直拉區(qū)熔硅單晶的研究與應(yīng)用

喬柳

【摘 要】太陽能資源豐富、清潔、可再生等優(yōu)勢，使光伏行業(yè)得以迅速發(fā)展，光伏領(lǐng)域最常用的P型直拉硅單晶雜質(zhì)含量高，尤其是氧雜質(zhì)高達1*1018atom/cm3，電池片轉(zhuǎn)化效率提升受限且光致衰減較為嚴(yán)重，單晶軸向電阻率衰減導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率波動較大，我司采用直拉區(qū)熔法研制的P型1-3Ω.cm硅單晶，氧含量≤5*1016atom/cm3，相比直拉硅單晶氧含量減小近2個數(shù)量級，少子壽命高，制備的電池片轉(zhuǎn)化效率相比于直拉硅單晶電池片高出1.83個百分點，而光致衰減降低1.5個百分點，直拉區(qū)熔單晶軸向電阻率和少子壽命穩(wěn)定性高，因此整顆單晶的電池片轉(zhuǎn)換效率可控制在同一水平，有利于后續(xù)組件和電站的穩(wěn)定性，因此直拉區(qū)熔硅單晶在光伏領(lǐng)域有較為廣闊的前景。

【關(guān)鍵詞】直拉區(qū)熔硅單晶；電阻率；少子壽命；轉(zhuǎn)化效率；光致衰減

1. 簡介

為促進太陽能產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，國家能源局下發(fā)《太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，到2020年底，光伏發(fā)電裝機達到1.05億千瓦以上，目前高成本仍是光伏發(fā)電發(fā)展的主要障礙，提高轉(zhuǎn)化效率是降低發(fā)電成本的重要措施，從目前太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢來看，太陽能光伏電池在很長一段時間內(nèi)仍將以晶體硅基體電池為主，而單晶硅材料是現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)和處于快速發(fā)展的新能源產(chǎn)業(yè)的主要功能性材料，隨著光伏行業(yè)的發(fā)展，單晶硅電池市場份額將會逐步增大，預(yù)計到2025 年達到48% [1]。目前硅單晶材料90%以上采用直拉法制備[2]，硅單晶軸向電阻率不易控制，存在較多的晶體缺陷，降低了少數(shù)載流子壽命，其高氧含量（≥1018atom/cm3）所形成的氧施主會導(dǎo)致電池片轉(zhuǎn)化效率衰減，限制了電池片轉(zhuǎn)化效率的提高[3]，為了解決上述問題，我司研制了一種新型直拉區(qū)熔硅單晶，采用直拉法拉制出多晶硅棒料后，用區(qū)熔法拉制成硅單晶，其性能接近區(qū)熔硅單晶（氧含量≤5*1016 atom/cm3），成本卻遠低于硅單晶，借助其高性能、低成本優(yōu)勢，直拉區(qū)熔硅單晶在光伏領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

2. 實驗過程

2.1 實驗設(shè)備：

美國HAMCO公司CG-6000型直拉爐、FZ-30型丹麥進口區(qū)熔爐、高鳥線切機；KDY-1型四探針電阻率測試儀、WQF-520A傅里葉紅外光譜儀、BL-1少子壽命測試儀等。

2.2 實驗過程

將多晶塊料（基磷電阻率≥300Ω.cm，基硼電阻率≥2000Ω.cm），利用直拉法將塊狀多晶制備成φ150多晶棒料，然后用氣相硼源摻雜和區(qū)熔法拉制成φ205mm、電阻率1-3Ω.cm的P型<100>直拉區(qū)熔硅單晶，用鉆石線切割將單晶加工成硅片，由客戶協(xié)助制備電池片制備和測試。

2.3 測試方案

（1）電阻率測試：采用四探針電阻率測試儀沿單晶軸向每隔50mm測試表皮電阻率，測試前需要將待測位置表皮由光面打磨成灰面。

（2）間隙氧含量測試：沿單晶軸向每隔150mm取1片厚度約2mm的樣片，經(jīng)化學(xué)藥液（HF：HNO3=1：5）拋光至兩面光亮，采用傅里葉紅外光譜儀進行氧含量測試。

