硅晶体及其制备方法与流程

本发明实施例涉及太阳能光伏领域，特别涉及一种硅晶体及其制备方法。

背景技术：

在太阳能的有效利用中，太阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，其中通过光伏设施有效利用太阳能的核心是太阳能电池板，太阳能电池板主要是以半导体材料为基础制成的，半导体材料主要有p型硅晶体和n型硅晶体。

目前常用的硅晶体为单一类型硅晶体，，无论是铸锭还是提拉的方式生产硅晶体，均只能产出具有统一电性能的硅晶体，即p型硅晶体或者n型硅晶体中的一种。其中，p型硅晶体具有成本低且电阻率均匀的优势，但是其光衰较高且效率较低；n型硅晶体具有光衰低的优势，但是其电阻率不均匀导致成品产出率低且成本高。

因此，目前亟需提供一种新的制备方法，制备出具有两种不同电性能的硅晶体。

技术实现要素：

本发明实施例解决的技术问题为提供一种硅晶体及其制备方法，提高硅晶体的成品产出率，降低成本。

为解决上述问题，本发明实施例提供一种硅晶体的制备方法，包括：提供硅溶液，所述硅溶液中掺杂有第一掺杂离子以及第二掺杂离子，所述第一掺杂离子为n型掺杂离子或者p型掺杂离子中的一者，所述第二掺杂离子为n型掺杂离子或者p型掺杂离子中的另一者，且所述第一掺杂离子在所述硅溶液中的分凝系数大于所述第二掺杂离子在所述硅溶液中的分凝系数；对所述硅溶液进行凝固处理，以凝固部分所述硅溶液形成具有第一掺杂离子的第一类型硅晶体区，在形成所述第一类型硅晶体区之后，凝固剩余所述硅溶液形成具有第二掺杂离子的第二类型硅晶体区。

另外，所述第一掺杂离子为n型掺杂离子；所述第一类型硅晶体区与所述第二类型硅晶体区沿预设方向排布，在进行所述凝固处理之前，所述第一掺杂离子在所述硅溶液中具有第一浓度，在沿所述预设方向上所述第一类型硅晶体区具有第一电阻率，在沿所述预设方向上所述第一类型硅晶体区的长度与所述硅晶体的总长度具有第一比值，所述第一掺杂离子具有第一分凝系数，所述第一浓度、所述第一电阻率以及所述第一比值满足如下关系：

其中，μ1为电子迁移率，k1为第一分凝系数，ρ1为第一电阻率，g1为第一比值，q为电子电荷。

另外，所述第二掺杂离子为p型掺杂离子，在进行所述凝固处理之前，所述第二掺杂离子在所述硅溶液中具有第二浓度，在沿所述预设方向上所述第二类型硅晶体区具有第二电阻率，在沿所述预设方向上所述第二类型硅晶体区的长度与所述硅晶体的总长度具有第二比值，所述第二掺杂离子具有第二分凝系数，所述第二浓度、所述第二电阻率以及所述第二比值满足如下关系：

其中，μ2为空穴迁移率，k2为第二分凝系数，ρ2为第二电阻率，g2为第二比值，q为电子电荷。

另外，在进行所述凝固处理之前，所述硅溶液中所述第一掺杂离子的浓度大于所述第二掺杂离子的浓度。

另外，形成所述硅溶液的步骤包括：提供初始硅溶液、第一掺杂剂以及第二掺杂剂，所述第一掺杂剂中具有所述第一掺杂离子，所述第二掺杂剂中具有所述第二掺杂离子，所述第一掺杂剂和所述第二掺杂剂中的至少一种为母合金材料；将所述第一掺杂剂以及所述第二掺杂剂混合至所述初始硅溶液中，形成所述硅溶液。

另外，凝固所述硅溶液的方法包括提拉法或者铸锭法。

另外，在形成所述第二类型硅晶体区之前，还包括：形成混合硅晶体区，所述混合硅晶体区中具有所述第一掺杂离子以及所述第二掺杂离子，且所述第一类型硅晶体区与所述第二类型硅晶体区由所述混合硅晶体区隔开；在形成所述第二类型硅晶体区之后，还包括：去除所述混合硅晶体区，获取相互独立的所述第一类型硅晶体区和所述第二类型硅晶体区。

