專利名稱：一種生長薄板硅晶體的方法
技術領域：
本發明屬于太陽能級硅制造方法領域，具體涉及一種生產大面積薄板硅晶體的方法。
背景技術：
硅片，包括單晶硅片和多晶硅片，是制造晶體硅太陽能電池的基礎材料。在目前的太陽能行業中，90%以上的晶體硅太陽能電池所用的硅片是通過對單/多晶硅錠切片后得到的。切片過程(通常采用多線切割技術)由于切割損失(Kerf Loss)常常會對硅材料造成很大的浪費，原料損失會在40%以上。因此，從硅原料通過某種結晶的方式，直接生產出硅片，或者生產出薄板狀硅晶體并通過簡單的截斷形成硅片，成為行業發展的方向。目前以帶狀硅形式的薄板硅晶體的生產技術有通過模具限定硅帶尺寸和形狀的Ere法(詳見專利號為ZL90104389. 3、ZL90109365. 3、ZL91101558. 2等的中國專利的記載)，以及通過耐高溫提拉線(string)限定硅帶尺寸和形狀的Evergreen Solar, Inc公司采用的方法(詳見專利號為US7718003、US7842270等美國專利的記載)。為了限定硅片的厚度，上述方法均使用了容易破壞晶體結構的材料(例如線或模具)，這樣生產出的帶狀硅晶體的結晶顆粒較細，同時還受到了線或模具的污染，在實踐中也無法生長出薄板狀的硅單晶結構。上述技術還存在另一個缺陷。帶狀硅在生長時由于沒有可靠的支撐，生長界面附近的液態硅往往靠表面張力懸空，因此容易在生長速度或周邊流場/溫度場波動時形成表面不平坦的帶硅，使得帶硅在后續的電池片生產和加工中帶來困難。另外，上述技術的帶狀硅結晶方向與帶狀硅的提拉方向一致，同時帶狀硅的結晶冷卻范圍卻局限在很小的區域，根據帶狀硅的提拉速度(即生產速度)接近于結晶冷卻的速度的原理，上述技術的帶狀硅晶體無法實現高速生產。
發明內容
本發明提供了一種生長薄板硅晶體的方法，無需采用固體模具或提拉線來形成硅熔液薄層，因此生長過程中不存在破壞晶體結構的物質，生成的薄板硅晶體中結晶顆粒大， 生成的薄板硅面積大，產量高；并且，在有單晶硅片引導的前提下，可生產薄板單晶硅。一種生長薄板硅晶體的方法，包括將由硅原料熔化所形成的硅熔液流入到液態襯底的上面，所述的硅熔液浮于所述的液態襯底之上，并在所述的液態襯底表面平鋪，形成硅熔液薄層；再通過溫度場控制，使得在所述的硅熔液薄層和液態襯底的水平方向形成溫度梯度(即水平方向上的溫度場控制)，最終所述的硅熔液薄層結晶生成薄板硅晶體，得到的所述薄板硅晶體水平放置。所述的襯底，采用熔點低于硅、密度大于硅、且在1000 2000°C下與硅不反應且不互溶的物質。這樣，可以保證硅晶體生長時所述的襯底為液態，而且所述的液態襯底始終處于硅熔液/硅晶體的下面，并且不會在硅晶體中引入雜質，不影響硅材料作為太陽能光伏材料使用時的品質。采用所述的液態襯底作為支撐硅熔液/硅晶體的載體，目的在于避免晶體生長時，硅晶體/硅熔液與固體的結構件/容器相接觸，從而使固體表面缺陷(例如表面凸點和表面凹陷等誘發形成新的晶核的缺陷)導致的自發成核破壞晶體的結構；或者硅熔液破壞性地凝固在固態結構件/容器上，使硅與其無法分離。所述的溫度場控制(即水平方向上的溫度場控制)，是通過改變加熱和保溫方式使熱場的溫度在水平方向上從高到低分布，依次形成1550 1450度的高溫區、1450 1380度的高梯度區、1380度以下的低溫區。凝固結晶過程在所述的高梯度區完成。優選的技術方案中，所述的襯底所采用的物質可選用純度較高的鍺(Ge)、錫 (Sn)、鉛(Pb)等1￥簇元素中的一種或多種，也可以采用如0^2、01(12、8必2、8￡1(12等與硅不反應的氯化物或氟化物，還可以采用鋇(Ba)。即所述的襯底采用的物質可以為鍺、錫、 鉛、鋇、CaF2、CaCl2、BaF2、BaCl2中的一種或多種。由于化合物中的F元素或Cl元素對常用的耐高溫材料(例如石墨)具有一定的腐蝕性，因此，所述的襯底所采用的物質最優選為鍺 (Ge)、錫(Sn)、鉛(1 )、鋇(Ba)中的一種或多種。優選的技術方案中，所述的溫度場控制還包括使得在所述的硅熔液薄層和液態襯底的垂直方向也形成溫度梯度，最終所述的硅熔液薄層結晶生成仍沿水平方向放置的薄板硅晶體。即，所述的溫度場控制包括水平方向上的溫度場控制和垂直方向上的溫度場控制， 使得在所述的硅熔液薄層和液態襯底的水平方向和垂直方向均形成溫度梯度。