1.本申請涉及單晶硅片制造，具體涉及一種可用于太陽能電池的單晶硅片材的制造方法。

背景技術(shù)：

2.硅的單晶體，是一種具有基本完整的點陣結(jié)構(gòu)的晶體。不同的方向具有不同的性質(zhì)，是一種良好的半導(dǎo)材料。用高純度的多晶硅在直拉或者區(qū)熔單晶爐內(nèi)熔融拉制而成，拉制的晶棒通過帶鋸或者線鋸切片機切割出硅片。近年來也出現(xiàn)了使用鑄錠的方法鑄造單晶硅錠，其晶體質(zhì)量低于直拉或者區(qū)熔法單晶，僅僅在光伏行業(yè)使用。單晶硅片用于制造半導(dǎo)體器件、太陽能電池等。

3.傳統(tǒng)的單晶硅片技術(shù)的技術(shù)路線圖為：

4.首先，使用石英砂(成分主要為二氧化硅及雜質(zhì))同焦炭在電爐內(nèi)進行冶煉還原得到98％左右的金屬硅(雜質(zhì)主要為鋁鐵鈣等金屬成分)。

5.其次，使用金屬硅同鹵族化合物反應(yīng)，通過化學(xué)提純得到高純的鹵代硅烷。通常為三氯氫硅，四氯化硅，二路二氫硅，六氯化二硅。也有進一步通過反歧化反應(yīng)獲得硅烷。

6.然后，將這些高純的三氯氫硅，或者硅烷等作為前驅(qū)體通入還原爐或者流化床等反應(yīng)設(shè)備。還原爐可制得成對的硅棒，流化床則制得球狀的顆粒硅。

7.再然后，將破碎的硅棒或者顆粒硅填入石英坩堝，通過直拉法(也稱cz法，切氏法，柴氏法)或者區(qū)熔法(fz法)制得單晶圓棒，或者鑄錠法制得準單晶或者多晶硅錠。

8.最后，將硅錠或者硅棒去邊皮，頭尾，開方，然后使用帶鋸或者線鋸切割成為硅片。

9.通常來說，硅錠或者硅棒去邊皮，頭尾，開方，將余下大量邊角料。帶鋸或者線鋸切割硅片的時候，由于帶鋸的刃片和線鋸的鋼線都有一定厚度，刃片和鋼線接觸到的硅錠硅棒被機械粉碎后進入切削液，這稱作刃口或者切割損失。目前的太陽能硅片的技術(shù)，硅片厚度為150-180微米，刃口損失在80微米之間，不久的將來可能推進至僅有50微米刃口損失。這些邊角料加刃口損失合計高達50％左右，即僅有50％的高純多晶硅原料成為了硅片。并且多晶硅原料的還原工藝是一千多攝氏度高溫(硅烷流化床略低為600-800攝氏度)下的工藝，而拉晶需要將硅料融化，加熱超過一千四百多度，在中國多晶硅原料工廠和單晶硅工廠普遍建設(shè)自備電廠，或者遷移到新疆內(nèi)蒙等電價低的坑口電廠(指電廠建設(shè)在煤礦的坑口，以免去煤炭運輸?shù)某杀?使用電廠的直供電以省去電網(wǎng)的上網(wǎng)費或者水電豐富的地區(qū)利用豐水期的低價水電以降低生產(chǎn)的電力成本。此外，拉制單晶需要石英坩堝，石墨坩堝，石墨加熱器，線鋸的鋼線都是耗材，帶來很多成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

10.本申請?zhí)峁┝艘环N不使用高純度多晶硅，熔融制備晶體，切割晶體的傳統(tǒng)路徑，而是直接使用硅烷或者鹵代硅烷的前驅(qū)物通過化學(xué)氣相沉積法獲得單晶硅片的高產(chǎn)能低成本技術(shù)。

11.第一方面，本申請的實施方式提供了一種單晶硅片材的制造方法，包括：

12.沿單晶硅棒材的徑向或軸向方向切割所述單晶硅棒材，獲得單晶硅基板；

13.通過濕法腐蝕，對所述單晶硅基板的頂面和底面蝕刻多孔硅結(jié)構(gòu)；

14.通過化學(xué)氣相沉積，在所述多孔硅結(jié)構(gòu)上沉積單晶硅薄層，使得所述單晶硅薄層的厚度達到預(yù)定值；以及

15.從所述多孔硅結(jié)構(gòu)上剝離所述單晶硅薄層，獲得所述單晶硅片材。

16.在一些實施方式中，通過濕法腐蝕，對所述單晶硅基板的頂面和底面蝕刻多孔硅結(jié)構(gòu)還包括，將一對負電極分別設(shè)置于所述單晶硅基板的所述頂面和所述底面，并施加電流，同時在所述頂面和所述底面蝕刻所述多孔硅結(jié)構(gòu)。

17.在一些實施方式中，通過化學(xué)氣相沉積，在所述多孔硅結(jié)構(gòu)上沉積單晶硅薄層還包括，將所述單晶硅基板設(shè)置在用于所述化學(xué)氣相沉積的反應(yīng)腔內(nèi)的托架上，加熱所述單晶硅基板，并向所述反應(yīng)腔通入前驅(qū)物氣體，使所述前驅(qū)物氣體接觸所述頂面和所述底面的所述多孔硅結(jié)構(gòu)，從而使得在所述多孔硅結(jié)構(gòu)上沉積所述單晶硅薄層。

18.在一些實施方式中，從所述多孔硅結(jié)構(gòu)上剝離所述單晶硅薄層，獲得所述單晶硅片材還包括，在剝離所述單晶硅薄層之前，根據(jù)所需的所述單晶硅片材的尺寸，對所述單晶硅薄層截斷至所述多孔硅結(jié)構(gòu)，剝離經(jīng)截斷的所述單晶硅薄層，獲得所述單晶硅片材；或者

19.從所述多孔硅結(jié)構(gòu)上剝離所述單晶硅薄層，根據(jù)所需的所述單晶硅片材的尺寸，對經(jīng)剝離的所述單晶硅薄層進行截斷，獲得所述單晶硅片材。

20.在一些實施方式中，在剝離所述單晶硅薄層之前，還包括，將所述頂面和所述底面沉積有所述單晶硅薄層的所述單晶硅基板放入太陽能電池工藝設(shè)備，在每個所述單晶硅薄層上實施太陽能電池的單面制備工藝。

21.在一些實施方式中，還包括，在進行所述化學(xué)氣相沉積時，收集來自于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)的尾氣，所述尾氣包括未參與所述反應(yīng)的前驅(qū)物氣體、摻雜氣體、以及所述反應(yīng)的副產(chǎn)物氣體；

22.將收集的所述尾氣通過分離裝置，分離得到未參與所述反應(yīng)的前驅(qū)物氣體和所述反應(yīng)的副產(chǎn)物氣體；以及

23.將分離得到未參與所述反應(yīng)的前驅(qū)物氣體用于所述化學(xué)氣相沉積，和/或?qū)⒎蛛x得到所述副產(chǎn)物氣體作為原料合成所述前驅(qū)物氣體用于所述化學(xué)氣相沉積。

24.在一些實施方式中，還包括，在從所述多孔硅結(jié)構(gòu)上剝離所述單晶硅薄層之后，通過濕法腐蝕，對所述單晶硅基板的頂面和底面蝕刻多孔硅結(jié)構(gòu)；

25.通過化學(xué)氣相沉積，在所述多孔硅結(jié)構(gòu)上沉積單晶硅薄層，使得所述單晶硅薄層的厚度達到預(yù)定值；以及

26.從所述多孔硅結(jié)構(gòu)上剝離所述單晶硅薄層，獲得所述單晶硅片材。

27.在一些實施方式中，還包括，當(dāng)所述單晶硅基板的厚度下降到下限閾值時，通過停止蝕刻所述多孔硅結(jié)構(gòu)并在所述單晶硅基板沉積所述單晶硅薄層，增加所述單晶硅基板的厚度。

28.在一些實施方式中，所述單晶硅基板的寬度為50mm至500mm、長度為50mm至5m、以及厚度為10um至10mm。

29.本申請的實施方式與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要區(qū)別及其效果在于：

30.根據(jù)本申請的實施方式，能夠提高化學(xué)氣相沉積法直接制作單晶硅硅片法產(chǎn)能，并且將硅片制造的工藝步序同傳統(tǒng)上屬于電池制造的擴散發(fā)射極的工序融合到一起，從而顯著地降低了太陽能單晶硅電池的制造成本，例如：

