專利名稱：在晶體帶的枝狀晶薄片生長期間現(xiàn)場擴散摻雜劑雜質的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及把太陽能轉換為電能的太陽電池。更具體地，本發(fā)明涉及枝狀晶薄片光生伏打(pholovoltaic)電池技術。
本申請以1995年10月5日提交的名為“在硅帶的枝狀晶薄片生長期間現(xiàn)場擴散硼或磷”的第60/004817號臨時申請為基礎要求優(yōu)先權。
包括利用光生伏打效應把太陽能轉換為電能的半導體器件的太陽電池早已為人們熟知。已知具體類型的太陽電池的制造是采用枝狀晶薄片生長技術，其中，在爐中熔化原材料例如硅，使用固定于適當的機械提拉設備的籽晶，沿從源熔料經過爐出口至接受站的路徑，緩慢提拉原材料。在適當的溫度控制條件和適宜的提拉速率下，熔融材料形成冷卻至最終結晶薄片具有枝狀晶剖面的結晶薄片。此工藝更全面地記載于“應用于太陽電池的枝狀晶硅薄片”，R.G. Seidenstecker，Journal of Crystal Growth，39(1977)PP.17-22，該公開在本申請中引做參考。
為了提供光生伏打效應，必須利用適當的摻雜技術在結晶薄片中形成半導體結。一種通常使用的技術是摻雜劑擴散工藝，其中摻雜劑材料通過兩個薄片主面擴散進結晶薄片，以此提供相反導電類型的第一和第二擴散層。過去已采用氣體擴散工藝進行擴散，其中摻雜劑材料是可流過薄片表面的氣體蒸汽形態(tài)，以便摻雜劑材料的離子能擴散進入結晶薄片材料。此工藝必須進行結晶薄片形成晶格的良好提拉，通常需要分立的擴散站，這增加了枝狀晶太陽電池制造工藝的復雜性。此外，氣體擴散需要分離的氣體源(用于相反導電類型的摻雜劑材料)和精心設計制造氣體流動通道，防止摻雜劑氣體蒸汽排入環(huán)境或者沾污其他設備。
本發(fā)明包括向生長結晶薄片的一個或兩個主薄片表面現(xiàn)場擴散摻雜劑雜質的方法和設備，可以避免氣體擴散工藝伴隨的缺點，可以在現(xiàn)有的熔化爐中進行相對不復雜的摻雜，采用固體摻雜劑擴散源材料提供必要的摻雜劑材料濃度。
從工藝的觀點來看，本發(fā)明提供制造枝狀晶薄片光生伏打晶體帶的方法，包括以下步驟，通過沿一路徑從熔料源提拉熔融材料并使熔融材料冷卻，在爐中從熔料源生長具有兩個主表面的枝狀晶薄片；當沿該路徑提拉生長薄片時，使生長薄片的兩個主表面中的至少一個暴露于被加熱至擴散溫度的固體摻雜劑材料。當采用把生長薄片的兩個主表面暴露于固體摻雜劑材料的方法時，主表面之一暴露于第一摻雜劑材料，另一主表面暴露于第二摻雜劑材料，第一和第二摻雜劑材料提供相反導電類型的摻雜劑。
通過在靠近熱源的托架中放置固體摻雜劑材料、最好是平面形態(tài)的，使固體摻雜劑材料加熱至擴散溫度，由此暴露薄片。熱源最好包括固體發(fā)熱元件，其加熱可以選擇把發(fā)熱元件置于爐所含熱量中或者用加熱線圈加熱發(fā)熱元件。
可以在爐內或爐外進行薄片暴露于固體摻雜劑材料的步驟。在爐外進行時，固體摻雜劑材料放置成與靠近出口的熱源接觸，熱源最好包括快速發(fā)熱加熱夾具，例如傳統(tǒng)設計的電阻加熱器。
