專利名稱：一種顆粒硅帶的制備方法及其專用設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可作多晶硅薄膜太陽電池襯底材料的顆粒硅帶的制備方法及其使用該方法制備顆粒硅帶的專用設(shè)備。
背景技術(shù)：
硅基太陽電池的發(fā)展一直面臨的主要問題，一是提高光電轉(zhuǎn)換效率；二是降低生產(chǎn)成本。從目前的發(fā)展狀況來看，熔鑄多晶硅太陽電池在一定程度上降低了生產(chǎn)成本，但和單晶硅電池一樣存在大量切片損失，難以大幅度降低生產(chǎn)成本；非晶硅薄膜電池雖在成本上有明顯的優(yōu)勢，但光疲勞效應(yīng)嚴重地制約了其發(fā)展空間。研究表明，多晶硅薄膜電池的光電轉(zhuǎn)換效率可接近單晶硅電池，并且具有性能穩(wěn)定的特點，在廉價襯底材料上制備多晶硅電池，可大幅度降低生產(chǎn)成本，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。就目前的技術(shù)發(fā)展來看，廉價襯底材料的制備是必須首先解決的關(guān)鍵問題。目前襯底材料一般是通過制備塊狀多晶硅材料，再將其切割成片狀材料，塊狀多晶硅除了制備成本高之外，將其切割成片狀會造成相當大的損失，這是造成襯底成本高而無法降低多晶硅薄膜電池生產(chǎn)成本的重要原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種低成本的制備顆粒硅帶的方法，這樣得到的顆粒硅帶在經(jīng)過化學處理后可達到作為多晶硅薄膜太陽電池襯底的要求，可避免由于切片而造成的損失。
本發(fā)明方法的基本原理是通過光學加熱使硅粉表面熔化，熔融后的硅熔液滲流至硅粉顆粒間隙，冷卻后形成一面仍可辨認出原始硅粒形態(tài)的帶狀硅，即所謂顆粒硅帶。
本發(fā)明采用的制備工藝包括以下步驟(1)將硅粉平鋪于石英板或石墨板上形成硅粉層；(2)在惰性氣體保護下，對硅粉層進行預(yù)加熱，預(yù)加熱溫度為400-800℃；(3)使經(jīng)預(yù)加熱后的硅粉層以基本均勻的速度通過一個有惰性氣體保護的線聚焦加熱區(qū)進行聚焦區(qū)熔，使硅粉表面熔化，線聚焦溫度控制在1420-1480℃；(4)使硅帶自然冷卻，即形成顆粒硅帶。
在本發(fā)明方法中，用于制備顆粒硅帶的硅粉的形態(tài)可選擇具有良好流動性的球狀或接近球狀硅粉，硅粉顆粒直徑以50-600μm為宜，最好選用硅粉顆粒直徑在200-600μm范圍，這樣可使硅帶表面具有較好的平整度和表面質(zhì)量。
在本方法的第(1)步中，可控制所形成的硅粒層的厚度在1-3mm左右范圍，以使制得的硅帶具有合適的厚度。
為防止在硅帶制備過程中，高溫下熔融的硅被粘結(jié)在支承板上(石英板或石墨板)，可在硅粉層與作為支撐板的石英板或石墨板之間設(shè)置(可在板上噴涂)一層主要成分為Al2O3或CrO2或BN的隔離層。
在第(3)步中，所說的線聚焦加熱區(qū)采用從上下兩側(cè)對硅粉層進行線聚焦區(qū)熔加熱。聚焦區(qū)熔的速度可控制在200mm/min以下的范圍內(nèi)，最好控制在30mm/min左右。
用于實現(xiàn)本發(fā)明顆粒硅帶的制備方法的裝置的技術(shù)方案，其特征在于具有一個機械傳送機構(gòu)和可由該機構(gòu)驅(qū)動而水平向前傳動的石英或石墨傳輸板，在傳輸板的傳輸路徑上按前后順序依次設(shè)置加料漏斗、預(yù)加熱區(qū)、線聚焦加熱區(qū)和自然冷卻區(qū)；所說的預(yù)加熱區(qū)由分別設(shè)置于傳輸板上下兩側(cè)的兩排非聚焦鹵鎢燈管構(gòu)成；所說的線聚焦加熱區(qū)由分別設(shè)置于傳輸板上下兩側(cè)的兩個帶有光學線聚焦反射罩的鹵鎢燈管組件形成。
所說的線聚焦加熱區(qū)的帶有光學線聚焦反射罩的鹵鎢燈管組件，其光學線聚焦反射罩采用雙橢圓形反射燈罩，有4支鹵鎢燈管分別設(shè)置于雙橢圓形反射燈罩的焦點位置，還有4支起輔助加熱作用的鹵鎢燈管設(shè)置于雙橢圓形反射燈罩內(nèi)的非焦點位置。