31.1、單晶硅基板雙面同時沉積單晶硅薄膜硅片，將化學(xué)氣相沉積設(shè)備的產(chǎn)能翻倍，設(shè)備投資成本降低一半；

32.2、單晶硅基板雙面同時蝕刻多孔硅，將多孔硅的制作成本降低一半；

33.3、直拉單晶棒切割使用長方形的雙面單晶硅基板，可以獲得面積大于目前156mm，

34.166mm的方硅片甚至大于210mm方硅片的單晶硅電池，如166mm x 4200mm。由于目前硅片和電池的成本下降迅速，而組件面板的玻璃等成本變化緩慢，因而出現(xiàn)了很多犧牲硅片電池成本以提高組件功率的降低組件成本的技術(shù)，更大面積的硅片有望幫助電池制作組件的工藝部分降低成本；

35.4、雙面沉積的時候，使用了沒有石墨基座(或稱作載板)的設(shè)計。減少了每片1.3美元的石墨基座攤銷成本。確保了化學(xué)氣相沉積直接硅片法的運營成本低于多晶硅硅料+長晶+切片技術(shù)路徑；

36.5、將沉積過單晶硅薄膜的單晶硅基板不剝離出單晶硅片，而是整體進入電池設(shè)備進行電池工藝?？墒∪ケ趁嫜谀３练e，去除掩模兩步工藝，可以減少約10％的電池制作的投資和成本；

37.6、進一步使用原位化學(xué)氣相沉積制作外延反射極，可以進一步減少電池設(shè)備的投入；

38.7、減少了去切割損傷的清洗設(shè)備的投入；

39.8、使用多孔硅作為背面陷光結(jié)構(gòu)，進一步提升電池效率；

40.9、分離提純循環(huán)使用化學(xué)氣相沉積設(shè)備的尾氣，可以降低10％-17％的成本；

41.10、使用化學(xué)氣相沉積法循環(huán)使用被刻蝕多孔硅之后變薄的基板，進一步降低成本約2.8-5.1％。

附圖說明

42.圖1為一個單晶硅基板上雙面蝕刻有多孔硅結(jié)構(gòu)，多孔硅之上通過化學(xué)氣相沉積有單晶硅薄膜的示意圖。

43.圖2為通過直拉單晶圓棒截取正方形單晶硅基板和截取長方形單晶硅基板的示意圖。

44.圖3為使用以氫氟酸為基底的電解液在單晶硅基板上雙面同時蝕刻多孔硅電氣及設(shè)備示意圖。

45.圖4為使用以氫氟酸為基底的電解液在單晶硅基板上以in-line連續(xù)方式雙面同時蝕刻多孔硅電氣及設(shè)備示意圖。

46.圖5為本申請所使用的無基座/載板單晶硅基板上雙面沉積單晶硅薄膜的化學(xué)氣相沉積設(shè)備示意圖。

47.圖6為雙面多孔硅上生長單晶硅薄膜結(jié)構(gòu)情況下，省略掩模和除掩模工藝，尚未剝離制作背面工藝的n型topcon高效太陽能電池的一個截面示意圖。

48.圖7為化學(xué)氣相沉積設(shè)備的尾氣分離并且循環(huán)使用的bfd流程框圖。

49.圖8為從制備基板開始，制作多孔硅，沉積單晶硅，部分電池正面工藝，閉環(huán)利用前驅(qū)物直至循環(huán)利用基板的一個實施例的bfd流程框圖。

具體實施方式

50.為使本申請實施例的目的和技術(shù)方案更加清楚，下面將結(jié)合本申請實施例的附圖，對本申請實施例的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例是本申請的一部分實施例，而不是全部的實施例?；谒枋龅谋旧暾埖膶嵤├绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員在無需創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本申請保護的范圍。

51.根據(jù)本申請的實施方式，提供一種單晶硅片材的制造方法，包括：

52.沿單晶硅棒材的徑向或軸向方向切割單晶硅棒材，獲得單晶硅基板；

53.通過濕法腐蝕，對單晶硅基板的頂面和底面蝕刻多孔硅結(jié)構(gòu)；

54.通過化學(xué)氣相沉積，在多孔硅結(jié)構(gòu)上沉積單晶硅薄層，使得單晶硅薄層的厚度達到預(yù)定值；以及

55.從多孔硅結(jié)構(gòu)上剝離單晶硅薄層，獲得單晶硅片材。

56.以下參考附圖具體描述上述實施方式，在附圖中，001為沉積的單晶硅薄膜，002為多孔硅層，003為單晶硅基板，003a為常見的正方形單晶硅基板，003b為長方形單晶硅基板，004為單晶硅圓棒，101為白金電極，102為電源正極，103為電解槽，104為電解液，105為反應(yīng)腔，106為紅外加熱器或者感應(yīng)線圈加熱器，107為反應(yīng)腔的進氣，108為反應(yīng)腔的排氣。

57.其中，圖1示出了單晶硅基板的頂面和底面蝕刻多孔硅結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖1所示003的單晶硅基板，通過電化學(xué)方法在003單晶硅基板的正反面制備出雙面的多孔硅層002，在雙面的多孔硅層002之上通過化學(xué)氣相沉積法雙面同時制備單晶硅薄膜。至多孔硅002的孔閉合之后，在多孔硅上生長出足夠需要厚度的單晶硅薄膜，將單晶硅薄膜從多孔硅開孔率最高最疏處通過真空吸盤，楔子插入等方式斷開，甚至輔以激光切斷以加快該過程。由于這個過程一般是沿著遠離基板的撕開，通常被稱作剝離。

58.圖2示出了沿單晶硅棒材的徑向或軸向方向切割單晶硅棒材，獲得單晶硅基板的示意圖。圖2為制備003單晶基板的兩種具體實施方式。003a為沿著單晶(直拉或者區(qū)熔)圓棒的圓周方向切開。該方法可以制備常見的156mm，166mm方硅片形狀的單晶硅基板。在制作多孔硅，沉積單晶硅之后可以直接獲得156mm，166mm方單晶硅薄膜，即制得常見的單晶硅方片。003b為沿著單晶硅棒的長軸方向切開，獲得長方形單晶硅基板，該方法可以制得面積遠超過所謂m12的210x210mm的方片的大(長方形)硅片。如果需要方硅片，則可以將長方形的單晶硅薄膜從基板剝離后截斷成多片方片，或者將單晶硅薄膜截斷至多孔硅后剝離成為多片方片。

59.圖3為在單晶硅基板上雙面制作多孔硅的具體實施方式。003單晶基板，101為成對的對稱布置的白金電極，102為電源正極，103為電解槽，104為腐蝕多孔硅的電解液。一般來說，白金電極需要通過纏繞等方式構(gòu)筑成為平行于單晶硅基板的一個同基板差不多大小的平面，這樣形成并行勻強電流，使得制得的單晶硅基板具有很好的均一性。由于對稱性，該方法可以在基板的兩個正反面制作對稱的多孔硅層，作為后續(xù)化學(xué)氣相沉積的起始表面。

60.圖4為使用in-line勻速連續(xù)生產(chǎn)方式在單晶硅基板上雙面制作多孔硅的具體實施方式。003單晶基板，101為成對的對稱布置的白金電極，102為電源正極，103為電解槽，

104為腐蝕多孔硅的電解液。附圖為側(cè)視圖，即基板水平放置，電極一上一下。in-line勻速連續(xù)生產(chǎn)方式也可以設(shè)計成基板垂直，電極左右布置，即圖4可以視為一個俯視圖。基板從一側(cè)勻速進入電極槽，從另外一側(cè)離開，雙面同時連續(xù)腐蝕多孔硅。由于時空上的對稱性，在一些實施方式中，可以使用和基板等大的平行電極，也可以簡單的使用白金線作為一個或者多個線電極，白金線平行于基板，白金線的方向垂直于基板前進的方向即可?；宓膭蛩偾斑M可以使用滾輪，或者直線電機執(zhí)行。