另外，在去除所述混合硅晶体区之前，还包括：对所述硅晶体进行电阻率测试，以定位所述混合硅晶体区。

相应地，本发明实施例还提供一种硅晶体，所述硅晶体包括第一类型硅晶体区和第二类型硅晶体区，所述第一类型硅晶体区具有第一掺杂离子，所述第二类型硅晶体区具有第二掺杂离子，所述第一掺杂离子为n型掺杂离子或者p型掺杂离子中的一者，所述第二掺杂离子为n型掺杂离子或者p型掺杂离子中的另一者，所述第一掺杂离子的分凝系数大于所述第二掺杂离子的分凝系数。

另外，还包括：混合硅晶体区，所述混合硅晶体区位于所述第一类型硅晶体区和所述第二类型硅晶体区之间，且所述混合硅晶体区中具有所述第一掺杂离子以及所述第二掺杂离子。

与现有技术相比，本发明实施例提供的技术方案具有以下优点：

用于制备硅晶体的硅溶液中具有第一掺杂离子和第二掺杂离子，且第一掺杂离子在硅溶液中的分凝系数大于第二掺杂离子在硅溶液中的分凝系数，则在硅溶液凝固初期，大量的第一掺杂离子会因分凝效应进入硅晶体中，从而形成具有第一掺杂离子的第一类型硅晶体区，后续因为大量的第一掺杂离子已经进入硅晶体中，第一掺杂离子在溶液中的浓度降低至小于第二掺杂离子在溶液中的浓度，因此后续硅溶液凝固形成硅晶体的过程中，大量的第二掺杂离子会进入硅晶体中，从而形成具有第二掺杂离子的第二类型硅晶体区。因而，形成的硅晶体中既具有第一类型硅晶体区，又具有第二类型硅晶体区，有利于提高单个硅晶体的成品产出率。此外，由于在硅溶液凝固后期，大量第二掺杂离子进入硅晶体中，改变了后期凝固的硅晶体区域的电阻率，以形成第二类型硅晶体区，因而可利用同一制备方法形成两种类型的硅晶体，有利于降低硅晶体的制备成本。

另外，在对硅溶液进行凝固处理之前，硅溶液中第一掺杂离子的浓度大于第二掺杂离子的浓度。在硅溶液的凝固初期，由于第一掺杂离子分凝系数和浓度均大于第一掺杂离子分凝系数和浓度，进一步保证在该凝固阶段大量的第一掺杂离子会因分凝效应进入硅晶体中，以形成具有第一掺杂离子的第一类型硅晶体区，且第一类型硅晶体区中的第一掺杂离子的分布更均匀，则第一类型硅晶体区内各部分的电阻率差异小，有利于提高第一类型硅晶体区的电学性能。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本发明实施例提供的硅晶体的制备方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的硅晶体的制备方法制备的硅晶体的立体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的硅晶体的制备方法制备的硅晶体的电阻率分布图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有技术在同一硅晶体内只能具有同一种电性能，导致了硅晶体的成品率下降，制造成本上升。

为解决上述问题，本发明实施例提供一种硅晶体的制备方法，其中用于制备硅晶体的硅溶液中具有第一掺杂离子和第二掺杂离子，且第一掺杂离子在硅溶液中的分凝系数大于第二掺杂离子在硅溶液中的分凝系数，则对硅溶液进行凝固处理时，先凝固的部分硅溶液会形成具有第一掺杂离子的第一类型硅晶体区，后续凝固的剩余硅溶液会形成具有第二掺杂离子的第二类型硅晶体区。因而，本发明实施例制备的单个硅晶体具有两种类型的硅晶体区，有利于提高单个硅晶体的利用率和降低质量合格的硅晶体的制备成本。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

以下将结合附图对本实施例提供的硅晶体的制备方法进行详细说明。图1为本实施例提供的硅晶体的制备方法的流程示意图，图2为本实施例提供的硅晶体的制备方法制备的硅晶体管的立体结构示意图。

参考图1，步骤s1：提供硅溶液，硅溶液中掺杂有第一掺杂离子以及第二掺杂离子，第一掺杂离子为n型掺杂离子或者p型掺杂离子中的一者，第二掺杂离子为n型掺杂离子或者p型掺杂离子中的另一者，且第一掺杂离子在硅溶液中的分凝系数大于第二掺杂离子在硅溶液中的分凝系数。

