专利名称：一种硅料掺杂剂的加工工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及光伏组件加工技术领域，特别涉及一种硅料掺杂剂的加工工艺。
背景技术：
光伏电池是通过载流子进行导电的，纯正的半导体是依靠本征激发来产生载流子，但仅仅依靠本征激发所产生的载流子数量有限，而且容易受到温度等外部因素的影响。为了弥补这一不足，通常在高纯的硅料中添加掺杂剂，通过低电阻的掺杂剂来补偿高纯硅料的高电阻，最终达到光伏电池硅片所需的电阻率。所述掺杂剂是指在原硅料中掺入三价或者五价单质后铸造成的硅锭。在所述掺杂剂铸造成型后进行破碎处理，然后掺入高纯原硅料中铸造正常的硅晶体，所述掺杂剂中存在能够为硅晶体传导过程提供电子或者空穴的元素，这些元素能够改变硅晶体的传导特性。上述向高纯的娃料中添加掺杂剂的过程即为掺杂。例如，可以在娃料中掺入含有三价或者五价元素的掺杂剂，从而形成本征激发之外的其他载流子当掺入的掺杂剂内含有三价元素时，硅原子的四个价电子只有三个可以成键，而剩余的一个价电子就会形成空穴，此时的载流子为正电性的空穴，则半导体为P型半导体；当掺入的掺杂剂含有五价元素时，硅原子的四个价电子均可以成键，而五价元素中多出的那个价电子相当于一个自由电子，以形成N型半导体。因此，掺入少量的三价或者五价元素，可以大幅改善本征半导体的导电性，使其生长出的单晶或者多晶硅锭的电阻率达到规定的要求。 现有掺杂剂的生产方法主要是在高纯的硅料中掺入硼源以制作P型掺杂剂，或者在高纯的硅料中掺入磷源以制作N型掺杂剂，然后再将掺杂后的原料采用单晶炉进行铸造。上述单晶炉是一种在惰性气体环境中，用石墨加热器将多晶硅等多晶材料熔化，采用直拉法生长无错位单晶或者多晶的设备。所述直拉法生产工艺包括硅料熔化、籽晶引晶、放肩、等径和收尾五个工艺过程，最终拉制形成单晶或者多晶硅棒，作为硅晶体铸造用的硅料掺杂剂。采用上述直拉法制作得出的掺杂剂，单棒重量在120kg 130kg，其能耗较高，因此，如何设计一种硅料掺杂剂的加工工艺，以降低硅料掺杂剂的制造成本、提高其产能，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种硅料掺杂剂的加工工艺，能够采用多晶铸锭炉完成铸造过程，显著提高了硅料掺杂剂的铸造效率，并降低了其铸造成本。为解决上述技术问题，本发明提供一种硅料掺杂剂的加工工艺，所述加工工艺包括以下步骤11)将原硅料和掺杂单质进行配料；12)将配好的原料装入铸锭炉内，将铸锭炉调至真空模式，并将配好的原料逐步加热到设定温度；13)将铸锭炉内的压力控制在O. 4至O. 8个大气压，并向其内充入氩气，然后将原料由设定温度逐步加热到熔化温度，待原料完全熔化后，逐步降低铸锭炉内温度，使液态的原料重新结晶，以形成硅料掺杂剂。本发明采用铸锭炉铸造硅料掺杂剂，首先在真空模式下对原料进行预热，其加热的效率较高，原料的温度也较为均匀；而原料的熔化和后续的结晶均在低压模式下进行，同时还向炉内通入氩气来控制炉内环境，以减少掺杂单质的挥发，确保掺杂单质与硅料充分混合；然后逐步降低炉内温度，完成结晶过程，则掺杂单质在硅料结晶过程中的总体分布更为均衡，铸造的掺杂剂电阻率在O. 001 O. OI Ω · Cm之间，且其在不同区域电阻率的波动范围基本在O. 005 Ω · cm左右，使用时不存在局部位置电阻率偏大或者偏小的现象；此外，采用铸锭炉铸造时的投料量可以达到500kg至IOOOkg之间，相对于现有单晶炉铸造的120kg至130kg的投料量有大幅增长，但其能耗要远远低于现有的单晶炉铸造，也就是说，本发明 采用多晶铸锭炉不仅提高了硅料掺杂剂的产能，也降低了其成本。优选地，在步骤11)中，按照每400kg原硅料掺入30 70g掺杂单质的配比进行配料。采用上述配比进行配料，可以大幅度改善原硅料的导电性能，且掺杂单质能够得到充分利用，实验证明，上述配比为原硅料与掺杂单质的最佳配比。优选地，所述步骤12)中按照下述方式逐步加热原料将铸锭炉内加热器的功率依次设定在10 30kw、40 60kw、70 90kw和100 120kw,并在每个阶段分别保持O 30min、30 60min、30 120min和60 240min,以便