61.圖5為本申請所使用的無基座/載板單晶硅基板上雙面沉積單晶硅薄膜的化學(xué)氣相沉積設(shè)備實施例。003的基板載入105的反應(yīng)腔，反應(yīng)腔材質(zhì)優(yōu)選為石英，106為紅外加熱器或者感應(yīng)線圈透過反應(yīng)腔對003的基板進行加熱。通過107為反應(yīng)腔的前驅(qū)物入口導(dǎo)入前驅(qū)物加熱后反應(yīng)開始，108為反應(yīng)腔的前驅(qū)物出口。由于，在一些實施方式中，基板可以放置在通常稱為晶舟的托架上，晶舟不會像石墨基座或者載板阻擋基板某一面接觸前驅(qū)物，化學(xué)氣相沉積發(fā)生在基板的兩個面，從而實現(xiàn)了雙面沉積，在一片基板上正反面同時制作了兩片單晶硅片。前驅(qū)物氣體如含硅鹵化物(鹵代硅烷)四氯化硅，三氯氫硅，二氯二氫硅，六氯化硅或者硅烷，乙硅烷及氫氣。

62.當(dāng)本機臺生長外延的時候同時通入摻雜氣體，則可以實現(xiàn)原位外延發(fā)射極。在本實施方式中，可以進一步將機臺設(shè)計成基板連續(xù)勻速運行的inline外延爐，將裝載基板的晶舟沿反應(yīng)腔向另外一側(cè)輸送，可以提高前進方向薄膜厚度和電阻的均一性。反應(yīng)腔兩側(cè)需要用氣刀的方式進行隔離。本實施例的配圖為一個垂直反應(yīng)腔，由于inline設(shè)計兩端都需要硅片進入和離開的空間，因此，inline方式的本實施例，更加傾向于使用水平的反應(yīng)腔設(shè)計。而垂直設(shè)計將使得設(shè)備過于高大。基板沿著水平方向運動。

63.此外附圖示出的是一個長方形基板的實施例，因此基板的長邊只能沿反應(yīng)腔的軸線方向放置。當(dāng)使用正方形基板的時候，本實施例可以將基板垂直于反應(yīng)腔的軸線方向放置，即正方形基板處在反應(yīng)腔的一個圓截面上。由于重力以及不能有石墨基座或者載板遮擋反應(yīng)前驅(qū)物的要求，垂直反應(yīng)腔設(shè)計用來盛放硅片的晶舟的形狀將變得相當(dāng)繁瑣，并且對背面依舊有所遮擋；因而放置方式更適合反應(yīng)腔水平放置，基板直立在晶舟上。

64.作為一個示例，如果一個反應(yīng)腔裝填6片156mm x 954mm長方形基板，則一個反應(yīng)腔可以產(chǎn)出6*(954mm/156mm)*2＝72片156mm硅片，則六個反應(yīng)腔可以單次裝(產(chǎn))片432片，符合前述一次裝片近500片的測算。這樣的系統(tǒng)，沒有石墨基座，完全可以做到1000萬人民幣以下的建造成本，甚至只要500萬人民幣的建造成本。本實施例也可以不使用inline連續(xù)前進方式，而通過間歇裝片的方式，一次全部裝入，反應(yīng)完成后全部取出。

65.圖6為本申請省去太陽能電池中背面擴散反射極掩模的具體實施例。直接將雙面沉積后的基板制絨后進行擴散即制作圖中p+的部分，免去了制作背掩模和去除背掩模的兩步工藝。更近一步在本申請的化學(xué)氣相沉積設(shè)備中直接摻雜硼，原位制作外延發(fā)射極即圖中p+的部分，制絨之后再行剝離，制作背面的工藝如topcon，退火正面鈍化和金屬化過程。免去了制作背掩模，硼擴散和去除背掩模的三步工藝。

66.圖7為閉環(huán)利用未反應(yīng)的前驅(qū)物和反應(yīng)生成的副產(chǎn)物的一個實施例的工藝流程框圖。其中化學(xué)氣相沉積法的反應(yīng)sicl3h(g)+h2(g)<

--

>si(s)+3hcl(g)，尾氣中主要包含未反應(yīng)的sicl3h和h2，以及副產(chǎn)物hcl以及其他的鹵代硅烷如sih2cl2，sicl4等。將尾氣收集，并且分離。三氯氫硅經(jīng)過精餾提純后重新作為原料回到反應(yīng)腔，h2作為原料也回到反應(yīng)腔，

hcl可以提純后作為清洗反應(yīng)腔的原料進行循環(huán)，如果三氯氫硅不足，可以同硅反應(yīng)si+3hcl

--

>sicl3h+h2合成三氯氫硅精餾提純后作為原料使用。硅和氯化氫制備三氯氫硅是使用銅催化劑的放熱反應(yīng)，工業(yè)上常用的合成三氯氫硅的成熟技術(shù)。由于反應(yīng)副產(chǎn)物眾多，其他眾多的鹵代硅烷未在此簡化的bfd圖中標出。

67.圖8為n型topcon電池情況的一個具體實施例的流程圖。參考圖6和圖8，考慮到如下因素：n型電池少主壽命高，電池效率更高，n型單晶硅棒拉制實現(xiàn)困難，使用本申請的相對晶棒拉制的技術(shù)路線優(yōu)勢巨大。化學(xué)氣相沉積原位發(fā)射極，需要改變流程，并且研發(fā)新的正面鈍化層，技術(shù)上變數(shù)較大，因而依舊使用硼擴散發(fā)射極，而省略背面掩模和掩模去除工藝。同時循環(huán)使用單晶硅基板，并且使用化學(xué)氣相沉積法修復(fù)基板損失的厚度。并且，按照圖7的具體實施例閉環(huán)使用所有能夠利用的設(shè)備尾氣，即未反應(yīng)的前驅(qū)物和反應(yīng)副產(chǎn)物。

68.以下具體描述單晶硅片的制造技術(shù)，對于單晶硅片的制造，技術(shù)上更加直接的可行途徑就是跳過多晶硅原料制造，長晶(拉單晶或者鑄錠)和切片步驟，直接使用高純的含硅前驅(qū)物(主要為鹵代硅烷(含硅鹵化物)和硅烷)使用在半導(dǎo)體工業(yè)得到普遍使用的化學(xué)氣相沉積法生長單晶薄膜獲得價低質(zhì)優(yōu)的單晶硅片。這個途徑在太陽能硅片變薄(主流工廠已經(jīng)小于等于180微米)的趨勢下，越來越具有技術(shù)可行性。代表性的反應(yīng)為使用三氯氫硅和氫氣作為前驅(qū)物反應(yīng)生成硅和副產(chǎn)物氣相的氯化氫在高溫下沉積，其反應(yīng)式如下，

69.sicl3h(g)+h2(g)<

--

>si(s)+3hcl(g)

70.其中，g表示氣相，s表示固相。

71.除去減少刃口和邊皮損失之外，傳統(tǒng)的直拉拉晶和鑄錠均使用了石英坩堝。高溫下，石英坩堝的二氧化硅成分中的氧不可避免地隨著硅液的對流進入硅晶體，氧和硼摻雜形成的硼氧復(fù)合降低載流子壽命，是目前的直拉單晶電池效率衰減的主要成因。區(qū)熔單晶在熔融過程中不接觸石英坩堝，具有極低的含氧量，長久以來一直是制造高效率單晶硅電池的首選。但是區(qū)熔單晶原料成本高(硅烷西門子法為主，產(chǎn)能低成本)全球產(chǎn)量有限，區(qū)熔單晶爐設(shè)備使用硬軸設(shè)計，相比直拉單晶技術(shù)的使用的軟軸單晶爐加工精度要求高，單臺價格在約1000萬至兩千萬人民幣范圍(150萬-3百萬美元)，因此區(qū)熔硅片無法成為單晶電池的普遍原料。氣相沉積直接獲得單晶硅片，可以做到遠遠低于直拉和鑄錠的含氧量，獲得和區(qū)熔單晶硅一樣的質(zhì)量。因此化學(xué)氣相沉積法直接制作硅片有望進一步改善單晶硅電池的衰減，甚至大幅度提高電池的轉(zhuǎn)換效率。此外n型單晶片由于有更高的遷移率和載流子壽命，一直是高效電池的重要選擇。由于n型摻雜的分凝系數(shù)，摻雜在結(jié)晶的單晶中的濃度分布范圍更大，因此n型單晶的阻值分布比較寬廣，比起p單晶的拉制有更大的難度和成本。n型化學(xué)氣相沉積由于是氣相摻雜，可以更好地控制摻雜的分布，使得硅片的阻值均勻性更好。