具体地，本实施例中，以第一掺杂离子为n型离子，第二掺杂离子为p型离子作为示例进行详细说明。其中，n型离子包括p离子、as离子或者sb离子，p型离子包括b离子、ga离子或者in离子。

在进行后续的凝固处理之前，硅溶液中第一掺杂离子的浓度大于第二掺杂离子的浓度。

后续会凝固硅溶液形成硅晶体，在后续的凝固初期形成第一类型硅晶体区过程中，第一掺杂离子的浓度和分凝系数均比第二掺杂离子的浓度和分凝系数大，有利于增加该阶段进入第一类型硅晶体区中的第一掺杂离子的数量，从而使得形成的第一类型硅晶体区中第一掺杂离子的分布更均匀，则第一类型硅晶体区内各部分的电阻率差异小，有利于提高第一类型硅晶体区101的电学性能。

需要说明的是，硅溶液中第一掺杂离子的浓度可根据所需形成的硅晶体中第一类型硅晶体区的长度与硅晶体的长度的比值、第一类型硅晶体区的电阻率以及第一掺杂离子的分凝系数等参数来确定；硅溶液中第二掺杂离子的浓度可根据所需形成的硅晶体中第二类型硅晶体区的长度与硅晶体的长度的比值、第二类型硅晶体区的电阻率以及第二掺杂离子的分凝系数等参数来确定。后续会对第一掺杂离子的浓度以及第二掺杂离子的浓度进行更详细的说明。

本实施例中，形成硅溶液的步骤包括：提供初始硅溶液、第一掺杂剂以及第二掺杂剂，第一掺杂剂中具有第一掺杂离子，第二掺杂剂中具有第二掺杂离子，第一掺杂剂和第二掺杂剂中的至少一种为母合金材料；将第一掺杂剂以及第二掺杂剂混合至初始硅溶液中，形成硅溶液。

由于向硅溶液中掺入的第一掺杂离子或者第二掺杂离子的量相对较少，若将含有第一掺杂离子或者第二掺杂离子的单元素材料作为掺杂剂，所需的掺杂剂的质量也较小，因而在称量掺杂剂时会容易产生误差。因此，可以将第一掺杂离子和/或者第二掺杂离子与硅原料先制备成合金，再以合金的方式掺入初始硅溶液中，所需的母合金材料的质量较大，在称量母合金材料时产生的误差较小，因而有利于准确地控制第一掺杂离子和/或者第二掺杂离子的掺入量，即更准确地控制第一掺杂离子在硅溶液中的浓度和/或第二掺杂离子在硅溶液中的浓度。

本实施例中，第一掺杂剂包括含有n型掺杂离子的母合金材料；第二掺杂剂包括含有p型掺杂离子的单元素材料。本实施例中，第一掺杂剂包括硅磷合金；第二掺杂剂包括镓。在一个例子中，硅磷合金的电阻率为0.041，质量为400g；镓的质量为10g；硅溶液的质量为330kg。需要说明的是，在其他实施例中，也可以采用含有第一掺杂离子的单元素材料作为第一掺杂剂、采用含有第二掺杂离子的单元素材料进行第二掺杂剂进行掺杂。

还需要说明的是，在其他实施例中，第一掺杂剂可以为含有p型掺杂离子的母合金材料，第二掺杂剂可以为含有n型掺杂离子的母合金材料；在确定p型掺杂离子在硅溶液中的浓度和p型掺杂离子在硅溶液中的浓度后，计算出的所需掺入的第一掺杂剂和第二掺杂剂的质量都较大，有利于准确地控制p型掺杂离子和n型掺杂离子的掺入量。

在其他实施例中，第一掺杂剂也可以为含有p型掺杂离子的母合金材料；第二掺杂剂也可以为含有n型掺杂离子的单元素材料；p型掺杂离子的分凝系数可以大于n型掺杂离子的分凝系数，后续硅溶液凝固时，先形成的第一类型硅晶体区为p型硅块，后形成的第二类型硅晶体区为n型硅块。在其他实施例中，第一掺杂剂还可以为含有p型掺杂离子的母合金材料；第二掺杂剂还可以为含有n型掺杂离子的母合金材料。

