[发明专利]一种利用硅合金可控化生长高纯块状晶体硅的方法

说明书

一种晶体硅可控化生长及提纯的方法,属于冶金提纯及晶体生长交叉技术领域。该方法构建具有三明治结构“冶金硅‑溶剂金属‑籽晶”的样品原料，放置于具有温度梯度的热场中进行加热、保温，待保温结束后快速淬火冷却至室温，最终分离得到生长速度可控、品质(纯度、杂质分布)可控、晶体取向可控的块状晶体硅，并将冶金硅源、硅合金及籽晶回收重复利用。本发明主要通过添加冶金硅源以促进晶体硅稳定生长，提高生长速率；添加籽晶衬底以有效调控生长硅晶体取向；其次通过添加低熔点溶剂金属与冶金硅形成合金熔体，有效降低晶体硅生长温度，降低能耗，降低生长硅中杂质含量，提高提纯效果。本发明生长提纯晶体硅满足太阳能级硅的要求，节能降耗环保，生产效率高。

技术领域

本发明属于冶金提纯及晶体生长交叉技术领域，特别涉及一种晶体硅可控化生长及提纯的方法。

背景技术

21世纪初，随着光伏行业的飞速发展，对光伏器件制造所使用的太阳能级硅材料的供应出现严重不足。冶金法作为一种新型的晶体硅材料制备方法，致使硅太阳能电池的制备和性能改进都取得了巨大进步，但太阳能级硅材料的制作成本依然居高不下，约为每瓦特0.48-0.56美元。时至2014年，以单晶、多晶硅材料为主的硅材料太阳能电池占据光伏市场的94％，成为了目前应用最广泛的光伏器件。低成本、高效率的晶体硅材料成为光伏行业发展的总体趋势。

基于光伏行业对低成本获取晶体硅材料的需求形势，晶体硅低温生长技术逐渐受到人们的青睐，技术也日益成熟，发展了诸如温度梯度区域熔炼、液相外延、合金定向凝固等方法。这些方法的共同点在于：采用硅与铝、锡等低熔点金属共熔形成硅合金熔体，通过降温等手段实现晶体硅析出、长大，具有晶体硅析出温度低、杂质元素含量灵活可控等优点，是实现晶体硅低成本生长的有效手段。

虽然目前研究的利用硅合金的低温生长技术都能将冶金硅提纯至一定的效果，例如，已知申请号为201110040956.0的发明专利，利用硅锡合金定向凝固达到制备太阳能级多晶硅的目的，其P含量为0.09ppmw，B含量为0.5ppmw，多晶硅的纯度达99.999％；同时，申请号为201210115457.8的发明专利，利用硅铁合金定向凝固也达到提纯多晶硅目的，其纯度达99.999％。但以上专利中晶体硅析出生长过程仍存在局限性：(1)晶体硅生长析出速率低，即析出晶体硅的生长速率皆随合金熔体中硅原子消耗而不断降低；(2)晶体硅结晶质量差，晶体结构(晶向、晶粒尺寸等)不可控，即生长晶体硅因存在晶体缺陷(位错、晶界等)，降低太阳能电池能源转化效率。因此，一种提高晶体硅析出速率，晶体结构可控化生长的籽晶-区熔定向凝固方法亟待开发。

发明内容

本发明提供一种利用硅合金可控化生长高纯块状晶体硅的方法，该方法利用硅合金降低晶体硅生长温度，并依据其分凝作用增强冶金硅中杂质去除效果；再通过添加冶金硅源维持合金熔体中硅饱和度以促进晶体硅稳定生长，并利用籽晶作为衬底调控晶体硅生长取向，减少晶体缺陷。最终获得晶体生长速度可控、品质(纯度、杂质分布)可控、晶体取向可控的近终型块状晶体硅产品。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种利用硅合金可控化生长高纯块状晶体硅的方法，其特征是：首先构建具有三明治结构“冶金硅-溶剂金属-籽晶”的样品原料；然后进行高纯块状晶体硅的可控化生长，在这一过程中冶金硅处于顶部高温区，作为硅源为晶体硅的生长提供源源不断的硅原子。中间区域低熔点熔剂金属熔化后与冶金硅形成硅合金熔体，成为硅原子的传输介质，将溶解的硅原子传输至低温区。籽晶处于底部低温区，作为衬底析出生长高纯晶体硅。最后将冶金硅源、硅合金及籽晶回收重复利用。

所述方法具体步骤如下：

S1、选择一种或几种溶剂金属，选择一种籽晶衬底，同时选择冶金硅作为熔炼原料，三者皆为圆柱棒料；

S2、将冶金硅、溶剂金属、籽晶以三明治结构置于刚玉管内，后放入石墨套筒内的钼托上，并以耐材套筒隔热保护，其中冶金硅处于样品顶部位置，籽晶处于底部位置；