用本裝置制備顆粒硅帶的過程是(1)加料和傳送將硅粒由加料漏斗平鋪在作為支撐的石英板或石墨板上，通過機械傳送機構(gòu)傳輸至預(yù)加熱區(qū)；(2)預(yù)加熱區(qū)在惰性氣體保護下，對硅粉層進行預(yù)加熱除氣及蒸發(fā)低熔點雜質(zhì)，然后傳輸至線聚焦加熱區(qū)；(3)在線聚焦加熱區(qū)，于惰性氣體保護下，硅粉層通過帶有線聚焦反射罩的鹵鎢燈從上下兩側(cè)進行線狀區(qū)加熱，使硅粉表面熔化，通過控制傳送機構(gòu)的傳輸速度控制硅帶晶體的生長速度。
(4)生成的硅帶晶體繼續(xù)傳輸至冷卻區(qū)，形成顆粒硅帶。
整個過程是連續(xù)進行的。
本發(fā)明提出了一種制備所謂顆粒硅帶的方法，該方法所制備的硅帶表面平整，硅帶表面在經(jīng)過化學處理后可達到作為太陽電池多晶硅外延薄膜沉積的基片的要求，是一種廉價的襯底材料，可大幅度降低多晶硅薄膜電池的生產(chǎn)成本。本發(fā)明的制備顆粒硅帶的方法和裝置，采用光學加熱。便于聚焦，實現(xiàn)定向定位加熱，沒有輻射污染，加熱速率高，工藝簡單，生產(chǎn)成本低。


圖1為制備顆粒硅帶裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1中加熱區(qū)的具體結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
實施例本實施例采用如圖1所示的顆粒硅帶制備裝置。在本裝置中，1為傳輸支撐板(用石英材料制造)，2為機械傳送裝置，通過該裝置可驅(qū)動傳輸支撐板1沿水平方向向前連續(xù)平移，在傳輸板的傳輸路徑上按前后順序依次設(shè)置加料漏斗3、預(yù)加熱區(qū)4、線聚焦加熱區(qū)5和自然冷卻區(qū)6；在預(yù)加熱區(qū)由分別設(shè)置于傳輸板上下兩側(cè)的兩排共8支非聚焦鹵鎢燈管41、42、43、44、45、46、47、48構(gòu)成；在線聚焦加熱區(qū)由分別設(shè)置于傳輸支撐板上下兩側(cè)的兩個帶有光學線聚焦反射罩的鹵鎢燈管組件形成，其光學線聚焦反射罩50采用雙橢圓形反射燈罩，有4支鹵鎢燈管51、52、53、54分別設(shè)置于雙橢圓形反射燈罩50的焦點位置，還有4支起輔助加熱作用的鹵鎢燈管55、56、57、58設(shè)置于雙橢圓形反射燈罩50內(nèi)的非焦點位置。其預(yù)加熱區(qū)和線聚焦加熱區(qū)的各部件安裝在裝置的支架上(如圖2所示)。制備顆粒硅帶的具體流程是在惰性氣體保護下，用加料漏斗3將粒度為250～600μm的球形電子級硅粉均勻致密地平鋪在石英傳輸支撐板1上，通過機械傳送裝置2將硅粉層先后傳輸至預(yù)加熱區(qū)、線聚焦加熱區(qū)和自然冷卻區(qū)，傳送速度調(diào)節(jié)在30mm/min。通過調(diào)節(jié)加料漏斗嘴的寬度，控制硅粉層的厚度在2mm左右。預(yù)加熱區(qū)的溫度控制在600℃左右，在線聚焦加熱區(qū)，由傳輸板上下兩側(cè)的兩個帶有光學線聚焦反射罩的鹵鎢燈管組件所形成的線聚焦區(qū)熔帶的加熱溫度為1420℃左右。硅粉層經(jīng)過線聚焦加熱區(qū)區(qū)熔，熔化后的硅熔液滲流至硅粉顆粒間隔，并在自然冷卻后將顆粒粘結(jié)在一起，形成所謂顆粒硅帶11。由本工藝所制備的顆粒硅帶表面呈熔化結(jié)晶狀，光滑平整，具有一定的機械強度和化學穩(wěn)定性，適于用作太陽能電池的襯底材料。
權(quán)利要求