结合参考图1及图2，步骤s2：对硅溶液进行凝固处理，以凝固部分硅溶液形成具有第一掺杂离子的第一类型硅晶体区101，在形成第一类型硅晶体区101之后，凝固剩余硅溶液形成具有第二掺杂离子的第二类型硅晶体区102。

具体地，本实施例中，第一掺杂离子可以为n型掺杂离子，第二掺杂离子为p型掺杂离子。由于n型掺杂离子的分凝系数大于p型掺杂离子的分凝系数，则在硅溶液凝固初期，大量的n型掺杂离子会因分凝效应进入硅晶体中，从而形成具有n型掺杂离子的第一类型硅晶体区101，则本实施例中，第一类型硅晶体区101为n型硅晶体，后续因为大量的n型掺杂离子已经进入硅晶体中，n型掺杂离子在溶液中的浓度降低，因此后续硅溶液凝固形成硅晶体的过程中，大量的p型掺杂离子会进入硅晶体中，从而形成具有p型掺杂离子的第二类型硅晶体区102，则本实施例中，第二类型硅晶体区102为p型硅晶体。

需要说明的是，第一类型硅晶体区101中也可以存在有少量的第二掺杂离子，但是第一掺杂离子的含量远大于第二掺杂离子的含量；同样的，第二类型硅晶体区102中也可以存在有少量的第一掺杂离子，但是第二掺杂离子的含量远大于第一掺杂离子的含量。

本实施例中，凝固硅溶液的方法包括提拉法或者铸锭法。相应的，硅晶体可以为硅棒，也可以为硅锭或硅块。

需要说明的是，在其他实施例中，当p型掺杂离子的分凝系数大于n型离子的分凝系数时，先凝固形成的第一类型硅晶体区为p型硅晶体，后凝固形成的第二类型硅晶体区为n型硅晶体。相应的，在进行凝固处理之前，硅溶液中的p型掺杂离子的浓度大于n型掺杂离子的浓度。

以下将结合第一类型硅晶体区101、第二类型硅晶体区102以及硅晶体对凝固处理之前第一掺杂离子的浓度以及第二掺杂离子的浓度的选取进行详细说明：

第一类型硅晶体区101与第二类型硅晶体区102沿预设方向排布，在对硅溶液进行凝固处理之前，第一掺杂离子在硅溶液中具有第一浓度，在沿预设方向上第一类型硅晶体区101具有第一电阻率，在沿预设方向上第一类型硅晶体区101的长度与硅晶体的总长度具有第一比值，第一掺杂离子具有第一分凝系数，第一浓度、第一电阻率以及第一比值满足如下关系：

其中，μ1为电子迁移率，k1为第一分凝系数，ρ1为第一电阻率，g1为第一比值，q为电子电荷。

可预先设定所需制备的硅晶体的总长度、制备的硅晶体中第一类型硅晶体区101的长度以及第一类型硅晶体区101的第一电阻率，并通过第一类型硅晶体区101的长度和硅晶体的总长度计算出第一比值。由于电子迁移率、电子电荷以及第一分凝系数是已知数值，再依据设定的第一电阻率和第一比值，通过公式(1)可计算出第一掺杂离子在硅溶液中的浓度，即第一浓度。

进一步地，第二掺杂离子为p型掺杂离子，在进行凝固处理之前，第二掺杂离子在硅溶液中具有第二浓度，在沿预设方向上第二类型硅晶体区102具有第二电阻率，在沿预设方向上第二类型硅晶体区102的长度与硅晶体的总长度具有第二比值，第二掺杂离子具有第二分凝系数，第二浓度、第二电阻率以及第二比值满足如下关系：

其中，μ2为空穴迁移率，k2为第二分凝系数，ρ2为第二电阻率，g2为第二比值，q为电子电荷。

设定制备的硅晶体中第二类型硅晶体区102的长度以及第二类型硅晶体区102的第二电阻率，并通过第二类型硅晶体区102的长度和硅晶体的总长度计算出第二比值。由于空穴迁移率和第二分凝系数也是已知数值，再依据设定的第二电阻率和第二比值，通过公式(2)可计算出第二掺杂离子在硅溶液中的浓度，即第二浓度。

