專利名稱：冶金硅直接成長為太陽能薄膜硅的工藝及其專用成長設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽能薄膜硅的生產工藝，并涉及一種薄膜硅的專用成長設備。
背景技術：
雖然經過長時間的發展，硅基太陽能電池的成本已經大大降低，但是目前使用硅基太陽能電池的發電成本還是比現有常規能源發電價格高。硅基太陽能電池的成本主要來自從石英到硅片的生產過程，尤其是從冶金級硅到高純度硅的過程。目前采用的技術通常是把冶金級硅提純后氣化成硅烷或三氯硅烷，再利用這些高純度硅基氣體，由西門子技術生產高純度的多晶硅，這一過程是高耗能、高污染和高危險的。從多晶硅硅片生產硅太陽能電池，電池的厚度一般在200 - 300微米之間，這樣的塊體電池耗費的材料多，成本高。現在還有采用非晶硅或多晶硅薄膜制備薄膜電池，雖然效率比多晶硅電池低，但是硅的使用厚度可以控制在20微米以下，這樣可以明顯節省硅材料的耗費，并可采用廉價的玻璃作為基片制備硅薄膜電池，這樣大大降低了硅基光伏的電力價格。目前通常采用等離子輔助沉積技術從硅烷或三氯硅烷成長硅薄膜電池，因為同樣要經過硅材料的提純和氣化，成本還是較高，不利于進一步推廣。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明提供一種成本低，生產過程環保的冶金硅直接成長為太陽能薄膜硅的工藝。本發明同時提供一種薄膜硅的專用成長設備。本發明的工藝需要首先準備好冶金硅材料和成長基片，然后按下列步驟進行
(a)將冶金硅材料電離，產生硅離子、雜質離子和中性微顆粒的混合粒子產物；
(b)將上述混合粒子產物以適當方向導入篩選電磁場中，依據不同物質離子的荷質比不同，在篩選電磁場作用下，其偏轉角度不同，使僅有需要的硅離子通過篩選電磁場進入正確路徑形成高純度硅離子束；
(c)將高純度硅離子束射向被轉動的成長基片，在成長基片表面均勻沉積，同時向成長基片周圍通入必要的摻雜反應氣體并提供合適溫度，即可在成長基片表面獲得成長均勻的 N型或P型導電的太陽能薄膜硅。本發明的工藝可以從冶金硅直接長出薄膜硅，無需進行冶金硅的提純和氣化，成本大大降低，并減少了硅薄膜的生產環節，降低能源消耗，更重要的是避免了氣化過程涉及到的氯氣，減少生產過程的潛在風險和環境危害，生產過程更加環保。此外，本工藝生產的薄膜硅質量高，可以增強太陽能硅薄膜電池的效率和穩定性，提高這類電池的競爭力。在步驟(C)中，可以交替通入不同的摻雜反應氣體，產生二個以上的不同型摻雜生長過程，使成長的太陽能薄膜硅獲得PN結，即可以制備得到硅基薄膜太陽能電池片，使太陽能電池片的生產更方便，效率更高。本發明的專用成長設備包括硅離子發生裝置，該硅離子發生裝置連接圓弧形的電磁場篩選裝置的一端，其另一端則連接薄膜沉積裝置，該薄膜沉積裝置中設置有可轉動的成長臺和溫控加熱機構，薄膜沉積裝置上還設有摻雜氣體入口，太陽能薄膜硅的成長基片置于成長臺上。本發明的設備結構設計合理，產品質量穩定，生產過程環保。
在薄膜沉積裝置中、摻雜氣體入口附近還可設有氣體微波電離機構，這樣可以電離摻雜氣體，使N型或P型硅薄膜的沉積生長更均勻，質量更穩定。下面結合附圖和實施例進一步說明本發明。
圖1是成長設備的主結構示意圖。圖2是圖1中硅離子發生裝置的另一形式示意圖。實施例如圖1所示，薄膜硅的成長設備包括硅離子發生裝置1，該硅離子發生裝置1連接圓弧形的電磁場篩選裝置2的一端，其另一端則連接薄膜沉積裝置3，該薄膜沉積裝置3中設置有可轉動的成長臺4和溫控加熱機構5，薄膜沉積裝置3上還設有摻雜氣體入口 6，太陽能薄膜硅的成長基片13置于成長臺4上。一般在薄膜沉積裝置3中、摻雜氣體入口 6附近還可設有氣體微波電離機構7，這樣可以電離摻雜氣體，使N型或P型硅薄膜的沉積生長更均勻，質量更穩定。硅離子發生裝置1 一般包括和高壓電源8陽極連接的觸發器9，高壓電源8的陰極則連接冶金硅材料12，構成自持觸發式電離裝置，工作時由觸發器9直接觸發電離陰極的冶金硅材料12產生混合粒子產物。實際中根據設計要求，硅離子發生裝置1也可采用如圖 2所示的形式，包括化學氣相產生器10和連通的氣體電離器11，冶金硅材料12置于化學氣相產生器10中，氣體電離器11連接電磁場篩選裝置2的一端。工作時先用化學方法處理冶金硅材料12得到含有大量雜質氣體的硅烷氣體，再將氣體進行微波電離，產生混合粒子產物。圓弧形的電磁場篩選裝置2 —般是在內部產生強度合適的均勻磁場，對需要的物質離子進行篩選，因為不同物質離子的荷質比不同，在相同電磁場作用下其偏轉角度也不同，只有需要的硅離子通過篩選電磁場進入正確路徑。