72.但是，即便如此，這也是很巨大的挑戰(zhàn)：

73.通常工業(yè)產(chǎn)品的成本來自兩方面，即資本投入帶來的折舊攤銷和運營成本。運營成本中包含原料，耗材電力等。前面提到，多晶硅制造同樣需要三氯氫硅和氫氣作為前驅(qū)體，這部分的成本幾乎相當(dāng)；拉制單晶需要石英坩堝，石墨坩堝，石墨加熱器，線鋸的鋼線等耗材數(shù)量遠遠高于化學(xué)氣相沉積；化學(xué)氣相沉積中的石墨基座是成本攤銷中主要部分，如果去除該項目則耗材成本主要只包含電耗和前驅(qū)物，多晶硅還原和單晶拉制兩步工藝都是1000多度的工藝，伴隨著大量的熱損失，合計高于化學(xué)氣相沉積的一步高溫工藝。因此，化

學(xué)氣相沉積直接直接制硅片很容易在運營成本相當(dāng)甚至低于多晶硅+拉晶+切片三步工藝。

74.主要的挑戰(zhàn)來自于化學(xué)氣相沉積的設(shè)備成本：

75.1.主流的太陽能直拉單晶爐的生長速度是1.x-2毫米每分鐘(210毫米-240毫米晶棒，156-166毫米方硅片)

76.2.用于生長多晶硅的還原爐，其生長速率約為1.2-2毫米每小時

77.3.用于生長單晶硅薄膜的商業(yè)化的化學(xué)氣相沉積設(shè)備，生長速率約為1-6微米每分鐘(有個別報告到8微米每分鐘)。

78.而目前最新的多晶硅料，直拉/鑄錠，切片每吉瓦的工廠建設(shè)成本僅僅約6億人民幣，以每片156毫米硅片5-6瓦計算，約年產(chǎn)一億六千萬至兩億片單晶硅片。去掉多晶硅料工廠包含的含硅鹵化物前驅(qū)體合成工廠，可以分配給單晶硅薄膜直接生長法工廠的預(yù)算約5億人民幣。去掉其他設(shè)備和工廠基礎(chǔ)設(shè)施費用，可以用來投資給化學(xué)氣相沉積設(shè)備的預(yù)算約2-3億人民幣。

79.并且目前的半導(dǎo)體工業(yè)使用的生長單晶硅薄膜12英寸化學(xué)氣相沉積法外延設(shè)備(在襯底上生長單晶薄膜的技術(shù)也被稱為外延技術(shù)，相應(yīng)的單晶薄膜也稱作外延層)，價格從2百多萬美金直到一千兩百萬美元，而對應(yīng)的硅片沉積區(qū)域面積僅僅相當(dāng)于4-16片156毫米太陽能硅片。使用這樣的技術(shù)僅可獲得，很小的太陽能硅片產(chǎn)能。假定，單臺單晶硅薄膜氣相沉積設(shè)備可以單次裝片500片，沉積速率以6微米每分鐘，制作150微米厚度硅片(每片6瓦)。則每小時可以產(chǎn)出1000片150微米156毫米方片，單臺設(shè)備年產(chǎn)8百萬片。一個吉瓦硅片，需要二十臺化學(xué)氣相沉積設(shè)備，每臺預(yù)算約一千五百萬人民幣的成本結(jié)構(gòu)，才能在工廠投資上低于多晶硅，拉晶，切片傳統(tǒng)技術(shù)路線。

80.表1

81.不同硅片厚度及沉積速率下每吉瓦所需設(shè)備數(shù)量

[0082][0083]

單臺設(shè)備裝片量

??

500片

[0084]

因此需要對傳統(tǒng)的單晶硅化學(xué)氣相沉積設(shè)備進行改變，設(shè)計一種可以低成本加工制造，并且一次投放很多硅片的化學(xué)氣相沉積設(shè)備用于直接生長單晶硅薄膜以得到比西門子法多晶硅-直拉單晶-切片技術(shù)路線更加便宜的單晶硅片。

[0085]

在產(chǎn)業(yè)中，典型的硅單晶化學(xué)氣相沉積(外延)設(shè)備的要素如下：

[0086]

1.反應(yīng)腔：高純耐高溫的石英材料制作的反應(yīng)腔。

[0087]

2.加熱器：加熱器可以是設(shè)置于透明反應(yīng)腔外的紅外燈，電阻加熱器，或者感應(yīng)線圈。

[0088]

3.反應(yīng)腔內(nèi)有高純石墨材料制作的石墨基座(托盤，者載板)，石墨基座(托盤或者載板)用于承接硅片，也用于接受來自于加熱器的熱量，然后將熱量通過輻射和熱傳導(dǎo)傳遞到硅片上。

[0089]

4.反應(yīng)前驅(qū)物的輸送裝置，將反應(yīng)氣體輸送到反應(yīng)腔內(nèi)，以及將未反應(yīng)的前驅(qū)物

和反應(yīng)副產(chǎn)物排出的排氣裝置。

[0090]

特別需要注意的是，世界上主流或者多數(shù)的化學(xué)氣相沉積單晶硅薄膜生長(即外延)設(shè)備都是將硅片放置在一個石墨材質(zhì)基座(托盤或者載板)上，因此單晶硅基板接觸石墨基座的那面將無法接觸到足夠的前驅(qū)物供化學(xué)氣相沉積單晶硅薄膜。由于石墨基座通常會被紅外燈，電阻加熱器或者感應(yīng)線圈加熱，然后通過接觸硅片以熱傳導(dǎo)方式加熱硅基板的背面，是加熱基板的重要一環(huán)。因此設(shè)計加熱方式的時候要兼顧到不能影響到基板另外一側(cè)的沉積。并且受加工手段限制，直徑超過32英寸(800毫米)高純石墨，價格交期均指數(shù)上升，從而使得設(shè)備的尺寸放大成為難題。此外，石墨基座為耗材，在長期使用之后會損壞，因此這些部件不僅導(dǎo)致設(shè)備投資上升，也帶來較高使用成本的問題。

[0091]

因此在本申請中，直接去除了石墨基座(托盤，夾具或者載板)，從而實現(xiàn)了單晶硅基板的雙面沉積。在目前的半導(dǎo)體用的化學(xué)氣相沉積單晶硅設(shè)備中，石墨基座的價格在800美元-4000美元范圍。八百美元的基座可以承載一片8英寸圓片，對應(yīng)于一片156mm方片，2000美元可以對應(yīng)4片156mm方片，壽命通常為30000微米，如果每片156mm單晶硅片厚度為80微米，則每片156mm硅片石墨基座的攤銷為(2000美元/4)/(30000微米/80微米)＝1.3美元，這3倍于高于目前直拉單晶硅片的售價(0.45美元/片)。換個角度看，單次裝片500片的設(shè)備，一次性基座(載板)投入資金為25萬美元，接近200萬人民幣。這是非常驚人的。前面有分析，如果取消了石墨基座之后，則主要的運行成本只剩下電耗和前驅(qū)物以及如果設(shè)備還是用石英爐管的話，包含石英爐管耗材，這些在直拉單晶，多晶硅硅料生產(chǎn)，都有相應(yīng)的項目，從而真正做到了運行成本低于多晶硅+直拉+切片的傳統(tǒng)途徑。

[0092]

反應(yīng)腔內(nèi)利用化學(xué)氣相沉積法生長單晶硅薄膜的對象為前述的寬為(50mm-500mm)長為(50mm-5m)厚為(10μm-10mm)單晶硅基板。該單晶硅基板在正反面腐蝕有多孔硅結(jié)構(gòu)，供生長單晶硅薄膜后剝離。前驅(qū)物是含硅鹵化物四氯化硅，三氯氫硅，二氯二氫硅，六氯化硅或者硅烷，乙硅烷及氫氣等。非常重要的是，在單晶硅基板上通過雙面沉積把產(chǎn)能翻倍，而幾乎沒有設(shè)備投資增加。

[0093]

