋁硅料等P型硅料時，摻雜劑為硅-磷、硅-砷、硅-銻等N型母合金，或者為磷、砷、銻等N型半導體元素；當摻雜補償劑為摻磷硅料、摻砷硅料、摻銻硅料等N型硅料時，摻雜劑為硅-鎵母合金、硅-鋁母合金或者鎵元素。本領域的技術人員應當可以理解，摻雜補償劑18可以為柱狀、錐狀或條狀。驅動部分可選擇地可以采用其他機構。更優(yōu)地，可以采用控制件與驅動件相連接以使驅動件準確地驅動承載件。該控制件可以為工控計算機。上文所提及的硅料17實際上可以為任何經過加熱熔融-定向凝固而形成晶體硅硅錠的原料。另外，摻雜補償單元并不局限于圖I所示的結構和位置，這是很容易想到的，在此不再贅述。如圖I所示，在加熱熔融階段，側隔熱籠3、頂隔熱板4和下隔熱板5形成封閉的加熱腔，通過加熱器10對坩堝13內的硅料17進行加熱熔化使其形成硅熔體。如圖2所示，在定向凝固的長晶階段，在提升桿6的作用下，側隔熱籠3向上運動使得在側隔熱籠3和下隔熱板5之間出現了通往由上爐體I和下爐體2所形成的爐體的間隙。藉由該間隙，硅熔體的熱量得以釋放從而開始從底部向上定向凝固并生成晶體。由于N型摻雜劑(如磷)的分凝系數較小而導致其偏析的緣故，在晶體固化率達到一定程度時，剩余的硅熔體中的磷的含量就相對較高，若不采取措施而任由其繼續(xù)長晶的話則再生成的晶體的電阻率就會小于目標電阻率(通常，目標電阻率在I. O 3.0 Ω ·_之間)。此時的晶體高度即為晶體高度預定值，該晶體高度預定值與具體的目標電阻率以及原料等因素相關，可依據使用需求及上述因素設定。因此，驅動單元就會帶動連桿15使連桿15帶動夾頭16向下運動。使摻雜補償劑18與硅熔體的液面接觸并被逐漸熔化到硅熔體中。即向剩余的硅熔體中摻入摻雜補償劑來補償硅錠的電阻率，此時摻雜補償劑與摻雜劑的導電類型相反。當晶體的高度占最終形成硅錠的高度在85% -90%之間時，將摻雜補償劑與硅熔體分離，最終形成電阻率符合要求的晶體硅硅錠。在所形成的硅錠中至少在晶體高度的90%的硅錠部分的電阻率都在I. O 3. O Ω * cm的范圍內。本領域的技術人員應當可以理解，目標電阻率可以為I. O 3. O Ω · cm之間的任何范圍，如1.5 3Ω .^1.5-2.50 · cm，這可以根據太陽能電池的性能需求來設定。晶體高度預定值根據目標電阻率而設定。下面，以三個控制硅錠的電阻率的方法的實施例來具體說明。實施例I將摻雜補償劑18夾在夾頭16上并將P型摻雜補償劑18提升15cm。該摻雜補償劑18為截面為IcmX Icm的柱狀娃料,其內雜質為硼,且硼的摻雜濃度為IO19CnT3 (其中，IO19代表原子個數)。將450kg的多晶硅硅料放入石英坩堝13中，同時摻入適量的硅-磷母合金，以使初始結晶的多晶硅晶體的目標電阻率為3.0 Ω · cm。在加熱熔融階段，在氬氣氣氛保護下，加熱器10對坩堝13內的多晶硅硅料和硅-磷母合金進行加熱，并在1560°C左右時，將多晶硅硅料和硅-磷母合金熔化為硅熔體。參見圖4和圖5，圖中的晶體高度采用百分數表示是指所形成的晶體高度占最終 形成硅錠高度的比例。在定向凝固的長晶階段，隨著晶體高度的升高，新生成的多晶硅晶體的電阻率呈大體降低趨勢。在定向凝固過程中，判斷晶體高度是否達到晶體高度預定值，若達到晶體高度預定值則進行摻雜補償步驟。此處的晶體高度預定值為最終形成硅錠高度的67%所對應的高度值。