從設備的觀點來看，本發(fā)明包括具有產生晶體生長材料的熔料源的裝置和出口的爐子；從熔料源沿一路徑經過出口提拉熔料源，以便當沿該路徑提拉熔融材料時，生長具有兩個主表面的枝狀晶薄片的裝置；沿該路徑布置的固體摻雜劑材料，與枝狀晶薄片的兩個主表面中的至少一個呈面對關系；把固體摻雜劑材料加熱至擴散溫度，以使生長枝狀晶薄片暴露于固體摻雜劑材料，從而在兩個主表面中的至少一個中形成擴散層的裝置。固體摻雜劑材料最好放置在托架中，托架沿該路徑安裝并位于爐內或者靠近出口的爐外。
對固體摻雜劑材料加熱的裝置包括沿該路徑設置的發(fā)熱元件并至少部分地圍繞摻雜劑材料，固體摻雜劑材料設置成與發(fā)熱元件熱接觸。圍繞發(fā)熱元件可選擇地放置輔助加熱線圈控制溫度。當加熱裝置位于爐外時，最好靠近出口設置輔助快速升溫外加熱器，最好是大功率電阻電加熱器元件。
設備可以設置成具有單側或雙側摻雜能力。設置成雙側摻雜操作時，固體摻雜材料包括與生長枝狀晶薄片的第一和第二主表面中之一呈面對關系的第一摻雜劑材料元件，和與生長枝狀晶薄片的第一和第二主表面中另一個呈面對關系的第二摻雜劑材料元件，以使第一和第二摻雜劑材料元件中的每一個對相應的生長枝狀晶薄片的主表面起到擴散源的作用。在雙側構形中第一和第二摻雜劑材料元件提供相反導電類型的摻雜劑。
通過以下結合附圖的詳細說明，將可全面了解本發(fā)明的性質和優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明第一實施例的剖面圖。
圖2是圖1實施例的部分斷面透視圖。
圖3是本發(fā)明第二實施例的剖面圖。
圖4是圖3實施例的部分斷面透視圖。
圖5是本發(fā)明另一實施例的剖面圖。
圖6是圖5實施例的部分斷面透視圖。
參看附圖，圖1和2展示了本發(fā)明的第一實施例，其中垂直發(fā)熱元件、固體擴散源和托架位于薄片生長爐內。參看圖1，由參考標號10概括表示的傳統(tǒng)爐子具有帶出口12的外壁結構11。靠近出口12固定于外壁結構11的是薄片提拉支撐夾具14，使初始形成于爐10內的生長薄片可由傳統(tǒng)的薄片提拉機構(未示出)提拉，并輸送至接受站。由于薄片提拉機構和接受站是公知的傳統(tǒng)裝置，因此為了避免羅嗦，更多的說明似不必要。
用于保持熔化坩堝(圖2所示的元件24)的基座21設置于爐10內，坩堝中熔融材料(一般是硅)保持液態(tài)。圍繞基座21設置RF加熱器線圈23，用于以傳統(tǒng)方式在坩堝中加熱硅。在基座21的罩部位22上設置多個護板25。位于護板25中心的是由參考標號30概括表示的現(xiàn)場擴散夾具和固體擴散源。
參看圖2，這是基座21、罩22、護板25和現(xiàn)場擴散夾具和固體擴散源30的部分斷面透視圖，可見元件30包括以任何適當的方式固定于護板25頂表面的垂直發(fā)熱元件31。垂直發(fā)熱元件31最好用石墨制造，用做位于擴散源托架34內的固體擴散源的發(fā)熱加熱源。固體擴散源33最好是擴散源材料例如磷或硼的矩形帶，可以按任何適當的方式、例如沿托架34的端部的內表面形成槽35，安置在擴散源托架34內。為了對擴散源33提供溫度穩(wěn)定的附加散熱器，托架34最好由石墨形成。接任何適當的方式把一對桿36固定于托架34，例如通過形成帶狀從托架體34的上表面向內延伸的通孔。為了使托架34和源33能位于垂直發(fā)熱元件31之內及由其中移走，桿36從爐10向上延伸(見圖1)，經過出口12出來到達桿操作夾具(未示出)。