前面提到多數(shù)外延爐利用可以耐受反應(yīng)腔內(nèi)壁環(huán)境的基座(或者稱作載板)進行間接加熱?；蜉d板通常為可以耐受高溫下含硅鹵化物和氫鹵酸副產(chǎn)物侵蝕的高純石墨或者陶瓷?；蛘咻d板本身不能發(fā)熱，使用石英紅外燈管，石墨加熱器，金屬電阻加熱器，感應(yīng)線圈等加熱基座或載板，再通過載板或者基座加熱硅基板。由于基座或者載板通常是用來承載硅片(本申請中的單晶硅基板)，因而常常緊貼硅片的背面，導(dǎo)致前驅(qū)物無法對接觸基板的背面進行鍍膜，從而無法實現(xiàn)本申請的雙面生長單晶硅薄膜，同時生長正反面兩片硅片提高產(chǎn)能的目的。

[0094]

因此本申請可使用紅外燈，石墨(碳)加熱器，碳化硅加熱器，感應(yīng)線圈等非接觸方式直接加熱兩面不受遮擋的單晶硅基板，而非通過基座或者載板進行間接加熱。這些單晶硅基板被加熱至最多1410攝氏度。加熱器可以是電阻式加熱器，如通電的石墨等；也可以是紅外燈，也可以是感應(yīng)線圈，由于硅的基板可以被事先摻雜因此被線圈感應(yīng)后實現(xiàn)感應(yīng)加熱。當(dāng)加熱器加熱基板至工藝溫度，前驅(qū)物流過單晶硅基板表面，化學(xué)氣相沉積過程開始。

[0095]

前面有提到化學(xué)氣相沉積單晶硅的生長速度是直拉單晶生長速度的幾百分之一，是多晶硅沉積速率的幾十分之一。因此某些技術(shù)路徑轉(zhuǎn)而致力于生長30-60微米維度的單晶硅電池，以期望通過減少電池的厚度來減少單晶硅沉積的時間，這一路線也被稱作單晶

硅薄膜電池，同傳統(tǒng)玻璃或者不銹鋼基地的多晶硅薄膜電池相對。這一路線遇到了在0-60微米維度的電池效率同厚度正相關(guān)的問題，導(dǎo)致超薄電池的效率低于目前標準電池。

[0096]

因此換個角度看問題，如果通過本申請實施方式，即兩倍的面積沉積單晶硅薄膜，則過去單面沉積的30-60微米的單晶硅片的成本可以通過到雙面沉積實現(xiàn)80-120微米的單晶硅片，這個厚度的電池可以無縫兼容目前主流的150微米的技術(shù)。即使用本技術(shù)，可以不用驅(qū)使電池技術(shù)離開現(xiàn)在的舒適區(qū)從而迅速利用現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

[0097]

化學(xué)氣相沉積沉積單晶硅設(shè)備在本申請中，作為最主要的工序，占據(jù)了單晶硅片制造中超過一半的設(shè)備投資和制造成本。相比之下，蝕刻多孔硅的濕法蝕刻設(shè)備投資小產(chǎn)能大(多孔硅僅有幾個微米的維度，電化學(xué)蝕刻的速度遠遠高出化學(xué)氣相沉積沉積)。后續(xù)的剝離是常見的公知技術(shù)，通常是簡單的機械剝離，成本非常低。因此，雙面氣相沉積，同等條件下將單晶硅的產(chǎn)能翻倍，具有重要的經(jīng)濟和技術(shù)價值。

[0098]

進一步，在多孔硅之上化學(xué)氣相沉沉積的單晶硅膜層的厚度為自多孔硅閉合處起計算，1微米至1毫米。

[0099]

進一步參考圖8，在多孔硅之上化學(xué)氣相沉沉積的單晶硅膜層生長完畢后，可以進行下一步的工序。這時候有兩種不同的選擇。即直接將多孔硅上的單晶硅膜層剝離，或不剝離，將單晶硅基板連同多孔硅之上化學(xué)氣相沉積的單晶硅膜層一同送入下一步工序的太陽能電池設(shè)備。如果設(shè)備兼容，可以在電池某一面的工藝步驟全部完成后，再行剝離，然后進行另一面的電池工藝生長。

[0100]

在本申請中單晶硅片的背面指的是接觸到多孔硅結(jié)構(gòu)的一面，正面指的是化學(xué)氣相沉積生長出的那一面即和硅片的背面相對的那一面，即正面的法線方向同化學(xué)氣相沉積的生長方向一致。而電池的正面指的是受光面，通常這一面生長有防反射膜和金字塔形狀的陷光結(jié)構(gòu)以保證陽光盡量多地入射電池結(jié)構(gòu)中。

[0101]

不剝離直接進電池制造設(shè)備的優(yōu)點在于，很多電池鍍膜和擴散工藝工藝都會有在邊緣甚至背面沉積出少量的同樣的膜層，術(shù)語稱為繞鍍。通常需要使用刻蝕工藝去除邊緣的繞鍍，并且在背面生長(氮化硅)膜層作為硬掩模以保護背面，而雙面的基板每一片未剝離的單晶硅薄膜硅片和基板是其背面相對的那片硅片的硬掩模。這樣可以省去生長硬掩模和去除硬掩模的兩步工藝。

[0102]

如在圖8所示的n型topcon電池的場合，可以在完成正面制絨，硼擴散等正面工藝之后再進行剝離制作背面工藝。同樣正面制絨和擴散等都受益于雙重工藝，即同時完成了正反面兩片電池的制絨和反射極硼擴散擴大了產(chǎn)能降低了成本。并且多孔硅的雙面同時蝕刻設(shè)備結(jié)構(gòu)也適用于制絨設(shè)備。而對于單晶硅基板單面沉積單晶硅片來說，如果也按照此方法制作，雖然基板本身也可以遮擋繞鍍，但是由于需要循環(huán)使用基板，仍然需要除去基板背面的繞鍍。

[0103]

此外，多孔硅結(jié)構(gòu)可以起到制絨同樣的陷光作用，因此經(jīng)過優(yōu)化的單晶硅薄膜硅片背面多孔硅殘留可以直接作為陷光結(jié)構(gòu)省略制絨步驟。如果使用硅片背面殘留多孔硅代替電池正面制絨，則無法利用背面的基板和硅片起到硬掩模的作用。因此需要比較掩模沉積和去除的成本同制絨成本的高低，選擇保留成本較低效果更好的工序。但是即便將殘留的多孔硅結(jié)構(gòu)作為背面，由于正面繼續(xù)使用濕法制絨，形成了事實上的雙面的陷光結(jié)構(gòu)(正面制絨，背面多孔硅殘留)，對提高電池的轉(zhuǎn)換效率也會提供貢獻。

[0104]

作為基板自身成為背面掩模的一個變通，在生長單晶硅的化學(xué)氣相沉積設(shè)備中吹掃去含硅的前驅(qū)物之后，通入擴散用的反應(yīng)氣體同樣可以作為硼擴散設(shè)備使用。例如n型topcon電池的場合，正面硼擴散通常使用bbr3和o2，因此只需增加bbr3和o2的管路和施加適合的工藝控制步驟。

[0105]

4 bbr3+3 o2

→

2 b2o3+6 br2 2 b2o3+3 si

→

4 b+3 sio2

[0106]

其中，三氯化硼bcl3和乙硼烷b2h6也是很好的硼摻雜源。

[0107]

同時，更進一步，在單晶硅化學(xué)氣相沉積的最后時刻，通入硼摻雜劑如三氯化硼bcl3和乙硼烷b2h6，硼摻雜入單晶硅薄膜內(nèi)直接形成足夠厚度的發(fā)射極。這種做法技術(shù)上稱作外延發(fā)射極，或者原位摻雜外延發(fā)射極而沒有熱氧化硅產(chǎn)生，即不生成不需要的硼玻璃。這樣可以省去去除熱氧化硼玻璃bsg的工藝步驟。同時背部由于被基板和背面的單晶硅層遮擋，也不需要背面生長遮擋用的si3n4等硬掩模，更不需要通過腐蝕工藝去除該掩模。這樣合計可以省去掩模生長，硼擴散，蝕刻去除掩模等三步工藝。大大降低了電池生產(chǎn)的成本。實際操作中發(fā)射極外延可以在別的機臺上進行，同樣也可以是在同一機臺上的所謂原位摻雜發(fā)射極。對于擴散發(fā)射極，結(jié)的深度受制于摻雜的擴散，濃度的曲線也服從擴散方程。文獻中常見的太陽能電池發(fā)射極深度多在0.3-3個微米，深或者淺的發(fā)射極都很難通過擴散技術(shù)獲得。外延發(fā)射極可以制作深(厚)度很大的發(fā)射極或者而不受擴散原理限制。甚至可以通過調(diào)節(jié)摻雜氣體的流量來控制發(fā)射極不同結(jié)深處的濃度(電阻)。但是同一化學(xué)氣相沉積設(shè)備中原位制作發(fā)射極，則制絨工藝會在發(fā)射極完成之后進行，對發(fā)射極的的形態(tài)會構(gòu)成影響。