将原料加热到设定温度。为实现对原料的逐步加热，可以分阶段逐步提高加热器的功率，并逐渐延长每个阶段的加热时间，以便将原料加热到设定温度，保证加热的均匀性，为后续的熔化和结晶做好准备。优选地，所述步骤12)中，所述设定温度为900 1200°C。优选地，所述步骤13)中，以20 60升/分钟的速度向铸锭炉内充入氩气；将原料保持在设定温度加热30 120min，然后在60 240min内逐步提升原料至熔化温度，熔化温度处于1500°C 1560°C之间，并在该温度范围内维持180 600min，以待原料完全熔化。本发明在熔化和结晶阶段均采用低压小进气量的模式，以控制炉内气体环境；且在熔化之前，可以首先将原料保持在设定温度一段时间，以去除热场内部与硅料内部的油脂和水分等杂质，然后将原料逐步加热到熔化温度，完成化料过程。优选地，在所述步骤13)中，降低铸锭炉内温度时，首先将铸锭炉内的温度降至1410 1450°C之间，并在该温度范围内维持30 90min，然后逐步降温，将结晶的速度控制在O. I 25mm/h,直至完成结晶。在结晶阶段，可以先小幅降低炉内温度，并在该温度范围内维持一段时间，以使得液态原料的内部温度更为均匀，为结晶做好准备，然后逐步降温，完成结晶过程。优选地，所述步骤13)之后还包括14)将铸锭炉的温度降至1250 1350°C之间，并在该温度范围内维持60min 120mino步骤14)的增加可以进一步提高铸造出的硅料掺杂剂的温度均衡性，通过缓慢降温来消除硅料掺杂剂的内应力。优选地，所述步骤14冲，降低铸锭炉的温度时，首先关闭铸锭炉的散热，然后采用小火继续加热。优选地，所述步骤14)之后还包括15)对重新结晶形成的硅料掺杂剂进行降温，待温度降至450°C时出炉。
图I为本发明所提供加工工艺在一种具体实施方式
中的流程图。
具体实施例方式本发明的核心是提供一种硅料掺杂剂的加工工艺，能够采用多晶铸锭炉完成铸造过程，显著提高了硅料掺杂剂的铸造效率，并降低了其铸造成本。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。请参考图1，图I为本发明所提供加工工艺在一种具体实施方式
中的流程图。本发明利用多晶铸锭炉铸造含有掺杂单质的硅料掺杂剂，所述加工工艺包括以下步骤Sll :将原硅料和掺杂单质按照一定配比进行配料，以形成铸造硅料掺杂剂所需的原料；原硅料一般为高纯硅料，其电阻率通常都在30Ω. cm以上，在铸造P型掺杂剂时，所述掺杂单质可以为单质硼，当铸造N型掺杂剂时，所述掺杂单质可以为磷；S12:将配好的原料装入铸锭炉内，然后将铸锭炉设定在真空模式，并将原料逐渐加热到设定温度；真空模式时，炉内的压力一般保持在O. 0001个标准大气压以下。铸锭炉设置加热器时，可以逐步增大铸锭炉内加热器的功率，以实现逐渐加热的目的。S 13 :将铸锭炉内的压力控制在O. 4-0. 8个标准大气压，然后向炉内充入氩气，以便控制炉内的气体环境；S14 :逐步增大加热器的功率，将原料由设定温度加热到熔化温度，为后续的原料熔化做好准备，熔化温度一般处于1500-1560摄氏度之间；S15 :在熔化温度保持一段时间，以便原料能够充分地熔化，完成化料的过程，然后可以直接进入结晶阶段；S16:逐渐降低炉内温度，使液态的原料重新结晶，待结晶完成后即形成了本发明所需的硅料掺杂剂。