所述的垂直方向上的溫度場控制也是通過改變加熱和保溫方式使熱場的溫度在垂直方向上形成最利于硅晶體凝固和退火的溫度場。優選的技術方案中，所述的液態襯底被隔熱物質沿水平方向分隔為兩個或兩個以上襯底物質池。即，采用石英或其他材質等用于隔熱的材料做成的隔離墻將所述的液態襯底隔離開來，從而形成兩個或兩個以上襯底物質池。這樣一來，雖然同一個襯底物質池中的襯底物質會由于對流、導熱和熱輻射的作用使溫度趨于一致，但在水平方向上，由于不同的襯底物質池之間放置有隔離墻，不同的襯底物質池的溫度可以用不同材質或厚度的隔離墻來調節，形成適當的溫度差。從而在水平方向上形成適當的溫度梯度。優選的技術方案中，可采用單/多晶硅片作為籽晶與硅熔液接觸引導，并在水平方向拉動籽晶進行連續生產，所述的籽晶的拉動速度與硅的結晶速度相匹配。本發明的生長薄板硅晶體的方法中，所述的硅熔液薄層的厚度在一定程度上決定了薄板硅晶體生長后的厚度。硅熔液薄層的厚度受硅原料的加入速度和薄板硅晶體的結晶速度的影響。本發明的生長薄板硅晶體的方法中，因硅的密度小于液態襯底的密度，并且由于重力和表面張力的原因，硅熔液首先浮在液態襯底上，并在液態襯底表面平鋪形成硅熔液薄層，通過溫度控制，硅熔液薄層凝固成薄板狀硅晶體。由于液態襯底對硅熔液/硅晶體的支撐作用，容易形成表面平整的薄板硅晶體。在硅晶體的成核過程中，不存在通常固體的接觸面所固有的缺陷，例如表面凸點和表面凹陷等誘發形成新的晶核的缺陷，從而避免硅晶體生長時可能導致的來自固體壁面的自發成核現象，所以可以生產大結晶顆粒的薄板硅， 并且生成的薄板硅面積大，產量高。而如果在生長之前，有薄片狀的單晶硅片作為籽晶來引導硅熔液，即可生產出單晶結構的薄板硅(簡稱薄板單晶硅)。采用本發明的方法形成的薄板硅晶體經冷卻后可直接切割成硅片。本發明的生長薄板硅晶體的方法，不必采用固體模具或提拉線即可形成硅熔液薄層，進而凝固成薄板硅晶體。因此，本發明的薄板硅的生長過程中，不存在破壞晶體結構的物質，使得生成的薄板硅晶體中結晶顆粒大，在有單晶硅片引導的前提下，更可生產薄板單晶娃。在常見的薄板硅晶體或帶狀硅晶體的生長過程中，例如Ere法或Evergreen Solar，Inc 公司采用的方法中(詳見專利號為 ZL90104389. 3、ZL90109365. 3、ZL91101558. 2 等的中國專利的記載，以及US7718003、US7842270等美國專利的記載)，硅晶體的結晶方向與硅晶體的提拉方向是一致的，因此帶狀硅的結晶冷卻范圍局限在很小的區域，根據帶狀硅的提拉速度(即生產速度)接近于結晶冷卻的速度的原理，上述技術的帶狀硅晶體無法實現高速生產。在本發明的生長薄板硅晶體的方法中，薄板硅晶體的結晶方向與薄板硅晶體的的提拉方向可以不一致，通常薄板硅晶體的結晶方向與薄板硅的提拉方向夾角可在 0 90度角之間做調整。因此，薄板硅的結晶冷卻范圍可以設置在較大的區域，結晶冷卻的速度可以方便地通過加大結晶冷卻的區域來調節(通過在垂直方向上施加適當的溫度梯度)，實現高速生產。
圖1是本發明的一種實施方式的示意圖。圖2是本發明的另一種實施方式的示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖來詳細說明本發明，但本發明并不僅限于此。實施例1 如圖1所示，薄板硅晶體生長系統分為加料熔料區15和溫度梯度區16。加料熔料區15由頂部化料加熱器6、底部化料加熱器3、加料通道2和硅熔液容器1組成。通過特定的加料機構，硅原料被輸送到加料通道2中，通過頂部化料加熱器6和底部化料加熱器3的加熱，硅原料被升溫直至熔化成硅熔液，熔化后的硅熔液放置在硅熔液容器1中。在溫度梯度區16放置有具有加熱或保溫功能的液態襯底容器4、高溫加熱器7和低溫加熱器11，在高溫加熱器7和低溫加熱器11之間是耐溫材料制成的熱量調節塊9。在液態襯底容器4內放置有襯底物質5。所用的襯底物質5為純度為99. 999%的錫。在加熱器的作用下，襯底物質5能夠始終保持為液態。當硅原料從加料通道2輸入時，硅熔液容器1內的硅熔液將溢出流入到液態襯底物質5的表面，通過重力和表面張力的作用，在液態襯底物質5的表面形成厚度為0. 1 0. 