[0108]

前面所述硼擴散制作發(fā)射極(或者硼摻雜外延發(fā)射極)系對n型電池而言，如果是p型電池，則需要磷摻雜的n+反射極。原理相同，使用的摻雜等剛剛相反，可以省去掩模生長，磷擴散(僅外延磷發(fā)射極情形)，蝕刻去除掩模等三步工藝。

[0109]

此外，雙面工藝省去掩模生長，磷擴散(僅外延磷發(fā)射極情形)，蝕刻去除掩模等工藝對于非topcon工藝的，pert，perc電池均適用。

[0110]

另外在線鋸切割后，合并在制絨設(shè)備中通常會有一步清洗工藝以清除線鋸造成的硅片表面損傷。往往是在制絨前(或后)多一步化學(xué)清洗，制絨的濕法設(shè)備多一個液體工藝槽。氣相沉積法單晶硅片同樣可以省略這一步驟，但不是完整的一個機臺，僅僅是制絨設(shè)備的一個液體工藝槽和相應(yīng)的耗材等費用。

[0111]

如果最終產(chǎn)品需要正方形的硅片或者電池片，在剝離前按照需要的正方形尺寸將多晶硅薄膜截斷至多孔硅層，剝離得到正方形硅片或者電池片；或者先剝離得到長方形的薄硅片然后再行截斷得到正方形硅片或者電池片。

[0112]

150微米的156mm硅片，每片重8.5克，一吉瓦的硅片需要1億六千萬至兩億片156mm方硅片，重達一千三百六十噸至一千七百噸。如果使用三氯氫硅作為前驅(qū)物，硅的摩爾重量為28，三氯氫硅約為133.89，不考慮損耗并且假定所有三氯氫硅100％轉(zhuǎn)化為單晶硅也至少需要約(133.89/28)＝4.75倍，約6460～8075噸三氯氫硅作為前驅(qū)物。其中的氯會轉(zhuǎn)為五千至六千噸氯化氫?？紤]到實際的外延設(shè)備僅僅有20-40％的前驅(qū)物沉積為薄膜，通入設(shè)備的三氯氫硅的量實際為理論值的2.5至5倍。還需要考慮未反應(yīng)的前驅(qū)物中的硅和氯的成分的處理。如果和傳統(tǒng)電池廠或者半導(dǎo)體芯片廠一樣堿中和或者燃燒處理將產(chǎn)生數(shù)萬噸萬噸鹽水排放，未反應(yīng)的硅則對應(yīng)生成兩千至五千噸的二氧化硅需要作為固廢填埋或者制成白炭

黑。因此需要考慮把化學(xué)氣相沉積設(shè)備的尾氣收集起來，分離和提純之后作為比外購原料更為廉價的原料使用，并且大幅度減少環(huán)境排放。前驅(qū)物是作為原料中比較貴的部分，是生產(chǎn)成本中很大的組成部分。同時從化工工業(yè)的角度來看，如果建設(shè)10吉瓦的化學(xué)氣相沉積設(shè)備單晶硅片廠，轉(zhuǎn)化率為20％的情況下，需要(6460～8075)/20％*10＝32萬噸-40萬噸三氯氫硅。已經(jīng)達到了自建三氯氫硅合成工廠并且閉環(huán)循環(huán)所有化學(xué)氣相沉積設(shè)備尾氣的規(guī)模經(jīng)濟(如下表)。

[0113]

表2

[0114]

并且，對于化學(xué)氣相沉積設(shè)備來說，如單晶硅沉積的三氯氫硅氫氣體系下，確定反應(yīng)溫度，三氯氫硅和氫氣比例之后，較高的三氯氫硅轉(zhuǎn)化率往往意味著在反應(yīng)腔內(nèi)前驅(qū)物更高的停留時間導(dǎo)致低沉積速率降低。

[0115]

根據(jù)來自應(yīng)用材料公司的200毫米硅片centura hgr機臺的生長曲線，三氯氫硅流量從20slm下降到5slm，即在反應(yīng)腔內(nèi)的停留時間提高了4倍，沉積速率從6.x微米每分鐘下降一半到3.x微米每分鐘，即1/4倍的氣體流量，沉積速率為1/2倍，氣體轉(zhuǎn)化率提高一倍，但是需要兩倍的機臺來沉積相同的膜厚。提高停留時間也可以不提高氣體流速，而增大反應(yīng)腔在氣體流動方向的長度。在一些情況下，未反應(yīng)的前驅(qū)物流動到延長的部分繼續(xù)反應(yīng)提高轉(zhuǎn)化率。但是反應(yīng)腔延長部分的部分前驅(qū)物已經(jīng)被消耗，反應(yīng)副產(chǎn)物增加，沉積速率下降。反應(yīng)腔延長部分出現(xiàn)大面積低沉積速率的區(qū)域，僅僅為入口處高沉積區(qū)域的五分之一的沉積速率。這兩種方法，都反而導(dǎo)致價格較高的化學(xué)氣相沉積設(shè)備臺數(shù)增多，都是很不經(jīng)濟的選擇。而大型化工常用的分離裝置可以成本低廉地分離和循環(huán)使用幾萬至幾十萬噸前驅(qū)物，效率和成本遠遠甚于提高化學(xué)氣相沉積設(shè)備的前驅(qū)物反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。

[0116]

因此，應(yīng)當(dāng)放棄追求轉(zhuǎn)化率，而是追求更高的沉積速率減少化學(xué)氣相設(shè)備的數(shù)量，將未反應(yīng)的前驅(qū)物通過一個化工廠循環(huán)使用以降低前驅(qū)物等的成本。

[0117]

由于硅片或者太陽能工廠傳統(tǒng)上沒有化工廠這么大的化學(xué)物的循環(huán)體量，在監(jiān)管上相對于三氯氫硅合成工廠適用不同的要求，因此即使自建三氯氫硅等前驅(qū)物和其他氣體的合成和/或循環(huán)提純工廠往往是獨立的實體，以滿足化工行業(yè)的監(jiān)管要求。所以閉環(huán)循環(huán)所有化學(xué)氣相沉積設(shè)備尾氣可以是在同一園區(qū)或者相近的地點的不同實體的工廠。在化學(xué)氣相設(shè)備收集的尾氣通過管道或者槽車運輸至位于氣體(合成和/或循環(huán)提純)工廠，并將分離處理后的氣體輸送回來。當(dāng)距離增大和氣體使用量增加的情況下，槽車運輸成本會顯著上升。比較合理的情況是硅片工廠和三氯氫硅合成和/或循環(huán)提純工廠互相相鄰，以圍墻河流道路等隔開，互為獨立的監(jiān)管實體，以管道相連將未使用的前驅(qū)物和副產(chǎn)物循環(huán)使用，這樣成本和管理上均最優(yōu)。

[0118]

因此在利用化學(xué)氣相沉積法在單晶硅基板的多孔硅結(jié)構(gòu)上方沉積單晶硅時，在化學(xué)氣相沉積設(shè)備的尾氣出口收集尾氣，其成分為未參與反應(yīng)的前驅(qū)體如含硅鹵化物四氯化硅，三氯氫硅，二氯二氫硅，六氯化硅，硅烷，乙硅烷，氫氣等，摻雜氣體三氯化硼，磷烷等，以

及反應(yīng)的副產(chǎn)物氣體如二氯二氫硅(前驅(qū)物非二氯二氫硅得情形)，氯化氫等。將收集的尾氣通入分離裝置，分離得未反應(yīng)前驅(qū)物和副產(chǎn)物。如分離得未反應(yīng)前驅(qū)物質(zhì)量滿足要求，則直接通入化學(xué)氣相沉積設(shè)備循環(huán)使用，如質(zhì)量不滿足要求，則進一步精餾后使用。分離得到得氯化氫可以和硅反應(yīng)合成三氯氫硅提純后供本工廠使用，二氯二氫硅等高價值產(chǎn)物可以外送作為芯片工廠的前驅(qū)物使用。

[0119]