参考图3，图3为对硅溶液进行凝固处理所形成的硅晶体的电阻率分布图，其中横坐标为硅晶体的长度，纵坐标为硅晶体在该长度处的电阻率。随着硅晶体的凝固长度的增加，测得的硅晶体中第一区域i的电阻率均符合n型硅晶体的电学要求，随着硅溶液的进一步凝固，测得的电阻率发生翻转，硅晶体中第三区域iii的电阻率均符合p型硅晶体的电学要求，因此可利用同一制备方法形成两种类型的硅晶体，有利于降低硅晶体的制备成本。

本实施例中，在形成第二类型硅晶体区102之前，还包括：形成混合硅晶体区103，混合硅晶体区103中具有第一掺杂离子以及第二掺杂离子，且第一类型硅晶体区101与第二类型硅晶体区102由混合硅晶体区103隔开；在形成第二类型硅晶体区102之后，还包括：去除混合硅晶体区103，获取相互独立的第一类型硅晶体区101和第二类型硅晶体区102。

具体地，混合硅晶体区103对应图3硅晶体中第二区域ii，混合硅晶体区103中具有含量相当的第一掺杂离子以及第二掺杂离子，混合硅晶体区103不能表现出明显的n型电性能特性或者p型电性能特性。因此，可通过截断机对硅晶体进行反切，将第一类型硅晶体区101以及第二类型硅晶体区102作为独立的产品。

在去除混合硅晶体区103之前，还包括：对硅晶体进行电阻率测试，以定位混合硅晶体区103。

具体地，由于不同电性特性的硅晶体的电阻率表现不同，通过电阻率测试获取硅晶体不同区域的电阻率，基于电阻率定位混合硅晶体区103的范围。在一个例子中，可通过测量硅晶体中间区域的电阻率，逐步向硅晶体的两侧拓展测量，以确定符合p型硅晶体电阻率的区域的边界和符合n型硅晶体电阻率的区域的边界，从而直接确定混合硅晶体区103的范围。在又一个例子中，从硅晶体的两侧开始测量电阻率，以确定p型硅晶体的边界和n型硅晶体的边界，从而间接确定混合硅晶体区103的范围。

本实施例中，可利用单个硅晶体的制备步骤产生具有两种不同电性能区域的硅晶体，使得单个硅晶体的利用率更高，成本更低。具体地，本实施例制备的硅晶体既有p型硅晶体具备的成本低且电阻率均匀的特性，又具有n型硅晶体具有的光衰低的优势。

另外，通过公式(1)确定第一掺杂离子在硅溶液中的浓度，公式(2)确定第二掺杂离子在硅溶液中的浓度，从而相应地计算出所需的第一掺杂剂和第二掺杂剂的质量，进一步地控制第一掺杂离子在硅溶液中的分凝系数大于第二掺杂离子在硅溶液中的分凝系数，从而使得硅溶液先凝固形成具有第一掺杂离子的第一类型硅晶体区，后形成具有第二掺杂离子的第二类型硅晶体区，有利于提高硅晶体的成品产出率，并且一个硅晶体对应可形成质量合格的两种类型的硅晶体区，则质量不合格的硅晶体区变小，有利于降低质量合格的硅晶体的制备成本。

相应地，本发明实施例还提供一种硅晶体，硅晶体可采用上述硅晶体的制备方法形成。

继续参考图1，硅晶体包括第一类型硅晶体区101和第二类型硅晶体区102，第一类型硅晶体区101具有第一掺杂离子，第二类型硅晶体区102具有第二掺杂离子，第一掺杂离子为n型掺杂离子或者p型掺杂离子中的一者，第二掺杂离子为n型掺杂离子或者p型掺杂离子中的另一者，第一掺杂离子的分凝系数大于第二掺杂离子的分凝系数。

本实施例中，以第一掺杂离子为n型掺杂离子、第二掺杂离子为p型掺杂离子作为示例。

具体地，硅晶体还包括：混合硅晶体区103，混合硅晶体区103位于第一类型硅晶体区101和第二类型硅晶体区102之间，且混合硅晶体区103中具有第一掺杂离子以及第二掺杂离子。

本实施例中，硅晶体具有第一类型硅晶体区101和第二类型硅晶体区102，且两者被混合硅晶体区103分隔开，则可以通过将混合硅晶体区103去除，将第一类型硅晶体区101和第二类型硅晶体区102分别作为独立的产品使用，因而提高了硅晶体的成品产出率，一次工艺形成的硅晶体就可以产出两种类型的硅晶体区，有利于降低质量合格的硅晶体的制备成本。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除