多晶硅片少子壽命的影響因素研究與分析

于麗君，段晉勝

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024)

在太陽能電池發(fā)展的初期，單晶硅憑借較高的轉(zhuǎn)換效率在光伏材料市場中長期占據(jù)著壟斷地位，但是單晶硅的生產(chǎn)工藝較難控制，能耗大且生產(chǎn)效率低，因而成本很高，其主導(dǎo)地位逐漸被多晶硅所取代。多晶硅錠所需原料來源廣、純度要求較低，而且生產(chǎn)效率高，在規(guī)模生產(chǎn)上較有優(yōu)勢，同時多晶硅方片比單晶硅天然形成的圓片在組件中有更好的面積利用效率，所以近年來多晶硅錠片產(chǎn)量迅猛增長。目前，多晶硅已經(jīng)成功取代了直拉單晶硅在市場中的主導(dǎo)地位，憑借其高性價比成為了最主要的光伏材料。

雖然多晶硅有著眾多優(yōu)勢，但是由于其內(nèi)部存在晶界、應(yīng)力、較高密度位錯及雜質(zhì)、晶粒取向不一，使得多晶硅片的均勻性較差，而且強烈地影響到其電學(xué)性能，由它所制得的電池光伏轉(zhuǎn)換效率低于單晶硅電池，目前工業(yè)生產(chǎn)中多晶硅電池的效率比單晶硅普遍低1%～4%，但也正因為這樣，多晶硅的性能還有很大的提升空間。長期以來，人們針對多晶硅結(jié)晶生長過程及最終組織形態(tài)與性能之間的關(guān)系進行了大量研究，并且發(fā)展起來很多吸雜、鈍化等改善硅片性能的工藝，本文將就這些方面的發(fā)展現(xiàn)狀及最新研究進展進行簡單綜述。

1 少子壽命的影響因素

1.1 雜質(zhì)含量對多晶硅錠少子壽命的影響

多晶鑄錠的過程其實就是硅的排雜提純過程，如圖1所示，這是基于雜質(zhì)在硅的固液相中有不同的溶解度（濃度）。

圖1 微量雜質(zhì)的硅溶液的凝固結(jié)晶過程示意圖

對雜質(zhì)濃度非常小的平衡固—液相系統(tǒng)，在固—液界面處固相中的成份與在液相中的成分比為一定值，可表達為平衡分配系數(shù)（分凝系數(shù)）：

其中，CL液固界面處液相側(cè)溶質(zhì)濃度；CS液固界面處固相側(cè)溶質(zhì)濃度；K0與溫度、濃度無關(guān)，僅決定于溶質(zhì)和溶劑性質(zhì)。

當(dāng)K0＜1，CS＜CL，先凝固部分雜質(zhì)濃度小于后凝固部分中的雜質(zhì)濃度；當(dāng)K0=1，CS=CL，先凝固部分雜質(zhì)濃度等于后凝固部分中的雜質(zhì)濃度；當(dāng)K0＞1，CS＞CL，先凝固部分雜質(zhì)濃度大于后凝固部分中的雜質(zhì)濃度。常見元素的分凝系數(shù)見表1。

表1 元素分凝系數(shù)

根據(jù)雜質(zhì)在硅中的分凝原理，F(xiàn)e、Co、Ni等金屬元素及P含量主要集中在硅錠底部，O含量主要集中在硅錠頂部和四周。多晶硅錠開方后，沿著出爐方向，將硅錠分為25塊多晶硅塊，從多晶硅錠四角，四周及中心各選取一塊多晶硅塊做為樣塊進行少子壽命測試。多晶硅塊在多晶硅碇中的分布見圖2所示。

選取多晶硅錠不同部位的多晶硅塊進行少子壽命檢測，分別選取多晶硅錠角、邊、中心的多晶硅塊A、W、及M進行少子壽命檢測，檢測結(jié)果見圖 3（a、b、c）所示。