5mm的硅液薄層8。適當控制高溫加熱器7和低溫加熱器11的輸入功率，可以使高溫加熱器7下方的溫度維持在1550 1450度，低溫加熱器11下方的溫度維持在1380 1100度； 通過合理設計熱量調節塊9的傳熱性能，可使熱量調節塊9下方溫度從左到右實現1450 1380度的高梯度區域。因此，當硅液薄層8流經熱量調節塊9下方時，將從液態變為固態， 成為薄板硅晶體10。為了更好地控制薄板硅晶體10的厚度，最好用適當的速度拉動已生成的薄板硅晶體10。另外通過控制從加料通道2加入的硅原料的速度，即可實現連續生產。由于液態襯底物質5的表面極少有容易形成晶核的成核核心，所以結晶形成的薄板硅晶體10的結晶顆粒很大，利于生產高效的太陽能電池。如果在硅熔液凝固之前，用薄片狀的單晶硅片12作為籽晶來引導硅熔液，并在水平方向A拉動籽晶進行連續生產，即可生長出具有單晶結構的薄板硅晶體10
實施例2 如圖2所示，采用與實施例1相同的方式，不同之處在于液態襯底容器4由通過隔離墻13隔開的兩個襯底液池構成。所述的隔離墻13由石英材料制成，中央夾有保溫材料 14。這樣，雖然同一個襯底液池中的襯底物質會由于對流、導熱和熱輻射使溫度趨于一致， 但通過隔離墻13和保溫材料14，在晶體的結晶區域，依然能夠保證較高的溫度梯度，有利于硅熔液順利地凝固成薄板硅晶體10。實施例3 采用與實施例1相同的方式，不同之處在于所用的襯底物質5為6N高純鍺(Ge，純度為99. 9999% )和5N高純鉛(Pb，純度為99. 999% )以質量比為1 1的混合物。實施例4采用與實施例1相同的方式，不同之處在于在加料熔料區15中，硅原料以液態的方式通過加料通道2，加入到硅熔液容器1中。即固態的硅原料在另外的系統中熔化，熔化后的硅熔液通過某種方式輸入到本發明所述的系統中。
權利要求
1.一種生長薄板硅晶體的方法，其特征在于，包括將由硅原料熔化所形成的硅熔液流入到液態襯底的上面，所述的硅熔液浮于所述的液態襯底之上，形成硅熔液薄層；再通過溫度場控制，使得在所述的硅熔液薄層和液態襯底的水平方向形成溫度梯度，最終所述的硅熔液薄層結晶生成薄板硅晶體。
2.如權利要求1所述的生長薄板硅晶體的方法，其特征在于，所述的襯底采用熔點低于硅、密度大于硅、且在1000 2000°C下與硅不反應且不互溶的物質。
3.如權利要求2所述的生長薄板硅晶體的方法，其特征在于，所述的襯底采用的物質為鍺、錫、鉛、鋇、CaF2、CaCl2, BaF2, BaCl2中的一種或多種。
4.如權利要求1所述的生長薄板硅晶體的方法，其特征在于，所述的溫度場控制，是通過改變加熱和保溫方式使熱場的溫度在水平方向上從高到低分布，依次形成1550 1450 度的高溫區、1450 1380度的高梯度區、1380度以下的低溫區。
5.如權利要求1所述的生長薄板硅晶體的方法，其特征在于，所述的溫度場控制，還包括使得在所述的硅熔液薄層和液態襯底的垂直方向也形成溫度梯度，最終所述的硅熔液薄層結晶生成薄板硅晶體。
6.如權利要求1所述的生長薄板硅晶體的方法，其特征在于，所述的液態襯底被隔熱物質沿水平方向分隔為兩個或兩個以上襯底物質池。
7.如權利要求1 6任一所述的生長薄板硅晶體的方法，其特征在于，采用單/多晶硅片作為籽晶與硅熔液接觸引導，并在水平方向拉動籽晶進行連續生產，所述的籽晶的拉動速度與硅的結晶速度相匹配。
全文摘要
本發明公開了一種生長薄板硅晶體的方法，包括將由硅原料熔化所形成的硅熔液流入到液態襯底的上面，所述的硅熔液浮于所述的液態襯底之上，形成硅熔液薄層；再通過溫度場控制，使得在所述的硅熔液薄層和液態襯底的水平方向形成溫度梯度，最終所述的硅熔液薄層結晶生成薄板硅晶體。由于液態襯底物質對硅熔液/硅晶體的支撐作用，容易形成表面平整的薄板硅。本發明的生長薄板硅晶體的方法中，不采用固體模具或提拉線即可形成硅熔液薄層，生長過程中不存在破壞晶體結構的物質，從而生成的薄板硅結晶顆粒大，生成的薄板硅面積大，產量高；在有單晶硅片引導的前提下，可生產薄板單晶硅。
文檔編號C30B15/20GK102260903SQ20111019316
公開日2011年11月30日 申請日期2011年7月11日 優先權日2011年7月11日
發明者李喬, 馬遠 申請人:浙江碧晶科技有限公司