再次參看圖2，擴散源33設置成與生長枝狀晶薄片40呈面對關系，枝狀晶薄片由上述薄片提拉機構向上提拉。當生長薄片通過固體擴散源33的區(qū)域時，從擴散源33熱驅動的摻雜劑離子擴散進入薄片40的表面和內部。通過控制源33的溫度、薄片40的提拉速率、源33的垂直位置、和源33與薄片40之間的間隔距離，可以在薄片40內提供期望的擴散雜質的濃度量和深度。提拉速率、源33與薄片表面41之間的間隔距離和源33的溫度一般均是根據經驗來確定。一般溫度范圍在900℃至1000℃。一般薄片提拉速率在1.5cm/分左右。一般源33與薄片表面41之間的間隔距離在約100密耳。
雖然在圖1和2的實旋例中的設置采用僅靠近薄片40一個主表面的單面擴散源33，也可在托架34內設置第二擴散源，面對生長薄片40的另一主表面42，以便向生長薄片40的兩個表面提供連續(xù)摻雜劑擴散。
圖1和2所示實施例中，通過控制爐溫來控制垂直發(fā)熱元件31、托架34和擴散源33的溫度，利用經過護板35的熱傳導和爐內環(huán)境溫度對元件31、34和33加熱。圖3和4的實施例展示了第一變形實例，其中元件31、33和34的溫度還由附加的加熱線圈控制。參看圖3和4，其中與圖1和2共有的元件由相同的參考標號表示，圍繞垂直發(fā)熱元件31設置多個RF附加加熱器線圈50，對垂直發(fā)熱元件31、托架34和固體擴散源33提供附加加熱。如同圖1和2的實施例一樣，圖3和4的實施例也可包括面對生長薄片40的主表面42設置的第二擴散源。
圖5和6展示了本發(fā)明的又一種變形實例。此實施例中，快速升溫外加熱器夾具60安裝在爐10外的加熱器支撐立柱62上，靠近出口12，對生長薄片提供附加的加熱。托架34和固體擴散源33均位于外加熱器夾具60內，為這些元件提供容易的出口，以利方便擴散源33的安裝和移走。此外，圖5和6的實施例取消了垂直發(fā)熱元件31。
正如目前所了解的，本發(fā)明可使摻雜劑材料現(xiàn)場擴散進從熔化坩堝引出的生長枝狀晶薄片的一個或兩個主表面。這種設置避免了必須提供氣體摻雜劑擴散源及這種擴散源設置帶來的缺點。此外，固體平面擴散源可容易地安裝于源托架或者從其中取走，利用桿36可以容易地調節(jié)固體擴散源33的垂直位置，以此提供源溫度調節(jié)。也許更重要的是，本發(fā)明無需用于枝狀晶薄片形成工藝的分離擴散站，這導致生產設備更緊湊并在生產枝狀晶薄片光伏電池時簡化了安裝、初始設置和工藝操作。
雖然以上提供了對本發(fā)明優(yōu)選實施例的全面完整的公開，但是如果需要可以采用各種改進、變形結構及等同物。因此，上述說明及展示并不應構成對本發(fā)明范圍的限制，本發(fā)明的范圍由權利要求書確定。
權利要求
1.一種枝狀晶薄片光生伏打結晶帶的制造方法，包括以下步驟(1)通過沿一路徑從熔料源提拉熔融材料并使熔融材料冷卻，從爐中的熔料源生長具有兩個主表面的枝狀晶薄片；(2)當沿該路徑提拉生長薄片時，使生長薄片的兩個主表面中的至少一個暴露于被加熱至擴散溫度的固體摻雜劑材料。
2.根據權利要求1的方法，其中，所述暴露步驟(2)包括把生長薄片的兩個主表面暴露于固體摻雜劑材料的步驟。
3.根據權利要求2的方法，其中，所述暴露步驟包括把主表面之一暴露于第一摻雜劑材料，另一主表面暴露于第二摻雜劑材料的步驟。
4.根據權利要求3的方法，其中，第一和第二摻雜劑材料提供相反導電類型的摻雜劑。
