專(zhuān)利名稱(chēng)：蘸片法制作Ge/Si太陽(yáng)能電池p-n結(jié)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件及其他類(lèi)不包括的固態(tài)器件，更具體地說(shuō)涉及一種蘸 片法制作Ge/Si太陽(yáng)能電池p-n結(jié)的方法。
背景技術(shù)：
p-n結(jié)是多晶硅太陽(yáng)能電池的核心，它所采用材料和制作質(zhì)量將直接影響到太陽(yáng) 能電池的轉(zhuǎn)換效率。硅是應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體，但是硅是間接帶隙半導(dǎo)體，帶隙的寬度一 定，從而限制了它應(yīng)用的進(jìn)一步擴(kuò)展。隨著“能帶工程”和“材料工程”的深入研究，硅基異 質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，為剪裁能帶、設(shè)計(jì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)、調(diào)整電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)、制造新功能器件提供 了有力的保證。多晶SiGe有望成為多晶硅的代替材料。電子和空穴在應(yīng)變Ge中的遷移率 已證明比在硅中明顯高很多，大約是硅的5倍。Si和Ge兩者具有金剛石晶體結(jié)構(gòu)，可以形 成無(wú)限固溶體Sil-x Gex(0<x< 1)，SiGe和Si之間晶格失配度可由0變至4. 2%。通 過(guò)調(diào)節(jié)Ge的組成，使SiGe的電學(xué)、光學(xué)性能得到控制。隨著Ge含量的增加，SiGe間隙減 小，對(duì)于應(yīng)變的SiGe材料尤其明顯，使吸收向紅外波長(zhǎng)方向移動(dòng)，提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換 效率。生長(zhǎng)SiGe異質(zhì)結(jié)材料的主要方法有分子束外延法(MBE)、選擇外延生長(zhǎng)法(SEC)、 超真空化學(xué)氣相外延法(UHV/CVD)和減壓化學(xué)氣相沉積法(RPCVD)等，MBE精度高，能夠?qū)?時(shí)控制，但設(shè)備昂貴，成本高，不易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。CVD方法是氣相物質(zhì)經(jīng)化學(xué)反應(yīng)沉積在襯底 表面形成所需要的外延層的技術(shù)，它能夠有效地減小襯底與外延層的污染，從而獲得高質(zhì) 量的SiGe材料，但它采用的硅烷氣體危險(xiǎn)性很大，剩余的硅烷廢氣容易自然和爆炸，使廢 氣處理消耗高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足之處而提供一種可控制有害物質(zhì)的釋放、減少 對(duì)環(huán)境污染、能大幅度提高太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)、節(jié)約硅鍺原材料、制作工藝簡(jiǎn)單重復(fù) 性好、生產(chǎn)效率高的蘸片法制作Ge/Si太陽(yáng)能電池p-n結(jié)的方法。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)一種蘸片法制作Ge/Si太陽(yáng)能電池p-n結(jié) 的方法，其特殊之處在于，包括以下步驟步聚1，向耐高溫坩鍋內(nèi)n型Si中加入一定比例的高純Ge，加熱熔化形成n型 Si-Ge合金溶液；步驟2，固定器夾持p型多晶硅，對(duì)其襯底自由端面預(yù)熱至一定溫度，其后P型多晶 硅襯底的自由端面快速蘸取n型Si-Ge合金溶液；步驟3，蘸取n型Si-Ge合金溶液后的p型多晶硅襯底緩慢降溫進(jìn)行定向凝固、退 火處理，在P型多晶硅和n型富Ge層界面形成太陽(yáng)能電池的p-n結(jié)。所述步驟1耐熱高溫坩鍋位于封閉式結(jié)構(gòu)內(nèi)，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部保持在高純氬氣狀態(tài) 中，氬氣的純度大于99. 999%。