根據(jù)少子壽命圖像顯像原理，圖像越接近紅色，少子壽命越低，由上圖可看出多晶硅錠的頭尾及四周少子壽命較低。即：雜質(zhì)越積聚的地方少子壽命越低。

圖2 多晶硅錠示意圖

圖3 測試結(jié)果

1.2 多晶硅片厚度

選取同樣工藝、同樣設(shè)備及同樣硅塊的同一位置而厚度不同的硅片樣片進行少子壽命測試，即選取硅片厚度180～190μm的10片，選取硅片厚度210～220μm的硅片10片，選取硅片厚度＞400μm的硅片10片，進行少子壽命測試，具體測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 硅片厚度與少子壽命的關(guān)系

由表2可以看出硅片越厚，多晶硅片的少子壽命也越大，但是，硅片厚度是否與多晶硅片少子壽命成正相關(guān)呢，我們選取2 mm厚以上的硅片進行少子測量。取樣2mm厚的硅片10片，5mm厚的硅片10片，10mm厚的硅片10片。分別進行少子壽命測量，測量結(jié)果如表3所示。

表3 硅片厚度與少子壽命的關(guān)系比較

由表3可以看出，當(dāng)硅片厚度超過一定范圍的時候，多晶硅片的少子壽命不會再隨著多晶硅片的厚度增大而增加，而是呈現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢。

1.3 晶粒尺寸的均勻性

多晶硅的晶粒大小及形態(tài)與電池性能有著密切聯(lián)系，粗大、均一的晶粒有利于得到高質(zhì)量的硅片，從而提高電池轉(zhuǎn)化率，這也是多晶硅錠生產(chǎn)中一直追求的目標(biāo)。鑄造多晶硅中的晶粒尺寸一般是毫米至厘米級，但均勻性通常不太好；一般晶粒尺寸小于1mm的細晶區(qū)，光伏性能較差。多晶硅錠晶粒形狀和尺寸的控制在很大程度上取決于鑄錠工藝條件，即晶體生長過程中的溫度分布、凝固速度、固液界面形狀等。有研究表明，細晶區(qū)多出現(xiàn)在晶錠的邊緣。而保持凸向熔體的固液界面有利于抑制細晶的生長，易于得到沿錠生長方向的柱狀晶粒，因為凸界面下，中間晶粒生長較快，細晶一旦在坩堝壁處形成，即被熔體熔解，如果固液界面凹向熔體，則錠的邊緣先凝固，易于保留細晶區(qū)。

晶界是晶粒間的過渡區(qū)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原子呈無序排列，并存在不完全鍵合原子，產(chǎn)生大量的懸掛鍵，形成可成為電子—空穴對陷阱的局域性連續(xù)型及離散型帶隙能態(tài)。不同類型的晶界在不同溫度下會呈現(xiàn)出不同的復(fù)合性能，特別是當(dāng)被金屬雜質(zhì)等玷污后，其復(fù)合強度會顯著提高，從而強烈影響多晶硅光伏性能。

在硅錠冷卻過程中，如果溫度梯度過大，為緩解熱應(yīng)力在晶粒中很容易出現(xiàn)滑移位錯，同時凝固過程中由于多種沉淀的生產(chǎn)造成晶格尺寸的不匹配也會導(dǎo)致位錯的產(chǎn)生，出現(xiàn)位錯網(wǎng)，強烈影響著硅片的少子壽命。各種雜質(zhì)元素也極易聚集在位錯上，使其具有很高的復(fù)合速率，成為影響多晶硅片光伏性能的一個致命因素。

選取3片多晶硅片，即：尺寸小、卻分布均勻；尺寸大、分布均勻；尺寸大小不均勻。檢測其少子壽命的分布情況如圖 4（a、b、c）所示。

圖4 少子壽命的分布

由圖4可以看出，在同等分布均勻的情況下，晶粒尺寸大的少子壽命與晶粒尺寸小的少子壽命基本一樣，但是晶粒尺寸不均勻的少子壽命要比晶粒尺寸不均勻的小一些，且少子壽命分布也不均勻，集中在大晶粒附近。

2 分析與結(jié)論

綜上所述，多晶硅片少子壽命的值主要受雜質(zhì)含量、硅片厚度、晶粒的均勻性等一系列因素的影響，因此要提高多晶硅片的少子壽命需綜合考慮鑄錠提純過程，選擇切割合適的硅片厚度，鑄造晶粒均勻的多晶硅片。

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