由于氯化氫常壓常溫下是氣體，三氯氫硅常壓下沸點為三十五度，三氯氫硅，氯化氫分離的能耗和精餾的能耗很低。簡單地核算，可以將回收和氯化氫和三氯氫硅的成本近似為零。通常，單晶硅化學(xué)氣相沉積的成本結(jié)構(gòu)中(含設(shè)備折舊)，前驅(qū)物氣體的成本占比約25％-15％，在轉(zhuǎn)化率20％的(40％轉(zhuǎn)化率的設(shè)備和工藝極為少見)情況下，前驅(qū)物通過分離和提純裝置的全部循環(huán)之后，可以近似為全部低成本地得以循環(huán)利用，算入分離提純得成本，仍然可以將前驅(qū)物的成本下降至總成本的5-8％左右，即總成本降低了10％-18％。

[0120]

剝離后的單晶硅基板重新腐蝕新的多孔硅層，并在其上生長單晶硅薄膜，再次剝離，如此反復(fù)循環(huán)使用。

[0121]

單晶硅基板由于反復(fù)腐蝕的多孔硅層，多次循環(huán)時候后的基板的厚度將會下降變薄。在厚度下降到某一閾值的時候，停止腐蝕多孔硅而直接利用化學(xué)氣相沉積設(shè)備在單晶硅基板上生長單晶硅薄膜，直至單晶硅基板的厚度達到需要的閾值。然后按照前述方法繼續(xù)制造單晶硅片。閾值為100微米至2毫米之間的某一數(shù)值，不同的基板尺寸對最小的基板厚度下限閾值要求不同。這樣低于厚度下限閾值的單晶硅基板可以被反復(fù)循環(huán)使用。

[0122]

根據(jù)本申請的實施方式，使用化學(xué)氣相沉積法直接沉積單晶硅薄膜的成本可以做到低于直拉單晶切片，因此使用化學(xué)氣相沉積法來補充單晶硅基板的厚度不僅使得低于基板厚度閾值下限的基板獲得利用，并且補充生長出來的薄膜部分的成本也低于單晶硅拉制的成本。通常以使用750微米厚度的硅片作為最初的單晶硅基板，設(shè)定閾值為減薄至450微米后開始重新生產(chǎn)硅片，每次制作單孔硅單次單面消耗3微米，則50次循環(huán)后耗去300微米，開始重新化學(xué)氣相沉積基板增厚。相當(dāng)于每片單晶硅硅片除自身厚度之外另消耗3微米單晶硅。如果不加循環(huán)利用直接丟棄450微米的基板，分攤到50次雙面共100片硅片上，折合每片丟棄4.5微米厚度的基板。相當(dāng)于每次則每片單晶硅硅片合計消耗3微米+4.5微米＝7.5微米硅層。假定每片單晶硅片厚度為80微米，可以降低4.5微米/(80+7.5)微米＝5.1％的化學(xué)氣相沉積成本。

[0123]

本申請通過上述方法，綜合利用，提高化學(xué)氣相沉積法直接制作單晶硅硅片法產(chǎn)能，并且將硅片制造的工藝步序同傳統(tǒng)上屬于電池制造的擴散發(fā)射極的工序融合到一起，從而顯著地降低了太陽能單晶硅電池的制造成本：

[0124]

1.單晶硅基板雙面同時沉積單晶硅薄膜硅片，將化學(xué)氣相沉積設(shè)備的產(chǎn)能翻倍，設(shè)備投資成本降低一半；

[0125]

2.單晶硅基板雙面同時蝕刻多孔硅，將多孔硅的制作成本降低一半；

[0126]

3.直拉單晶棒切割使用長方形的雙面單晶硅基板，可以獲得面積大于目前156mm，166mm的方硅片甚至大于210mm方硅片的單晶硅電池，如166mm x 4200mm。由于目前硅片和電池的成本下降迅速，而組件面板的玻璃等成本變化緩慢，因而出現(xiàn)了很多犧牲硅片電池成本以提高組件功率的降低組件成本的技術(shù)。更大面積的硅片有望幫助電池制作組件的工藝部分降低成本；

[0127]

4.雙面沉積的時候，使用了沒有石墨基座(或稱作載板)的設(shè)計。減少了每片1.3美元的石墨基座攤銷成本。確保了化學(xué)氣相沉積直接硅片法的運營成本低于多晶硅硅料+長晶+切片技術(shù)路徑；

[0128]

5.將沉積過單晶硅薄膜的單晶硅基板不剝離出單晶硅片，而是整體進入電池設(shè)備進行電池工藝?？墒∪ケ趁嫜谀３练e，去除掩模兩步工藝。可以減少約10％的電池制作的投資和成本；

[0129]

6.進一步使用原位化學(xué)氣相沉積制作外延反射極，可以進一步減少電池設(shè)備的投入；

[0130]

7.減少了去切割損傷的清洗設(shè)備的投入；

[0131]

8.使用多孔硅作為背面陷光結(jié)構(gòu)，進一步提升電池效率；

[0132]

9.分離提純循環(huán)使用化學(xué)氣相沉積設(shè)備的尾氣，可以降低10％-17％的成本；

[0133]

10.使用化學(xué)氣相沉積法循環(huán)使用被刻蝕多孔硅之后變薄的基板，進一步降低成本約2.8-5.1％。

[0134]

上述10個方面中，除去6的原位制作外延發(fā)射極有文獻報道外延發(fā)射極相比擴散發(fā)射極需要研發(fā)同主流的鈍化層不同的鈍化技術(shù)之外，并且制絨在發(fā)射極制作之后對電池效率的影響未知。其他1-5，7-10均可以通過公開文獻確認其提升產(chǎn)能和效果，可以直接確認對本申請具有成本產(chǎn)能和效率的巨大提升。這些節(jié)省成本合計的貢獻可以高達60-70％以上。另外從多晶硅原料的成本計算，目前最高端的適合直拉單晶硅的單晶致密多晶硅原料的價格為每噸7.2-7.6萬元人民幣含稅(2019年上半年)，156mm 150微米硅片重約8.5克，(化學(xué)氣相沉積法下，不計各種刃口和邊皮料損失)其多晶硅原料成本按照-7.6萬元人民幣計算約0.646圓人民幣，大約0.1美元。由于化學(xué)氣相沉積單晶硅片同西門子法多晶硅同樣使用三氯氫硅和氫氣作為高溫前驅(qū)物(反應(yīng)不同，副產(chǎn)物不同)，在我們?nèi)∠撕牟闹刈顬榘嘿F的石墨基座(載板)之后，以及閉環(huán)循環(huán)所有的前驅(qū)物和副產(chǎn)物之后，可以認為直接沉積8.5克單晶硅片同西門子法8.5克多晶硅應(yīng)當(dāng)成本相當(dāng)。其成本差異主要來自于多晶硅由于還原爐產(chǎn)能更大，使得其在高溫的情況下對外界的熱損失要更少(注：西門子法多晶硅的降本技術(shù)途徑的重要一環(huán)即來自于越來越大的還原爐和越來越高的單臺產(chǎn)能帶來的還原電耗下降。在最近15年，國產(chǎn)還原爐從12對棒進步到64對棒，還原電耗從100-200度電每公斤下降至35-45度電每公斤)。我們以兩倍西門子法8.5克多晶硅價格來涵蓋所有可能的高出西門子法多晶硅的成本因素，則直接化學(xué)氣相沉積法制作單晶硅片的成本應(yīng)當(dāng)小于(0.646圓人民幣，大約0.1美元)的兩倍，即￥1.29圓人民按照當(dāng)前匯率小于0.2美元，這其中已經(jīng)包含了廠家的利潤和增值稅。通常，我們把硅片的成本看作是多晶硅料的硅成本和非硅成本(拉晶切片)的合計。如下表的單晶硅片的成本結(jié)構(gòu)可

[0135]

表3

[0136][0137]