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所述步驟1在n型Si中加入一定比例的高純Ge，在Si-Ge合金溶液中Ge含量的 原子百分比為10% -80%。所述步驟1加熱熔化形成n型Si-Ge合金溶液，所述加熱熔化的溫度控制在 1450-1500°C。所述步驟2對(duì)p型多晶硅襯底自由端面預(yù)熱，預(yù)熱溫度達(dá)到1000-1200°C。所述步驟2蘸取時(shí)p型多晶硅襯底自由端面進(jìn)入液態(tài)Si-Ge面的深度為 0. 2-0. 8mm,蘸取時(shí)間為0. 3-0. 7s，形成的厚度為100-800 y m的Si_Ge液態(tài)薄膜。所述步驟3緩慢降溫進(jìn)行定向凝固，溫度控制在1000-1200°C，定向凝固時(shí)間 為10-30min，表面形成n型富Ge層，其厚度為100-800 y m，定向凝固后快速冷卻，溫度至 600-700 °C。所述步驟3所述退火處理為帶有富Ge層的多晶硅襯底在退火爐中氬氣保護(hù)下于 600-850°C進(jìn)行退火處理。所述步驟3在p型多晶硅和n型富Ge層界面有緩沖SihGeJO <x< 1)，其厚度 為 90-720 iim。與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于采用了本發(fā)明提出的蘸片法制作Ge/Si太陽(yáng)能電池p-n結(jié) 的方法，整個(gè)工藝過(guò)程是在封閉系統(tǒng)中進(jìn)行的，它利用氬氣保護(hù)，控制有害物質(zhì)的釋放，減 少了對(duì)環(huán)境的污染；通過(guò)P型多晶硅襯底蘸取n型Si-Ge合金溶液，然后進(jìn)行緩慢的定向 凝固使Ge富集在多晶硅襯底表面，所得到的n型摻Ge讓p_n載流子遷移率大大提高，從而 大幅度提高了太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率；在制作P-n結(jié)過(guò)程中，p型多晶硅襯底蘸取n型 Si-Ge合金溶液，使n型合金材料直接凝固在p型多晶硅襯底上，無(wú)Si-Ge合金材料浪費(fèi)現(xiàn) 象，節(jié)省了硅鍺原材料；同時(shí)制作p-n制作工藝簡(jiǎn)單，減少了制作太陽(yáng)能電池的環(huán)節(jié)，重復(fù) 性好，可以大幅度提高生產(chǎn)率，對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)具有重要的意義。


圖1為p型多晶硅襯底固定在機(jī)械夾持器上蘸取n型液態(tài)Si-Ge后示意圖。圖2為已形成p型多晶硅襯底形成富Ge結(jié)構(gòu)示意圖。其中1-機(jī)械夾持器，2-自動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，3-p型多晶硅襯底，4、7_保溫層，5-n 型Si-Ge合金溶液，6-n型Si_Ge合金溶液控溫鍋，8_n型Si_Ge合金溶液薄層，9-富Ge層， 10—Sil-xGex(0 < x < 1)緩沖層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的步驟1 :向耐高溫坩鍋6內(nèi)n型Si中加入一定比例的高純Ge，然后加熱 熔化形成n型Si-Ge合金溶液5。本發(fā)明制作Ge/Si太陽(yáng)能電池p_n結(jié)的整個(gè)設(shè)備是封閉 式的，首先在耐高溫坩鍋內(nèi)按比例加入n型Si和高純Ge，在Si-Ge合金溶液中Ge含量的原 子百分比為10% -80%。然后用真空泵對(duì)加熱系統(tǒng)、降溫系統(tǒng)和退火系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，然后 充入高純度氬氣；如此反復(fù)多次清洗系統(tǒng)，并使整個(gè)設(shè)備內(nèi)部保持在高純氬氣環(huán)境中，氬氣 的純度大于99. 999%。利用氬氣保護(hù)，可控制有害物質(zhì)的釋放，減少了對(duì)環(huán)境的污染。在高 純氬氣保護(hù)氣氛中，在耐高溫坩鍋內(nèi)加熱熔化形成n型Si-Ge合金溶液5，通過(guò)保溫層4、7進(jìn)行保溫，所述加熱熔化的溫度控制在1450-1500°C范圍內(nèi)。這是由于Si和Ge兩者具有金 剛石晶體結(jié)構(gòu)，可以形成無(wú)限固溶體Sil-x Gex(0 < x < 1)，隨著Ge含量的增加，SiGe間 隙減小，可提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。步驟2 固定器夾持p型多晶硅，對(duì)其襯底自由端面預(yù)熱，然后p型多晶硅襯 底3的自由端面快速蘸取n型Si-Ge合金溶液。所述對(duì)其襯底自由端面預(yù)熱的溫度為 1000-1200°C。固定器為帶有升降和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的機(jī)械夾持器1，把p型多晶硅襯底的一面固 定在機(jī)械夾持器上，另一面自由端面為蘸取面。通過(guò)自動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2將p型多晶硅襯 底3移動(dòng)至n型Si-Ge合金溶液5液面以上。自動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2本身帶有液面探測(cè)器， 它將檢測(cè)n型Si-Ge合金溶液液面的高度，并把檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸給自動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)系 統(tǒng)2，自動(dòng)控制系統(tǒng)2控制傳動(dòng)部件，根據(jù)設(shè)置好的工藝參數(shù)，確定p型多晶硅襯底3進(jìn)入 Si-Ge合金溶液時(shí)下降的深度。