當晶體高度達到最終形成硅錠高度的67%時，降低摻雜補償劑18使其以變化的速度浸入到硅熔體中，并使其逐漸地熔化。當晶體高度達到最終形成硅錠高度的93%時，提升摻雜補償劑18使其與硅熔體液面脫離，繼續(xù)長晶至結束。硅錠開方后，通過四探針法測量晶體電阻率的分布，發(fā)現晶體高度占最終形成硅錠高度92%的硅錠的電阻率都在I. O 3. O Ω · cm的范圍內。實施例2將摻雜補償劑18夾在夾頭16上，其中，該摻雜補償劑18為截面為2cmX 2cm柱狀硅料，其內雜質為硼，且硼的摻雜濃度為IO19CnT3(其中，IO19代表原子個數)。將450kg的多晶硅硅料放入石英坩堝13中，同時摻入適量的硅-磷母合金以使初始結晶的多晶硅晶體的目標電阻率為2.5Ω 在加熱熔融階段，在氬氣氣氛保護下，加熱器10對坩堝13內的多晶硅硅料和硅-磷母合金進行加熱，并在1560°C將多晶硅硅料和硅-磷母合金熔化。參見圖6，圖中的晶體高度采用百分數表示是指所形成的晶體高度占最終形成硅錠高度的比例。在定向凝固的長晶階段，隨著晶體高度的升高，新生成的多晶硅晶體的電阻率呈大體降低趨勢。在定向凝固過程中，判斷晶體高度是否達到晶體高度預定值，在達到晶體高度預定值時則進行摻雜補償步驟。此處的晶體高度預定值為最終形成硅錠高度的60%所對應的高度值。當晶體高度(或稱晶體固化率)達到60%時，下降摻雜補償劑18，使摻雜補償劑18熔化3. 66cm后提升P型摻雜補償劑18使其脫離硅熔體。當結晶晶體高度達到79%時，再次下降摻雜補償劑18使其熔化I. 83cm后，將其提升并使其與硅熔體脫離，繼續(xù)長晶至結束。這樣，經過兩次的摻雜，可以保證越靠近錠尾(若結晶為硅錠后)，摻雜補償劑硼的熔化量越多用以補償越靠近錠尾偏析越多的磷。硅錠開方后，通過四探針法測量晶體電阻率的分布，發(fā)現晶體高度占最終形成硅錠高度86%的硅錠的電阻率都在I. 5
2.5 Ω · cm,晶體高度占最終形成硅錠高度92%的硅錠的電阻率都在I. O 3 Ω .cm。本領域的技術人員應當可以理解，在實施例2中，以兩次摻雜的方式獲得硅錠，很顯然地，為了更精確的目的，可以采用三次或三次以上摻雜的方式，同時選擇在不同的晶體高度上進行。一次以上摻雜時，在每次摻雜前判斷晶體高度是否達到設置的多個對應的晶體高度預定值，達到設定的預定值后再進行摻雜。其中，晶體高度預定值與具體的目標電阻率以及原料等因素相關，可依據使用需求及上述因素設定。通過上述的具體方法，可以獲得這樣的一種硅錠，即其為N型晶體硅硅錠，所述晶體娃為多晶娃或單晶娃，至少在晶體聞度占最終形成娃淀聞度90%的娃淀部分的電阻率都在I. O 3. O Ω · cm的范圍內。實施例3請參看圖7與圖8，圖中的晶體高度采用百分數表示是指所形成的晶體高度占最終形成硅錠高度的比例。摻 雜補償劑18夾在夾頭16上，其中，該摻雜補償劑18為磷摻雜濃度為2 X IO19CnT1的截面為2cmX2cm柱狀硅料。將摻雜補償劑18與硅液面接觸的高度設為0cm，將摻雜補償劑18提升到-15cm(將向上設為負值)。將450kg的多晶硅放入石英坩堝中，同時摻入適量的含鎵母合金(使摻鎵多晶娃的目標電阻率為3. 0Ω · cm)。在IS氣氣氛保護下，在1560°C熔化多晶硅料和母合金。