相对上述背景技术，本发明提供的加工工艺采用多晶铸锭炉完成硅料掺杂剂的铸造，第一阶段的预热在真空模式下进行，其加热的效率较高，原料的温度较为均匀；而原料的熔化和后续的结晶均在低压模式下进行，同时还向炉内通入氩气来控制炉内环境，能够减少掺杂单质的挥发，保证掺杂单质与硅料充分混合；然后逐步降低炉内温度，使得液态的原料以一定的速度结晶，则掺杂单质在硅料结晶过程中的总体分布更为均衡，铸造的掺杂剂电阻率在O. OOl 0.01 Ω · Cm之间，且其在不同区域电阻率的波动范围基本在O. 005 Ω · cm左右，使用时不存在局部位置电阻率偏大或者偏小的现象。此外，采用铸锭炉铸造时的投料量可以达到500kg至1000kg，相对于现有单晶炉铸造的120kg至130kg的投料量有大幅增长，但其能耗要远远低于现有的单晶炉铸造，也就是说，本发明采用多晶铸锭炉不仅能够提高硅料掺杂剂的产能，还可以有效降低其成本。其中，在步骤Sll中，硅料与掺杂单质可以按照每400kg原硅料掺入30 70g掺杂单质的配比进行配料。采用上述配比进行配料，能够扩展铸造出的硅料掺杂剂的使用范围，便于硅料掺杂剂的掺杂使用。上述配比对于P型或者N型掺杂剂均适用。当然，在采用不同的掺杂单质时，可以对上述配比进行微调，以便铸造出的硅料掺杂剂满足使用要求。可以对上文所述的本发明的加工工艺进行进一步的改进。 在一种较为优选的实施方式中，步骤S12中，将铸锭炉调至真空模式之后，可以分阶段逐步增大加热器的功率，以便将原料加热到设定温度第一步，将功率设定为10 30kw，并维持O 30min，显然，此时的功率可以设定在10 30kw中的任意一个值，并在该值保持稳定，也可以在10 30kw范围内进行微调，即允许功率有小幅波动；第二步，将功率增大到40 60kw，并在该范围内保持30 60min，此处功率的设定参照上述第一步中的解释进行；第三步，将功率设定在70 90kw中的某个值或者在该范围内小幅波动，然后维持
30 120min ；第四步，将功率设定在100 120kw中的某个值或者在该范围内小幅波动，并且在该功率范围内维持60 240min，待原料的温度逐步升至设定温度。通过上述分阶段的逐步加热，原料内部的温度较为均衡，不会出现局部温度过高或过低的情况，能够为后续的熔化和结晶做好准备，有利于提高硅锭的质量。作为优选，所述设定温度可以为900 1200°C。可以想到，在步骤S13中，向铸锭炉内充入氩气时，可以对氩气的进气量进行控制，以有效地控制炉内的气体环境，氩气的进气量不宜过大，可以控制在20-60升/分钟；在步骤S14中，化料的条件在很大程度上影响后续结晶的效果和形成的晶体的品质，因此，加热器功率的提升要兼顾加热的稳定性和对产能的要求，作为优选，可以在60-240min内将温度提升到熔化温度，所述熔化温度可以设置在1500-1560摄氏度，则在上述的逐渐加热过程中，原硅料和掺杂单质能够较好地混合，为后续的熔化做好准备；而在步骤S15中，为保证原料充分熔化，同时兼顾液态硅料和掺杂单质的混合均匀性，可以在熔化温度保持180 600mino在步骤S13和S14之间还可以设置步骤S131 :将原料的温度维持在设定温度，使得原料在该设定温度保持30 120min，以便去除热场内部与硅料内部的油脂和水分等杂质，从而保证铸造的娃淀具有良好的品质。进一步可以想到，在步骤S15和步骤S16之间还可以设置S151 :逐步降低铸锭炉内的温度，停止大功率加热，将温度降至1410 1450°C之间；
S152:在上述温度范围内维持30 90min，以便液态原料内部的温度保持均匀，为
后续结晶打好基础。上述S151和S152的增加，可以在结晶前将铸锭炉的温度降低到一个较低的范围内，然后通过一定的时间稳定原料温度，以减小原料内部和外部的温差，使得原料温度相对均匀，以免影响结晶的顺利进行，进而保证后续结晶所形成的硅料掺杂剂的质量。此外，在步骤S16之后还可以增加S17 缓慢降低铸锭炉的温度，直到温度降至1250 1350°C之间，并在该温度范围内维持60min 120min，进而提高结晶形成的硅料掺杂剂的温度均衡性，以消除硅料掺杂剂的内应力。
