[发明专利]直拉硅单晶的镓元素掺杂方法及所用掺杂装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种直拉硅单晶的掺杂方法，尤其涉及一种适用直拉硅单晶的镓元素的 掺杂方法。

背景技术

目前，生产太阳能电池用的P型单晶硅材料主要分为硼掺杂和镓掺杂两种。对于硼掺 杂Cz电池片，当它暴露于光照下，电池性能会衰减，即光致衰减现象。而掺镓电池片， 这种光致衰减要小得多。国内外报道的测试数据显示掺镓CZ电池片的衰减效率一般小于 1％，而掺硼Cz电池片的衰减效率一般大于3％。

但是由于镓的分凝系数太小，以及蒸发系数较高，又导致这种掺镓晶锭的拉制存在各 种问题，尤其是掺镓单晶的掺杂。

目前单晶的掺杂方法主要有：直接掺杂法、母合金掺杂法、装置掺杂法。

直接掺杂法：根据目标电阻率的要求，称量一定重量的掺杂剂，把掺杂剂和多晶硅料 同时放入石英坩埚中，掺杂剂和多晶硅料同时经历高温熔化的阶段，并通过熔液的搅动， 把掺杂剂均匀分布于熔体中。直接掺杂法主要应用于蒸发量和熔点都较高的掺杂剂，如硼、 磷、砷等。镓的熔点是29.78℃，在温度达到30度就会成为液态；由于镓的熔点过低， 镓处于液态时掺杂量和掺杂过程不容易控制。镓元素的蒸发常数(蒸发系数)为：10^-3cm/s； 晶硅开始熔化至化料结束，有约3-5小时的时间，在这段时间内，镓的蒸发量将达到原始 掺杂量的30-50％，蒸发量的存在使掺杂的目标电阻率偏离较大。

母合金掺杂法：把掺杂剂和多晶硅料制成母合金，根据母合金中掺杂剂的含量和目标 电阻率的要求，计算母合金的用量；把母合金和多晶硅料同时放入石英坩埚中熔化。该方 法适用于掺杂剂用量较少、目标电阻率较高时的单晶硅生长。而掺镓单晶的目标电阻率小 于3欧姆.厘米，而且由于镓的蒸发系数较大，同直接掺杂法一样，在熔化过程中，挥发 量大，影响目标电阻率。显然这种方法也不适合用这种方法进行掺杂。

装置掺杂法：把掺杂剂装入一个掺杂工具或掺杂装置中，在硅料熔化的过程或熔料完 成后通过装置把掺杂剂掺入硅料中。该方法主要用于蒸发量较大的掺杂剂或掺杂量很大的 掺杂剂。

专利200810053398.X《掺镓元素太阳能单晶的生产方法》中使用了特殊的掺杂装置， 并且对设备要求较高；而且掺杂时，镓元素在下落过程中容易溅出硅熔体，当硅熔体溅至 石英坩埚壁时，冷却后会粘在坩埚壁上，冷却的硅料在长晶过程中会重新熔化，并跌落至 硅熔体中时，增加长晶不良的风险；由于液面的波动，导致单晶体无法按原子序顺序排布， 会产生断苞和位错。而且溅出的熔体还有可能损坏单晶炉。

专利ZL00122075.6《直拉法硅单晶生长的重掺杂方法》中使用一种伞形掺杂器，是一 次性使用，而且镓的蒸发系数高，如果拉晶中出现异常导致拉晶时间延长，如果镓挥发太 多需要补掺杂时，则需要额外的伞形掺杂器，这样会导致成本较高，因此经济效益不佳。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种成本较低、且能有效避免因硅熔体溅起对长晶造 成不良影响的镓元素的掺杂方法以及所用的镓元素掺杂装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种镓元素掺杂装置，包括由高纯石英制成的吊 环和环状固定套，还包括由高纯单晶硅造成的空心圆锥体；环状固定套与空心圆锥体相连， 吊环的一端与环状固定套相连，吊环的另一端与柄部相连，在柄部上设有与籽晶杆上的籽 晶夹头相配套的凹槽。

作为本发明的镓元素掺杂装置的改进：空心圆锥体从锥顶至距离锥顶30mm高度处的壁 厚为1～2mm，其余部分的壁厚为2～15mm；锥度为30～60度。

作为本发明的镓元素掺杂装置的进一步改进：在空心圆锥体的外表面设置环形凹槽， 环状固定套卡在上述环形凹槽内。

本发明还同时提供了利用上述镓元素掺杂装置进行的直拉硅单晶的镓元素的掺杂方 法，包括以下步骤：

1)、在低于28℃的室温(一般为0～28℃)下，按照常规方式称取镓，并将镓放入镓元 素掺杂装置的空心圆锥体的内腔中；

2)、将石英坩埚置于单晶炉的炉膛内，将多晶硅放入石英坩埚中，关上炉膛的炉盖， 升温至多晶硅融化成液态；

3)、打开单晶炉的副室的炉门，将步骤1)所得的镓元素掺杂装置放入副室内，使凹 槽与籽晶夹头相固定；