蘸取時(shí)p型多晶硅襯底自由端面進(jìn)入液態(tài)Si-Ge面的深度 為0. 2-0. 8mm,蘸取時(shí)間為0. 3-0. 7s，形成的厚度為100-800 y m的Si_Ge液態(tài)薄膜8。蘸取 n型Si-Ge的速度和深度通過(guò)夾持器的自動(dòng)控制來(lái)完成。圖1為p型多晶硅襯底固定在機(jī) 械夾持器上蘸取n型液態(tài)Si-Ge后示意圖。步驟3 蘸取Si-Ge溶液后的多晶硅襯底緩慢降溫進(jìn)行定向凝固。為讓蘸取的n 型Si-Ge液態(tài)薄膜不過(guò)快的凝結(jié)影響其表層n型富Ge層的形成，緩慢降溫進(jìn)行定向凝固是 必須的。其溫度控制在1000-1200°C，定向凝固時(shí)間為10-30min，表面形成n型富Ge薄層 9，其厚度為10-80iim，定向凝固后快速冷卻，溫度至600-700°C。其后進(jìn)行退火處理，所述 退火處理為帶有富Ge層的多晶硅襯底在退火爐中氬氣保護(hù)下于600-850°C進(jìn)行退火處理。 經(jīng)過(guò)定向凝固和退火處理后，使P型多晶硅表面形成n型富Ge薄層，在它們中間具有緩沖 層SihGeJO <x< 1) 10，其厚度為90-720 y m，這樣就形成了太陽(yáng)能電池所需要的p-n結(jié)。 圖2為已形成p型多晶硅襯底形成富Ge結(jié)構(gòu)示意圖。下面例舉實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明實(shí)例1 在控溫鍋6內(nèi)加入n型多晶硅及定比例的Ge，令其Si-Ge合金溶液5中Ge 含量的原子百分比為20%，然后封閉整個(gè)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)保持在高純氬氣環(huán)境中。加熱控溫 鍋，n型多晶硅及適量的Ge充分溶解，保持Si-Ge合金溶液的溫度為1450°C。固定器夾持 P型多晶硅，將P型多晶硅襯底自由端面進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為1200°C，其進(jìn)入液態(tài)Si-Ge 面的深度控制在0. 2mm,蘸取時(shí)間為0. 3秒。為保證在p型多晶硅襯底上蘸取的Si_Ge合金 溶液薄層不被快速凝固，將蘸取n型Si-Ge合金溶液的p型多晶硅襯底迅速移到冷卻系統(tǒng) 中緩慢降溫進(jìn)行定向凝固，使其溫度降到1200°C，將在表面富集Ge層，其厚度為27 u m,緩 沖層SihGeJO <x< 1)10的厚度為82um0然后快速冷卻，使其降溫到600°C，然后進(jìn)入 退火系統(tǒng)在850°C下進(jìn)行退火處理，最后得到太陽(yáng)能電池Si/Ge型p_n結(jié)。實(shí)施例2 其他條件同實(shí)施例1，令其Si-Ge合金溶液中Ge含量的原子百分比為 40%，n型Si-Ge合金溶液溫度控制在1475°C，p型多晶硅襯底預(yù)熱溫度達(dá)到1100°C，p型多 晶硅襯底快速蘸取n型Si-Ge合金溶液，進(jìn)入液面的深度控制在0. 4mm，蘸取時(shí)間為0. 4秒， 然后快速放入冷卻系統(tǒng)進(jìn)行定向凝固，使溫度降到1100°C，將在表面富集Ge層，其厚度為 145 ym，緩沖層SihGeJO < x < 1)的厚度為257 y m。然后快速冷卻，使其降溫到700 然后進(jìn)入退火系統(tǒng)同樣在850°C下進(jìn)行退火處理，最后得到太陽(yáng)能電池Si/Ge型p_n結(jié)。實(shí)施例3 其他條件同實(shí)施例1，令其Si-Ge合金溶液中Ge含量的原子百分比為60%，n型Si-Ge合金溶液溫度控制在1480°C，p型多晶硅襯底預(yù)熱溫度達(dá)到1000°C，p型 多晶硅襯底快速蘸取n型Si-Ge合金溶液，進(jìn)入液面的深度控制在0. 6mm，蘸取時(shí)間為0. 7 秒，然后快速放入冷卻系統(tǒng)進(jìn)行定向凝固，使溫度降到1000°C，將在其表面富集Ge層，其 厚度為196 ym，緩沖層SihGeJO < x < 1)的厚度為635 y m。然后快速冷卻，使其降溫到 700°C，然后進(jìn)入退火系統(tǒng)同樣在850°C下進(jìn)行退火處理，最后得到太陽(yáng)能電池Si/Ge型p_n 結(jié)。 