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太阳电池用铸造多晶硅结构缺陷和杂质的研究摘要：铸造多晶硅作为太阳能电池中的主要光伏材料受到人们的广泛重视。但多晶硅晶体在生长的过程中不可避免的存在各种缺陷加之多晶硅中存在氧、碳等杂质制约了多晶硅电池的效率。因此研究不同铸锭区域多晶硅材料的性能及其影响因素是太阳电池与硅材料研究的一个重要课题。关键词：太阳电池铸造多晶硅结构缺陷杂质中图分类号：TM911.1文献标识码：A文章编号：1引言在替代能源中应用最广泛的是直接从太阳能得到电的太阳电池而铸造多晶硅作为最主要的光伏材料也引起人们的关注。但在铸造多晶硅晶体的生长过程中不可避免的会有坩埚的玷污、硅料中已有的各种杂质污染以及热应力导致的各种缺陷。铸造多晶硅中常见的杂质主要是氧、碳及一些过渡金属如铁、铬、镍、铜等。含有的晶体缺陷主要有晶界和位错两种。这些杂质和缺陷会在禁带中引入缺陷能级具有很强的复合活性。这就制约了多晶硅电池的效率使得多晶硅电池与单晶硅电池相比效率较低。因此研究不同铸锭区域多晶硅材料的性能及其影响因素是太阳电池与硅材料研究的一个重要课题。特别是关于铸锭边缘低少子寿命区域的研究对促进铸造多晶硅晶体生长提高铸造多晶硅材料有效利用率有着非常重要的作用。2铸造多晶硅中的杂质及影响因素铸造多晶硅是通过对硅原料进行重熔铸锭而成。硅原料主要有两种：其一半导体工业制备单晶硅剩下的头尾料、锅底料以及没制备成功而产生的废料；其二原生多晶硅与半导体工业废料或高纯金属硅按一定比例混掺这是由于光伏产业的高速发展导致半导体工业边角废料生产的多晶硅远远不能满足需求于是有的企业便采取这种方式来获得生产电池用的多晶硅。2.1硅片的少子寿命及其影响因素在一定温度下处于热平衡状态的半导体材料中的载流子浓度是一定的。这种处于热平衡状态下的载流子则称为平衡载流子其浓度称为平衡载流子浓度。通常用no和po来分别表示平衡电子浓度和空穴浓度。在非简并的情况下他们的乘积满足nop=ni其中ni是本征载流子浓度。但是当这种平衡状态被外界作用所破坏时半导体材料就处于与热平衡状态相偏离的状态称为非平衡态。此时的载流子浓度不再是no和po而是比创门多出一部分。这些比平衡状态多出来的载流子则称为非平衡载流子。例如在光照下能量大于禁带宽度的光会激发价带中的电子跃迁到导带中从而产生非平衡载流子n和p其中n=p。非平衡载流子又分为非平衡多数载流子和非平衡少数载流子如对于P型硅基光伏材料多出来的空穴就是非平衡多数载流子多出来的电子则是非平衡少数载流子。非平衡载流子并不能一直稳定地存活下去。当产生非平衡载流子的外界作用撤去后它们就会逐渐的衰减并消失最终使得载流子的浓度回复到平衡时的值这一过程称为非平衡载流子的复合。非平衡载流子的衰减和消失并不是立即实现的而是需要一个过程。将非平衡载流子浓度减小到原值的l/e所经历的时间作为非平衡载流子的平均生存时间即非平衡载流子的寿命用ⅹ表示。由于相对于非平衡多数载流子非平衡少数载流子的影响处于主导的地位因而非平衡载流子的寿命常称为少数载流子寿命。2.2铸造多晶硅中的原生杂质氧是铸造多晶硅中的主要杂质之一它主要来自于石英坩埚的玷污。虽然低于溶解度的间隙氧并不显电学活性但是当间隙氧的浓度高于其溶解度时就会有热施主、新施主和氧沉淀生成进一步产生位错、层错从而成为少数载流子的复合中心。图1为氧在熔体中的传递示意图。我们认为晶体生长过程中氧的传递包含了可能的三个过程：a氧从柑祸中向硅熔体中进行扩散；b氧的分凝导致氧从熔体中进入凝固的晶体中；c氧在熔体表面以SiO的形式挥发。在晶体生长的初始阶段主要是氧的挥发决定着铸造多晶硅中的氧浓度及其分布而在晶体生长的后阶段可以认为是氧的分凝起主要作用因为熔体中氧浓度减少挥发减弱。图1：氧在熔体中的传递示意图碳作为铸造多晶硅中的另外一种杂质主要来源于石墨坩埚的玷污。处于替代位置上的碳对材料的电学性能并无影响但是当碳的浓度超过其溶解度很多时就会有SIC沉淀生成诱生缺陷导致材料的电学性能变差。因此碳浓度在多晶硅锭中的呈现底部低头部高的分布曲线而且浓度上升曲线较陡头部碳浓度甚至可能超过碳在硅中的固溶度。因此在热处理过程中头部的碳可能会形成SIC颗粒等沉淀在硅中形成硬质点引起划痕。大尺寸的SIC还可能穿透器件的PN结从而造成漏电等现象。过渡金属是硅中另一类会显著降低其性能的杂质。由于铸造多晶硅所用硅料纯度不高石英蜡祸内壁的Si3N4涂层中也含