1.一種顆粒硅帶的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)將硅粉平鋪于石英板或石墨板上形成硅粉層；(2)在惰性氣體保護下，對硅粉層進行預(yù)加熱，預(yù)加熱溫度為400-800℃；(3)使經(jīng)預(yù)加熱后的硅粉層以基本均勻的速度通過一個有惰性氣體保護的線聚焦加熱區(qū)進行聚焦區(qū)熔，使硅粉表面熔化，線聚焦溫度控制在1420-1480℃；(4)使硅帶自然冷卻，即形成顆粒硅帶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒硅帶的制備方法，其特征在于所說的線聚焦加熱區(qū)是從上下兩側(cè)對硅粉層進行線聚焦區(qū)熔加熱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒硅帶的制備方法，其特征在于用于制備顆粒硅帶的硅粉的形態(tài)為球狀或接近球狀，硅粉顆粒直徑為50-600μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求4所述的顆粒硅帶的制備方法，其特征在于所說的硅粉顆粒直徑為200-600μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒硅帶的制備方法，其特征在于步驟(1)中，平鋪于石英板或石墨板上的硅粉層厚度為1-3mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒硅帶的制備方法，其特征在于步驟(1)中，硅粉層與作為支撐板的石英板或石墨板之間設(shè)有一層主要成分為Al2O3或CrO2或BN的隔離層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒硅帶的制備方法，其特征在于步驟(3)中，聚焦區(qū)熔的速度控制在200mm/min以下的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求8所述的顆粒硅帶的制備方法，其特征在于步驟(3)中，聚焦區(qū)熔的速度控制在30mm/min。
9.一種用于制備權(quán)利要求1所述的顆粒硅帶的裝置，其特征在于具有一個機械傳送機構(gòu)(2)和可由該機構(gòu)驅(qū)動而水平向前傳動的石英或石墨傳輸板傳輸支撐板(1)，在傳輸支撐板的傳輸路徑上按前后順序依次設(shè)置加料漏斗(3)、預(yù)加熱區(qū)(4)、線聚焦加熱區(qū)(5)和自然冷卻區(qū)(6)；所說的預(yù)加熱區(qū)由分別設(shè)置于傳輸支撐板上下兩側(cè)的兩排非聚焦鹵鎢燈管構(gòu)成；所說的線聚焦加熱區(qū)由分別設(shè)置于傳輸支撐板上下兩側(cè)的兩個帶有光學線聚焦反射罩的鹵鎢燈管組件形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于形成所說的線聚焦加熱區(qū)的帶有光學線聚焦反射罩的鹵鎢燈管組件，其光學線聚焦反射罩采用雙橢圓形反射燈罩(50)，有4支鹵鎢燈管(51、52、53、54)分別設(shè)置于雙橢圓形反射燈罩的焦點位置，還有4支起輔助加熱作用的鹵鎢燈管(55、56、57、58)設(shè)置于雙橢圓形反射燈罩內(nèi)的非焦點位置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可作多晶硅薄膜太陽電池襯底材料的顆粒硅帶的制備方法及其使用該方法制備顆粒硅帶的專用設(shè)備。發(fā)明方法的工藝流程包括將硅粉平鋪于石英板或石墨板上的硅粉層依次通過預(yù)加區(qū)，線聚焦加熱區(qū)和自然冷卻區(qū)。其線聚焦加熱區(qū)為一個分別設(shè)置于傳輸板上下兩側(cè)的兩個帶有光學線聚焦反射罩的鹵鎢燈管組件構(gòu)成的光學加熱區(qū)，硅粉層在該加熱區(qū)經(jīng)線聚焦區(qū)熔，熔化后的硅熔液滲流至硅粉顆粒間隔，并在自然冷卻后將顆粒粘結(jié)在一起，形成所謂顆粒硅帶。由本工藝所制備的顆粒硅帶表面呈熔化結(jié)晶狀，光滑平整，具有一定的機械強度和化學穩(wěn)定性，適于用作太陽能電池的襯底材料，價格低廉。
文檔編號H01L31/18GK1469495SQ0213440
公開日2004年1月21日 申請日期2002年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月19日
發(fā)明者沈輝, 梁宗存, 班群, 王曉晶, 徐彐青, 沈 輝 申請人:中國科學院廣州能源研究所