（3）少子壽命測試：單晶頭尾分別取厚度2mm的樣片，經(jīng)化學(xué)藥液（HF：HNO3=1：5）拋光至兩面光亮后采用碘酒鈍化，用WT-2000少子壽命儀測試。

（4）直拉區(qū)熔硅單晶和直拉硅單晶切片后，分別沿軸向等間隔抽取7組硅片，每組硅片數(shù)量為50片，制備成電池片后測試電池片轉(zhuǎn)化效率和光致衰減。

3.實驗結(jié)果與分析

3.1單晶軸向電阻率

直拉單晶拉制系統(tǒng)為保守系統(tǒng)，雜質(zhì)分凝明顯，導(dǎo)致頭部和尾部電阻率差異較大，而直拉區(qū)熔硅單晶在區(qū)熔的過程中，通過引入氣相摻雜，能夠?qū)崿F(xiàn)單晶軸向電阻率的精確控制，具體測試數(shù)據(jù)（圖1）。

3.2 少子壽命和間隙氧含量

在直拉單晶拉制過程中，熔融硅料與坩堝接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，坩堝中的雜質(zhì)通過硅熔體中進入直拉單晶中，導(dǎo)致單晶中雜質(zhì)含量較高，尤其是氧雜質(zhì)[3]，而區(qū)熔拉晶過程屬于半保守系統(tǒng)，在區(qū)熔過程中多晶棒料中絕大部分雜質(zhì)揮發(fā)，并被保護氣體攜帶排除單晶爐外，大幅度降低了雜質(zhì)含量，尤其是氧含量相比于直拉硅單晶能夠降低1-2個數(shù)量級（圖2），因此直拉區(qū)熔硅單晶少子壽命較高（圖3），比直拉硅單晶平均高出9μs左右。

3.3 電池片轉(zhuǎn)化效率和衰減

由于直拉區(qū)熔硅單晶具有雜質(zhì)含量低、少子壽命高等優(yōu)勢，其制作而成的電池片具有較高的轉(zhuǎn)換效率（圖4），相比于比常規(guī)直拉單晶電池片，其轉(zhuǎn)換效率平均高出1.83個百分點，且沿單晶軸向表現(xiàn)出非常強的一致性，有利于后續(xù)組件的一致性和電站的穩(wěn)定性；早在1973年Fischer等人就發(fā)現(xiàn)硅太陽能電池存在衰減現(xiàn)象[4]，目前人們普遍接受的觀點是光致衰減由B-O復(fù)合體造成[5]，由于直拉區(qū)熔硅單晶氧含量很低，形成B-O復(fù)合體數(shù)量很少，其光致衰減大幅度降低，相比直拉單晶電池片低了約1.5個百分點。

4.實驗結(jié)論

直拉區(qū)熔硅單晶少子壽命高，雜質(zhì)含量低（氧含量≤5*1016atom/cm3），因此制作成太陽能電池轉(zhuǎn)化效率高，相比直拉硅單晶電池片高出1.83%，光衰減效應(yīng)小，比直拉電池片低1.5%；同時軸向電阻率一致性高，保證了組件和電站性能的穩(wěn)定性，綜上所述，直拉區(qū)熔硅單晶在高效電池領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線2016版.

[2]楊德仁：太陽能電池材料（北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2006年10月）.

[3]沈浩平，李翔，昝興利，汪雨田：CFZ單晶的生產(chǎn)及特點[A]，《半導(dǎo)體雜質(zhì)》，1998年9月，23卷3期：24-27頁.

[4] FischerH，Pschunder W： Investigation of photon and thermal induced changes in silicon solar cells[ACA， USA： Conference Record of the 10th IEEE Photovoltaic Specialists Conference， 1973， 404.

[5]趙玉文：P型（摻硼）晶硅太陽電池的光衰減機制和技術(shù)改進措施[J].《功能材料》，2003， 34（4）：409-411.endprint