5.根據權利要求1的方法，其中，所述暴露步驟(2)包括在靠近熱源的托架上放置固體摻雜劑材料，把固體摻雜劑材料加熱至擴散溫度的步驟。
6.根據權利要求5的方法，其中，所述放置步驟包括提供固體發(fā)熱元件并加熱該發(fā)熱元件的步驟。
7.根據權利要求6的方法，其中，所述加熱步驟通過把發(fā)熱元件置于爐子所含熱量中來完成。
8.根據權利要求6的方法，其中，所述加熱步驟通過用加熱線圈對發(fā)熱元件加熱來完成。
9.根據權利要求1的方法，其中，所述暴露步驟(2)在爐內完成。
10.根據權利要求1的方法，其中，爐子具有薄片出口；所述暴露步驟(2)在爐外完成。
11.根據權利要求10的方法，其中，所述暴露步驟(2)包括靠近出口設置熱源，把固體摻雜劑材料放置成與靠近出口的熱源呈熱接觸的步驟。
12.一種枝狀晶薄片光伏結晶帶的制造設備，包括具有產生晶體生長材料的熔料源的裝置和出口的爐子；從熔料源沿一路徑經過出口提拉熔融材料，以便當沿該路徑提拉熔融材料時生長具有兩個主表面的枝狀晶薄片的裝置；沿該路徑布置的固體摻雜劑材料，與所述枝狀晶薄片的所述兩個主表面中的至少一個呈面對關系；把所述固體摻雜劑材料加熱至擴散溫度，以使生長枝狀晶薄片暴露于所述固體摻雜劑材料，從而在所述兩個主表面中的所述至少一個中形成擴散層的裝置。
13.根據權利要求12的設備，還包括沿該路徑安裝的托架，用于接受所述固體摻雜劑材料。
14.根據權利要求13的設備，其中所述托架位于爐內。
15.根據權利要求13的設備，其中所述托架位于爐外并靠近所述出口。
16.根據權利要求12的設備，其中對所述固體摻雜劑材料加熱的裝置包括沿該路徑設置的發(fā)熱元件并至少部分地圍繞摻雜劑材料，所述固體摻雜劑材料設置成與發(fā)熱元件熱接觸。
17.根據權利要求16的設備，其中對所述發(fā)熱元件加熱的所述裝置還包括對所述發(fā)熱元件加熱的加熱線圈。
18.根據權利要求16的設備，其中所述加熱裝置位于所述爐內。
19.根據權利要求16的設備，其中所述加熱裝置位于所述爐外，并靠近所述出口。
20.根據權利要求12的設備，其中，所述固體摻雜材料包括與所述生長枝狀晶薄片的所述第一和第二主表面中之一呈面對關系的第一摻雜劑材料元件，和與所述生長枝狀晶薄片的所述第一和第二主表面中另一個呈面對關系的第二摻雜劑材料元件，以使所述第一和第二摻雜劑材料元件中的每一個對所述生長枝狀晶薄片的相應主表面起到擴散源的作用。
21.根據權利要求20的設備，其中，所述第一和第二摻雜劑材料元件提供相反導電類型的摻雜劑。
全文摘要
枝狀晶薄片形成工藝和設備,用于把摻雜劑雜質擴散進生長枝狀晶薄片,制造光伏電池。固體摻雜劑擴散源放置于安裝在垂直發(fā)熱元件的托架中,垂直發(fā)熱元件位于熔化爐內或者位于爐外并靠近出口。利用爐熱量作為熱源由來自垂直發(fā)熱元件和源托架的熱傳導加熱固體擴散源。也可以圍繞垂直發(fā)熱元件設置附加加熱器線圈,控制固體擴散源的溫度。源和托架也可安裝在爐外并靠近出口,并用第二快速升溫外加熱器加熱。作為薄片生長工藝的一部分,把生長枝狀晶薄片暴露于摻雜劑雜質無需分離的擴散氣體站和處理。
文檔編號H01L31/18GK1202540SQ9712255
公開日1998年12月23日 申請日期1997年10月4日 優(yōu)先權日1996年10月4日
發(fā)明者巴拉克里希南·R·貝蒂 申請人:埃伯樂太陽能公司