[发明专利]一种硅管及硅管太阳电池级多晶硅棒制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及硅管制备方法，又涉及在化学西门子法及物理冶金法方法中利用硅管制备太阳电池级本征多晶硅棒及掺硼的P型多晶硅棒的方法。利用该多晶硅棒为原料，通过直拉法、特别是区熔法制备廉价的、高质量的太阳电池级P型掺硼单晶硅。

背景技术

作为可循环及清洁能源的太阳能光伏技术及产业在世界虽然得到了飞速发展，但目前还不能作为主要电能应用于国民经济中，原因是太阳电池的制造成本较高且光电转换效率尚不理想。

众所周知，太阳电池是在多晶硅或者单晶硅上制作的，在整个工序中太阳电池制作的技术工艺不仅成熟而且成本较低，其中影响太阳电池成本及性能的主要因素是用于制造电池的原料多晶硅、单晶硅的生产成本太高，质量不能满足高光电转换效率电池的需要，因此各国从业人员都在研制新的多晶硅、单晶硅制备技术、工艺及设备，力求降低多晶硅、单晶硅制备的成本及提高质量，从而降低太阳电池成本并提高太阳电池的光电转换效率。

发明内容

    鉴于现有技术状况，本发明同时公开一种制备超纯硅管的方法；一种化学西门子法中用含硼的P型硅管制备超纯P型多晶硅棒的方法；一种物理冶金法中用本征导电性硅管定向凝固制备致密的、高纯度的太阳能电池级多晶硅棒的方法。

（一）一种制备超纯硅管的方法

切克劳斯基法又称CZ法是当今最重要的单晶硅锭的制备方法之一，所制备的硅锭晶体称直拉硅也称CZ硅。

CZ法所依据的是液相中生长晶体的理论。硅熔体通过相变的热力学和动力学过程生成及生长晶体是由切克劳斯基法硅单晶炉又称CZ炉完成。CZ炉的热场、机械、电气控制、真空、水冷等系统及装置确保了生成及生长晶体。

当石英坩埚中的熔硅处于CZ炉设计合理的热场位置时，在坩埚中的熔硅中心区域会形成最佳过冷温区。相变驱动力可用温度的过冷度衡量，CZ法制备硅晶体属于非均匀成核热力学过程，在熔硅中心区域晶核（通常称为籽晶）与熔硅结合点会形成具有最大过冷度及最大相变驱动力的相变源，在相变源熔体与晶体接触所谓成核过程中，改变了固液体系的自由能，此时晶硅自由能小于熔硅自由能，相变自发的向形成固相晶硅方向进行。为了避免出现新的晶体成核中心，过冷区必须集中于晶核熔区附近的狭小区域，而熔硅的其余部分处于过热状态，使其不能自发产生另外的结晶核。实现该条件是由CZ炉中热场制造的坩埚中熔硅温度具有合理的纵向、径向温度梯度。

固相晶体的扩展生长则应具备动力学条件，单晶炉提拉装置将生长着的晶体提升长大，相变过程释放的潜热因此由晶体带走。随着晶体生长不断带走潜热，加热器须不断加温以保证自由能平衡。只要单晶炉的自动控温及提拉系统能保障系统动态相变自由能差值可控，就能生长预定形状的晶体。根据晶体生长的热力学及动力学理论，CZ法晶体硅管的等径生长过程可视为在坩埚中部熔硅过冷区固液交接面存在一个根据用户需要的尺寸而设计制作的环型硅环籽晶，此时只要系统自由能差值为一常数，则晶体沿硅环籽晶延伸生长过程理所当然是稳定不变的。其结果则体现为从熔硅中生长出与硅环籽晶相等内外直径的晶体硅管。

目前制备CZ单晶硅锭的设备、制备技术和工艺已经非常成熟。由于硅管的生长机理与硅锭热力学、动力学过程完全相同，特别是硅锭和硅管均为圆柱形，晶体生长等径控制装置和技术也相同，因此采用CZ炉完全适用于拉制晶体硅管。

本发明的一种硅管的制备方法，其特征在于：使用本征导电性硅环作为籽晶，采用直拉硅单晶炉及切克劳斯基法拉制长度大于1米的等径的具有含硼的P 型或者本征导电性的硅管。

（二）一种化学西门子法中用含硼的P型硅管制备超纯P型多晶硅棒的方法

化学西门子法或改良的化学西门子法（以下简称化学法）是当今制备多晶硅的主要方法，产量占整个多晶硅市场的80%以上。该化学法工艺成熟，可以生产纯度99.99999%以上的高质量多晶硅。该化学法是在高纯气态三氯氢硅及高纯氢气进入还原炉内后进行硅的还原反应，还原的硅沉积在1050-1100℃的高温细棒状的所谓硅芯热载体上而生成多晶硅。

本发明的一种硅管多晶硅棒的制备方法，其特征在于：用含硼的P型硅管作为化学西门子法还原炉中的热载体，当载体加热温度在1050-1100℃时，还原炉内高纯氢及三氯氢硅反应生成的硅沉积在热载体上，制备纯度99.99999%以上的硅管多晶硅棒。