具体地，可以先将铸锭炉的散热关闭，然后进行小火加热，以缩小硅料掺杂剂底部和顶部的温差；而加热的温度可以设定在1300°C左右。进一步，还可以在步骤S17之后增加步骤S18 对硅料掺杂剂进行冷却处理，待晶体的温度降至450°C时，可以出炉。以上对本发明所提供硅料掺杂剂的加工工艺进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种硅料掺杂剂的加工工艺，其特征在于，所述加工工艺包括以下步骤 11)将原硅料和掺杂单质进行配料； 12)将配好的原料装入铸锭炉内，将铸锭炉调至真空模式，并将配好的原料逐步加热到设定温度； 13)将铸锭炉内的压力控制在O.4至O. 8个大气压，并向其内充入氩气，然后将原料由设定温度逐步加热到熔化温度，待原料完全熔化后，逐步降低铸锭炉内温度，使液态的原料重新结晶，以形成硅料掺杂剂。
2.如权利要求I所述的加工工艺，其特征在于，在步骤11)中，按照每400kg原硅料掺入30 70g掺杂单质的配比进行配料。
3.如权利要求I所述的加工工艺，其特征在于，所述步骤12)中，按照下述方式逐步加热原料 将铸锭炉内加热器的功率依次设定在10 30kw、40 60kw、70 90kw和100 120kw,并在每个阶段分别保持O 30min、30 60min、30 120min和60 240min,以便将原料加热到设定温度。
4.如权利要求3所述的加工工艺，其特征在于，所述步骤12)中，所述设定温度为900 1200。。。
5.如权利要求I所述的加工工艺，其特征在于，所述步骤13)中，以20 60升/分钟的速度向铸锭炉充入氩气； 将原料保持在设定温度加热30 120min，然后在60 240min内逐步提升原料至熔化温度，熔化温度处于1500°C 1560°C之间，并在该温度范围内维持180 600min，以待原料完全熔化。
6.如权利要求5所述的加工工艺，其特征在于，在所述步骤13)中，降低铸锭炉内温度时，首先将铸锭炉内的温度降至1410 1450°C之间，并在该温度范围内维持30 90min，然后逐步降温，将结晶的速度控制在5 30mm/h，直至完成结晶。
7.如权利要求I至6任一项所述的加工工艺，其特征在于，所述步骤13)之后还包括 14)将铸锭炉的温度降至1250 1350°C之间，并在该温度范围内维持60min 120mino
8.如权利要求7所述的加工工艺，其特征在于，所述步骤14)中，降低铸锭炉的温度时，首先关闭铸锭炉的散热，然后采用小火继续加热。
9.如权利要求7所述的加工工艺，其特征在于，所述步骤14)之后还包括 15)对重新结晶形成的硅料掺杂剂进行降温，待温度降至450°C时出炉。
全文摘要
本发明公开了一种硅料掺杂剂的加工工艺，采用多晶铸锭炉完成铸造过程，显著提高了硅料掺杂剂的铸造效率，并降低了其铸造成本。本发明包括以下步骤11)将原硅料和掺杂单质进行配料；12)将配好的原料装入铸锭炉内，将铸锭炉调至真空模式，并将配好的原料逐步加热到设定温度；13)将铸锭炉内的压力控制在0.4至0.8个大气压，并向其内充入氩气，然后将原料由设定温度逐步加热到熔化温度，待原料完全熔化后，逐步降低铸锭炉内温度，使液态的原料重新结晶，以形成硅料掺杂剂。本发明铸造的硅料掺杂剂的电阻率在0.001～0.01Ω·cm之间，且波动范围基本在0.005Ω·cm左右，不存在局部位置电阻率偏大或者偏小的现象。
文档编号C30B15/04GK102877122SQ201210410159
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月24日 优先权日2012年10月24日
发明者潘家明, 何广川 申请人:英利能源(中国)有限公司