上述實(shí)施例并不購(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制，凡采用等同替換或等效變換的形式所獲得 的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種蘸片法制作Ge/Si太陽(yáng)能電池p-n結(jié)的方法，其特征在于，包括以下步驟步聚1，向耐高溫坩鍋內(nèi)n型Si中加入一定比例的高純Ge，加熱熔化形成n型Si-Ge合金溶液；步驟2，固定器夾持p型多晶硅，對(duì)其襯底自由端面預(yù)熱至一定溫度，其后p型多晶硅襯底的自由端面快速蘸取n型Si-Ge合金溶液；步驟3，蘸取n型Si-Ge合金溶液后的p型多晶硅襯底緩慢降溫進(jìn)行定向凝固、退火處理，在p型多晶硅和n型富Ge層界面形成太陽(yáng)能電池的p-n結(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蘸片法制作Ge/Si太陽(yáng)能電池ρ-η結(jié)的方法，其特征于所述 步驟1耐熱高溫坩鍋位于封閉式結(jié)構(gòu)內(nèi)，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部保持在高純氬氣狀態(tài)中，氬氣的純度 大于 99. 999% ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蘸片法制作Ge/Si太陽(yáng)能電池ρ-η結(jié)的方法，其特征在于所 述步驟1在η型Si中加入一定比例的高純Ge，在Si-Ge合金溶液中Ge含量的原子百分比 為 10% -80%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蘸片法制作Ge/Si太陽(yáng)能電池ρ-η結(jié)的方法，其特征在于所 述步驟1加熱熔化形成Si-Ge合金，加熱熔化的溫度控制在1450-1500°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蘸片法制作Ge/Si太陽(yáng)能電池ρ-η結(jié)的方法，其特征在于所 述步驟2對(duì)ρ型多晶硅襯底自由端面預(yù)熱，預(yù)熱溫度達(dá)到1000-1200°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蘸片法制作Ge/Si太陽(yáng)能電池ρ-η結(jié)的方法，其特征在于所 述步驟2所述蘸取時(shí)ρ型多晶硅襯底自由端面進(jìn)入液態(tài)Si-Ge面的深度為0. 2-0. 8mm,蘸取 時(shí)間為0. 3-0. 7s,形成的厚度為100-800 μ m的Si-Ge液態(tài)薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蘸片法制作Ge/Si太陽(yáng)能電池ρ-η結(jié)的方法，其特征在于所 述步驟3緩慢降溫進(jìn)行定向凝固，溫度控制在1000-1200°C，定向凝固時(shí)間為10-30min，表 面形成η型富Ge層，其厚度為100-800 μ m,定向凝固后快速冷卻，溫度至600_700°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蘸片法制作Ge/Si太陽(yáng)能電池ρ-η結(jié)的方法，其特征在于所 述步驟3退火處理為帶有富Ge層的多晶硅襯底在退火爐中氬氣保護(hù)下于600-850°C進(jìn)行退 火處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蘸片法制作Ge/Si太陽(yáng)能電池ρ-η結(jié)的方法，其特征在于 所述步驟3所述在ρ型多晶硅和η型富Ge層界面有緩沖SihGex(C) < χ < 1),其厚度為 90-720 μm0
全文摘要
本發(fā)明涉及一種蘸片法制作Ge/Si太陽(yáng)能電池p-n結(jié)的方法。其包括以下步驟在封閉式且在高純氬氣保護(hù)氣氛中，向耐高溫坩鍋內(nèi)n型Si中加入一定比例的高純Ge，加熱熔化形成Si-Ge合金溶液；固定器夾持p型多晶硅，對(duì)其襯底自由端面預(yù)熱至一定溫度，其后快速蘸取n型Si-Ge合金溶液；然后緩慢降溫進(jìn)行定向凝固、退火處理，在p型多晶硅和n型富Ge層界面形成太陽(yáng)能電池的p-n結(jié)。本發(fā)明利用氬氣保護(hù)，控制有害物質(zhì)的釋放，減少了對(duì)環(huán)境的污染；通過(guò)p型多晶硅襯底蘸取n型Si-Ge合金溶液，然后進(jìn)行緩慢的定向凝固使Ge富集在多晶硅襯底表面，所得富Ge層大大提高了其載流子遷移率，從而大幅度提高了太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明制作工藝簡(jiǎn)單、無(wú)材料浪費(fèi)，對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)具有重要的意義。
文檔編號(hào)H01L31/18GK101853895SQ20091004870
公開(kāi)日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2009年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月1日
發(fā)明者趙百通, 高文秀 申請(qǐng)人:高文秀