一种太阳能级硅晶体的热处理方法技术

本发明专利技术公开了一种太阳能级硅晶体的热处理方法，将硅晶体置入真空加热炉内，在硅晶体的热处理过程中，将保护气体通入真空加热炉内并流经硅晶体表面，所述的保护气体为：ａ）含氢原子的气体；或ｂ）含氢原子的气体与惰性气体的混合物。采用本发明专利技术方法对硅晶体进行热处理后，由于Ｈ对硅晶体内杂质及缺陷的钝化和吸杂等作用，硅晶体的少子寿命明显提高，同时，调节了硅晶体的径向电阻率的分布均匀性，使硅晶体的电阻率在晶体半径方向上更加均匀。本发明专利技术方法操作简单，易于工业化生产，并能明显提高产品的质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种硅晶体的热处理方法，尤其涉及用于高转换效率太阳能电池的硅 晶体的热处理方法。
技术介绍
制备晶体硅太阳能电池所用的原料硅晶体分为硅单晶或硅多晶。在硅晶体制备过 程中，因所用原料或加工过程的不同，在硅材料内部存在金属杂质、氧碳杂质、晶界、位错， 空隙(点缺陷)等缺陷，这些杂质和缺陷往往形成众多未饱和的悬挂键，形成电活性中心， 并成为少数载流子(少子)的陷阱和复合中心。这些陷阱和复合中心降低了少子扩散长度， 影响光伏器件的性能。具体表现在用上述硅单晶和硅多晶制造的硅片少子寿命偏低，并最 终影响所制造的晶体硅太阳电池的光电转换效率和寿命。另外，由于硅晶体制备工艺的原因(在制备过程中使用了主要成分为SiO2的热场 部件)，在晶体内部往往会含有较高的氧含量。受硅晶体在制造过程中所经历的热历史的 不同，氧析出物有各种类型。当硅晶体在低温(400°C<T<55(TC)停留时间较长，氧化 析出物为SiO4,并具有较强的热施主(thermal donor)性能，这将改变硅晶体的导电性能。 当硅晶体温度在550 700°C之间热处理时，氧化析出物的热施主特性将消失，从而消除了 氧析出物对硅晶体原有导电性能的改变。当硅晶体在700 900°C的温度区域长时间停留 时，将出现鳞片状的氧析出物，这类析出物也具有热施主的性能，该类氧析出物将在900 1100°C之间变为八面体结构的氧析出物，并使其热施主的性能得以减弱。基于上述原因，进 行适当温度的热处理可以改变硅晶体的导电性能，从而改变用于太阳能光伏产业的硅晶体 的电阻率及电阻率分布，提高太阳能电池的效率。行业内常用的热处理方法是将硅晶体放置在常压加热炉内，并且炉内采用氮气等 惰性气体保护，通过加热将硅晶体置于适当的温度范围内，从而改善与氧析出物相关的硅 晶体的导电性能。
技术实现思路
本专利技术提供了一种硅晶体的热处理方法，热处理后得到的硅晶体在改善硅晶体的 电阻率及电阻率分布的基础上，还可以制备更高转换效率的太阳能电池。，将硅晶体置入真空加热炉内，在硅晶体的热 处理过程中，将保护气体通入真空加热炉内并流经硅晶体表面，所述的保护气体为a)含氢原子的气体；或b)含氢原子的气体与惰性气体的混合物。从安全性考虑，所述的热处理装置为真空加热炉，所述的加热过程在0. 1 5000Pa的低压下进行。含氢原子的气体及惰性气体，必须与硅以及制造真空加热炉的材料在高温下 (400-1000°C)不反应或只是很少量反应，同时用于减小硅晶体的电阻率变化范围和/或提3高硅晶体少子寿命的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。含氢原子的气体可选用H2或SiH4中的至少一种，多种混用时可以是任意比例，既 可预先混合，也可以是分别通入后在反应器中混合。从经济角度考虑，优先选用氢气(H2)。惰性气体可选用氩气或氮气中的至少一种。多种混用时可以是任意比例，既可预 先混合，也可以是分别通入后在反应器中混合。含氢原子的气体与惰性气体同时通入时，既可预先混合，也可以是分别通入后在 反应器中混合。本专利技术所述的硅晶体可以是单晶硅晶棒、多晶硅晶棒、单晶硅铸锭或多晶硅铸锭。本专利技术的热处理过程分为升温、保温、降温阶段，所述的保温阶段温度为热处理温 度。本专利技术所述的硅晶体在保护气体通入时的热处理温度为400 1000°C，优选500 700°C，最优选 600°C。在硅晶体的热处理过程中，含氢原子的气体中的氢原子与硅晶体表面接触时，由 于硅晶体的温度较高，氢以离子或分子态的形式扩散到硅晶体内部。