電磁場篩選裝置2內部也可以由至少一個電磁場透鏡和帶小孔的過濾板構成，實現對需要的物質離子的篩選。電磁場透鏡對粒子進行偏轉和匯聚處理，中性微顆粒和雜質離子無法通過過濾板中的小孔，只有硅離子可以經過再由電磁透鏡擴束，進入薄膜沉積裝置3。設備生產工作時，首先準備好冶金硅材料12，并將成長基片13置于成長臺4上，然后在硅離子發生裝置1中將冶金硅材料12電離，產生硅離子、雜質離子和中性微顆粒的混合粒子產物。上述混合粒子產物導入圓弧形的電磁場篩選裝置2中，依據不同物質離子的荷質比不同，在篩選電磁場作用下，僅有需要的硅離子通過篩選電磁場進入正確路徑形成高純度硅離子束。然后高純度硅離子束進入薄膜沉積裝置3中，射向連同成長臺4 一起轉動的成長基片13，在成長基片13表面均勻沉積。同時從摻雜氣體入口 6中通入必要的摻雜反應氣體，如含磷或硼的氣體，一般還可利用氣體微波電離機構7電離摻雜反應氣體，溫控加熱機構5則提供合適溫度，一般在500 - 700攝氏度，即可在成長基片13表面獲得成長均勻的N型或P型導電的太陽能薄膜硅。如果在上述成長的過程中交替通入不同的摻雜反應氣體，產生二個以上的不同型摻雜生長過程，使成長的太陽能薄膜硅獲得PN結，即可以直接制備得到硅基薄膜太陽能電池片。
權利要求
1.一種冶金硅直接成長為太陽能薄膜硅的工藝，首先準備好冶金硅材料和成長基片， 然后按下列步驟進行(a)將冶金硅材料電離，產生硅離子、雜質離子和中性微顆粒的混合粒子產物；(b)將上述混合粒子產物以適當方向導入篩選電磁場中，依據不同物質離子的荷質比不同，在篩選電磁場作用下，其偏轉角度不同，使僅有需要的硅離子通過篩選電磁場進入正確路徑形成高純度硅離子束；(c)將高純度硅離子束射向被轉動的成長基片，在成長基片表面均勻沉積，同時向成長基片周圍通入必要的摻雜反應氣體并提供合適溫度，即可在成長基片表面獲得成長均勻的 N型或P型導電的太陽能薄膜硅。
2.根據權利要求1所述的冶金硅直接成長為太陽能薄膜硅的工藝，其特征為在步驟 (c)中，交替通入不同的摻雜反應氣體，產生二個以上的不同型摻雜生長過程，使成長的太陽能薄膜硅獲得PN結，即可以制備得到硅基薄膜太陽能電池片。
3.根據權利要求1或2所述的冶金硅直接成長為太陽能薄膜硅的工藝，其特征為在步驟(a)中，將冶金硅材料作為放電陰極，在電源陽極觸發下進行電離放電產生混合粒子產物。
4.根據權利要求1或2所述的冶金硅直接成長為太陽能薄膜硅的工藝，其特征為在步驟(a)中，先用化學方法處理冶金硅材料得到含有大量雜質氣體的硅烷氣體，再將氣體進行微波電離，產生混合粒子產物。
5.一種實施權利要求1所述工藝的專用成長設備，包括硅離子發生裝置，其特征為該硅離子發生裝置(1)連接圓弧形的電磁場篩選裝置(2)的一端，其另一端則連接薄膜沉積裝置(3)，該薄膜沉積裝置(3)中設置有可轉動的成長臺(4)和溫控加熱機構(5)，薄膜沉積裝置(3)上還設有摻雜氣體入口(6)，太陽能薄膜硅的成長基片(13)置于成長臺(4)上。
6.根據權利要求5所述的專用成長設備，其特征為在薄膜沉積裝置(3)中、摻雜氣體入口(6)附近還設有氣體微波電離機構(7)。
7.根據權利要求5或6所述的專用成長設備，其特征為硅離子發生裝置(1)包括和高壓電源(8)陽極連接的觸發器(9)，高壓電源(8)的陰極則連接冶金硅材料(12)，構成自持觸發式電離裝置。
8.根據權利要求5或6所述的專用成長設備，其特征為硅離子發生裝置(1)包括化學氣相產生器(10)和連通的氣體電離器(11)，冶金硅材料(12)置于化學氣相產生器(10) 中，氣體電離器(11)連接電磁場篩選裝置(2)的一端。
全文摘要
一種冶金硅直接成長為太陽能薄膜硅的工藝及其專用成長設備，將準備好的冶金硅材料電離，產生混合粒子產物，將混合粒子產物導入篩選電磁場中，使僅有需要的硅離子通過篩選電磁場進入正確路徑形成高純度硅離子束，并將高純度硅離子束射向被轉動的成長基片，在成長基片表面均勻沉積，同時通入必要的摻雜反應氣體并提供合適溫度，即可在成長基片表面獲得成長均勻的N型或P型導電的太陽能薄膜硅。專用成長設備則包括相連接的硅離子發生裝置、圓弧形的電磁場篩選裝置和薄膜沉積裝置。本發明無需進行冶金硅的提純和氣化，成本大大降低，能耗少，避免了氣化過程涉及到的氯氣，生產過程環保，并且設備結構設計合理，產品質量穩定。
文檔編號C23C14/14GK102163651SQ20111005302
公開日2011年8月24日 申請日期2011年3月7日 優先權日2011年3月7日
發明者喻磊, 張國輝, 李西軍, 謝衛國, 鄭春明, 黃榮新 申請人:溫州環科電子信息科技有限公司