按正常工藝進入長晶階段，當晶體高度達到最終形成硅錠高度的65%時，降低摻雜補償單元，使摻雜補償劑18與液面接觸，然后以特定的速度向下運動(見圖7)，熔化摻磷的摻雜補償劑18。當結晶高度達到最終形成硅錠高度的87%后，提升摻雜補償單元，使摻雜補償劑18與硅液脫離，繼續(xù)長晶至結束。硅錠開方后，通過四探針法測量晶體電阻率的分布，發(fā)現晶體高度占最終形成硅錠高度92%的硅錠的電阻率都在I 3 Ω * cm(見圖8)。在晶體硅形成過程中控制電阻率的方法生產出的晶體硅硅錠再經切割形成的硅片可以用來制備聞效的太陽能電池。由于可將制備的占最終形成娃淀聞度90%的晶體娃娃錠的電阻率控制在I. O 3. O Ω · cm的范圍內，有利于增加硅料的利用率，從而降低了生產成本。另外，由該方法生長的晶體硅的硅錠中，摻雜補償劑(例如硼)的含量很少且主要位于晶體硅的硅錠的頭部，且由于晶體硅的硅錠頭部的氧含量很低，因此微量的摻雜補償劑(例如硼)所引起的光衰減效應很弱。應用于在晶體硅形成過程中控制電阻率的方法的裝置可以在晶體硅形成過程中控制生成的晶體硅硅錠的電阻率，該裝置操作簡單，可以實現自動化控制，有利于光伏產業(yè)大規(guī)模應用。以上所述實施例僅表達了本實用新型的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本實用新型專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本實用新型的保護范圍。因此，本實用新型專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
權利要求1.一種在晶體硅形成過程中控制電阻率的裝置，包括 爐體，其包括上爐體與下爐體， 摻雜補償單元，設置于所述上爐體上，所述摻雜補償單元包括承載摻雜補償劑的承載件和驅動所述承載件前進或者后退的驅動件，所述承載件連接于所述驅動件上，所述驅動件設置于所述上爐體。
2.根據權利要求I所述的在晶體硅形成過程中控制電阻率的裝置，其特征在于，所述承載件具有與驅動件相連接的連桿及夾持摻雜補償劑的夾頭，其中，所述夾頭連接于所述連桿的端部。
3.根據權利要求I所述的在晶體硅形成過程中控制電阻率的裝置，其特征在于，所述裝置還包括一個氣體導流筒，所述摻雜補償單元設置在所述氣體導流筒內。
4.根據權利要求I所述的在晶體硅形成過程中控制電阻率的裝置，其特征在于，所述裝置還包括固定于爐體上的隔熱組件，所述隔熱組件包括位于坩堝上方的頂隔熱板、位于坩堝下方的下隔熱板及位于坩堝四周的側隔熱籠。
專利摘要一種在晶體硅形成過程中控制電阻率的裝置，其包括爐體及摻雜補償單元，該爐體包括上爐體與下爐體，該摻雜補償單元設置于上爐體上，并包括承載摻雜補償劑的承載件和驅動所述承載件前進或者后退的驅動件。其中，承載件連接于驅動件上，驅動件設置于上爐體上。該在晶體硅形成過程中控制電阻率的裝置可將制備的90％的晶體硅硅錠的電阻率控制在1.0～3.0Ω·cm的范圍內，有利于提高硅料的利用率，從而降低生產成本。
文檔編號C30B11/00GK202658271SQ201220042458
公開日2013年1月9日 申請日期2012年2月9日 優(yōu)先權日2011年9月2日
發(fā)明者武鵬, 胡亞蘭, 鄭玉芹, 徐巖 申請人:江蘇協(xié)鑫硅材料科技發(fā)展有限公司