以看到，由于去邊皮和刃口損失，單晶硅硅片的硅成本近似為硅片重量所對應(yīng)硅成本的兩倍。也就是說，化學(xué)氣相沉積法直接制作單晶硅片的成本和常規(guī)硅片的硅成本相當(dāng)，整整減少了全部的非硅成本。2019年主流單晶硅片廠家單晶p型156mm 180μm報價為￥3.07，因此本方法具有非常高的成本潛力。已知目前主流的電池結(jié)構(gòu)依舊適用80-120微米厚度的硅片，而沒有很大的效率損失。如果使用化學(xué)氣相沉積法直接制作單晶80微米厚度硅片，由于多孔硅之上的單晶硅薄膜沉積厚度相對150微米減半，有望實現(xiàn)0.1美元每156mm單晶硅片的售價。這樣厚度的硅片，短期內(nèi)多晶硅-單晶拉制切片途徑是無法實現(xiàn)的。因此，使用本方法制作的化學(xué)氣相沉積法單晶硅片將具有非常強的市場競爭力。

[0138]

在此處所提供的說明書中，說明了大量具體細節(jié)。然而，能夠理解，本申請的實施例可以在沒有這些具體細節(jié)的情況下實踐。在一些實例中，并未詳細示出公知的方法、結(jié)構(gòu)和技術(shù)，以便不模糊對本說明書的理解。

[0139]

類似地，應(yīng)當(dāng)理解，為了精簡本申請并幫助理解各個發(fā)明方面中的一個或多個，在上面對本申請的示例性實施例的描述中，本申請的各個特征有時被一起分組到單個實施例、圖、或者對其的描述中。然而，并不應(yīng)將該公開的方法解釋成反映如下意圖：即所要求保護的本申請要求比在每個權(quán)利要求中所明確記載的特征更多的特征。更確切地說，如權(quán)利要求書所反映的那樣，發(fā)明方面在于少于前面公開的單個實施例的所有特征。因此，遵循具體實施方式的權(quán)利要求書由此明確地并入該具體實施方式，其中每個權(quán)利要求本身都作為本申請的單獨實施例。

[0140]

本領(lǐng)域那些技術(shù)人員可以理解，可以對實施例中的設(shè)備中的模塊進行自適應(yīng)性地改變并且把它們設(shè)置在與該實施例不同的一個或多個設(shè)備中。可以把實施例中的模塊或單元或組件組合成一個模塊或單元或組件，以及此外可以把它們分成多個子模塊或子單元或子組件。除了這樣的特征和/或過程或者單元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何組合對本說明書(包括伴隨的權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的所有特征以及如此公開的任何方法或者設(shè)備的所有過程或單元進行組合。除非另外明確陳述，本說明書(包括伴隨的權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的每個特征可以由提供相同、等同或相似目的替代特征來代替。

[0141]

此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解，盡管在此所述的一些實施例包括其它實施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同實施例的特征的組合意味著處于本申請的范圍之內(nèi)并且形成不同的實施例。例如，在權(quán)利要求書中，所要求保護的實施例的任意之一都可以以任意的組合方式來使用。

[0142]

單詞“包含”不排除存在未列在權(quán)利要求中的元件或步驟。位于元件之前的單詞“一”或“一個”不排除存在多個這樣的元件。本申請可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于適當(dāng)編程的終端設(shè)備來實現(xiàn)。在列舉了若干終端設(shè)備的單元權(quán)利要求中，這些終端設(shè)備中的若干個可以是通過同一個硬件項來具體體現(xiàn)。單詞第一、第二、以及第三等的使用不表示任何順序?？蓪⑦@些單詞解釋為名稱。技術(shù)特征：

1.一種單晶硅片材的制造方法，其特征在于，包括：沿單晶硅棒材的徑向或軸向方向切割所述單晶硅棒材，獲得單晶硅基板；通過濕法腐蝕，對所述單晶硅基板的頂面和底面蝕刻多孔硅結(jié)構(gòu)；通過化學(xué)氣相沉積，在所述多孔硅結(jié)構(gòu)上沉積單晶硅薄層，使得所述單晶硅薄層的厚度達到預(yù)定值；以及從所述多孔硅結(jié)構(gòu)上剝離所述單晶硅薄層，獲得所述單晶硅片材。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，通過濕法腐蝕，對所述單晶硅基板的頂面和底面蝕刻多孔硅結(jié)構(gòu)還包括，將一對負電極分別設(shè)置于所述單晶硅基板的所述頂面和所述底面，并施加電流，同時在所述頂面和所述底面蝕刻所述多孔硅結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法，其特征在于，通過化學(xué)氣相沉積，在所述多孔硅結(jié)構(gòu)上沉積單晶硅薄層還包括，將所述單晶硅基板設(shè)置在用于所述化學(xué)氣相沉積的反應(yīng)腔內(nèi)的托架上，加熱所述單晶硅基板，并向所述反應(yīng)腔通入前驅(qū)物氣體，使所述前驅(qū)物氣體接觸所述頂面和所述底面的所述多孔硅結(jié)構(gòu)，從而使得在所述多孔硅結(jié)構(gòu)上沉積所述單晶硅薄層。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，從所述多孔硅結(jié)構(gòu)上剝離所述單晶硅薄層，獲得所述單晶硅片材還包括，在剝離所述單晶硅薄層之前，根據(jù)所需的所述單晶硅片材的尺寸，對所述單晶硅薄層截斷至所述多孔硅結(jié)構(gòu)，剝離經(jīng)截斷的所述單晶硅薄層，獲得所述單晶硅片材；或者從所述多孔硅結(jié)構(gòu)上剝離所述單晶硅薄層，根據(jù)所需的所述單晶硅片材的尺寸，對經(jīng)剝離的所述單晶硅薄層進行截斷，獲得所述單晶硅片材。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造方法，其特征在于，在剝離所述單晶硅薄層之前，所述方法還包括，將所述頂面和所述底面沉積有所述單晶硅薄層的所述單晶硅基板放入太陽能電池工藝設(shè)備，在每個所述單晶硅薄層上實施太陽能電池的單面制備工藝。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述方法還包括，在進行所述化學(xué)氣相沉積時，收集來自于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)的尾氣，所述尾氣包括未參與所述反應(yīng)的前驅(qū)物氣體、摻雜氣體、以及所述反應(yīng)的副產(chǎn)物氣體；將收集的所述尾氣通過分離裝置，分離得到未參與所述反應(yīng)的前驅(qū)物氣體和所述反應(yīng)的副產(chǎn)物氣體；以及將分離得到未參與所述反應(yīng)的前驅(qū)物氣體用于所述化學(xué)氣相沉積，和/或?qū)⒎蛛x得到所述副產(chǎn)物氣體作為原料合成所述前驅(qū)物氣體用于所述化學(xué)氣相沉積。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述方法還包括，在從所述多孔硅結(jié)構(gòu)上剝離所述單晶硅薄層之后，通過濕法腐蝕，對所述單晶硅基板的頂面和底面蝕刻多孔硅結(jié)構(gòu)；通過化學(xué)氣相沉積，在所述多孔硅結(jié)構(gòu)上沉積單晶硅薄層，使得所述單晶硅薄層的厚度達到預(yù)定值；以及從所述多孔硅結(jié)構(gòu)上剝離所述單晶硅薄層，獲得所述單晶硅片材。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述方法還包括，當(dāng)所述單晶硅基板的厚度下降到下限閾值時，通過停止蝕刻所述多孔硅結(jié)構(gòu)并在所述單晶硅基板沉積所述單

晶硅薄層，增加所述單晶硅基板的厚度。9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的制造方法，其特征在于，所述單晶硅基板的寬度為50mm至500mm、長度為50mm至5m、以及厚度為10μm至10mm。

技術(shù)總結(jié)

本申請?zhí)峁┝艘环N單晶硅片材的制造方法，包括：沿單晶硅棒材的徑向或軸向方向切割單晶硅棒材，獲得單晶硅基板；通過濕法腐蝕，對單晶硅基板的頂面和底面蝕刻多孔硅結(jié)構(gòu)；通過化學(xué)氣相沉積，在多孔硅結(jié)構(gòu)上沉積單晶硅薄層，使得單晶硅薄層的厚度達到預(yù)定值；以及從多孔硅結(jié)構(gòu)上剝離單晶硅薄層，獲得單晶硅片材。本申請能夠提高化學(xué)氣相沉積法直接制作單晶硅硅片法產(chǎn)能，并且將硅片制造的工藝步序同傳統(tǒng)上屬于電池制造的擴散發(fā)射極的工序融合到一起，從而顯著地降低了太陽能單晶硅電池的制造成本。本。本。

技術(shù)研發(fā)人員：丁欣

受保護的技術(shù)使用者：丁欣

技術(shù)研發(fā)日：2019.09.25

技術(shù)公布日：2021/3/25