由于硅晶体的温度越 高时，H原子的扩散速度越快。例如在常温下，硅在H的气氛中半小时H的扩散深度只有 4. Ιμπι，而在1000°C时，硅在同样条件下可扩散约4700μπι。为了保证扩散的速度，硅晶体 在含氢气体中的温度应在400°C以上。这一过程，对于为了抑制热施主而进行的硅晶体热处 理工艺并没有带来过多的额外费用。因为本专利技术方法中，为了抑制热施主而进行的硅晶体 热处理优选在600°C左右进行，在这一过程中通入含氢气体，在达到实现抑制热施主并调节 电阻率的目的同时，也实现了氢原子向硅晶体的扩散。由于硅晶体内氧掺杂导致的热施主(thermal donor)对硅晶体电阻率有很大的影 响，因此，在本专利技术方法中，在一定温度下进行硅晶体热处理，以抑制热施主的形成。由于热 施主在低温时一般在450°C左右出现(此时的热施主称为old thermal donor)，在温度更 高(600°C左右)时受到抑制，在800°C左右再次大量出现(此时的热施主称为new thermal donor)，因此，从抑制热施主的形成的角度考虑，硅晶体的低温热处理温度优选为600°C，可 以最大程度上抑制old thermal donor并避免new thermal donor的出现。同时，基于以 上考虑，本专利技术的热处理工艺要求硅晶体的温度在为450°C和800°C左右时的时间要尽可 能短。当氢原子进入到硅晶体内后，氢原子在硅中完成扩散和钝化过程。当氢以分子态 进入硅中时，氢分子分解为氢原子或者直接和空位结合形成{H-V}对。处于间隙位的H+和 {H-V}对在硅内扩散。低温时以{H-V}对扩散为主，高温时以H+扩散为主。最后在低温 (< 500°C )时，H在硅中通常以以下方式存在1、在硅的缺陷位置上被悬挂键束缚，形成多重性的Si-H键。2、在有电活性的杂质(例如Fe、Cr等金属杂质)周围，与未饱和的悬挂键结合，形 成H键。3、以稳定的吐的形式，占据硅四面体的中心，这时H的电学和光学性质都比较稳定。4、以氢原子的形式占据硅的间隙位置。通过以上分析可以得知，H可能以下述三种方式提高作为太阳能光伏利用原料的 硅晶体的性能1、钝化因点缺陷(空陷及间陷杂质)、位错和晶界等导致的少数载流子(少子)的 陷阱和复合中心。2、与氧、碳、氮、金属杂质导致的未饱和悬挂键相结合，钝化因杂质引起的陷阱和 复合中心，提高硅晶体的少子寿命，并避免/减少光致衰减(LID)的对材料性能的影响。3、氢原子在硅中积聚在一起形成Fe、Cr等有害金属杂质的吸杂(gettering)空 间，使Fe、Cr等有害金属杂质团聚，提高硅材料作为光伏应用材料的性能。从成本和实际效果考虑，在硅晶体热处理过程中，流经硅晶体表面积的保护气体 的流量在2. 5 100slpm/m2(slpm指standard liter per minute，即标准公升每分钟)之 间比较合适。当炉内压力因热处理工艺需要维持在一定的压力值时，通入惰性气体可以起到调 节压力的作用。同时，惰性气体的加入可以降低氢气的浓度，提高系统的安全性。采用真空加热炉，使加热在低压下进行的目的在于，需要较低的炉压来保证含氢 原子气体通入时生产的安全性。经研究表明，当炉压小于5000Pa时，真空加热炉内空间中 实际含氢气体的绝对质量很少，保证了经济性和安全性。因此，通入炉内的含氢保护气体的 压力应给定在0. IPa 5000Pa之间。从效果上看，炉内压力高于5000Pa并不影响上述的热处理结果，甚至对提高硅晶 体少子寿命的效果更好。但从安全角度考虑，需保证系统绝对无泄漏，提高了设备制造成本 和配备安全保障系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能级硅晶体的热处理方法，将硅晶体置入真空加热炉内，在硅晶体的热处理过程中，将保护气体通入真空加热炉内并流经硅晶体表面，所述的保护气体为：　　ａ）含氢原子的气体；　　或ｂ）含氢原子的气体与惰性气体的混合物。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李乔，马远，
申请(专利权)人：浙江碧晶科技有限公司，
类型：发明
国别省市：33[中国|浙江]