非金属材料专业毕业设计（论文）外文翻译坩埚和涂层质量对多晶硅太阳能电池性能的影响

1、外 文 资 料 译 文坩埚和涂层质量对多晶硅太阳能电池性能的影响摘 要通过对太阳能级硅的坩埚和不同纯度涂层在半工业规模的熔炉铸造中的研究我们发现了少数流子寿命对石英坩埚和氮化硅涂层质量的影响。一个高纯硅的坩埚和一个表层覆盖高纯硅的坩埚和氮化硅涂层的标准级硅坩埚进行了测试。一个涉及了多种氮化/氧化物的浓度变化的新的概念用来确保改善装载和传送的情况也已经被测试了。少数载流子寿命已经被用来评估和参考坩埚的多晶硅锭相比的多晶硅锭的质量。人们已经发现坩埚和涂层的纯度对载流子的寿命有着重大的影响。高纯度的坩埚和涂层的多晶硅锭比参照坩埚和涂层的多晶硅锭多出一倍的寿命。只要二氧化硅层足够厚，在坩埚与氮化硅之间

2、的高纯二氧化硅层也可能产生一个积极的影响。这种在氮化硅表层的二氧化硅层有很强的机械应力足以接触熔融坩埚而且这种氮化硅坩埚有利于装料将被应用到坩埚生产商中。这种涂层的氧溶解到熔体已经通过寿命和电池特征进行了研究和评估。1.介绍多晶硅太阳能电池通常由石英坩埚表层的氮化硅的高纯硅的定向凝固而成。多晶硅凝固的过程中最主要的问题就是要避免杂质进入到硅中，并且尽量减少物质在凝固和冷却过程中产生应力所造成的的位错。也就是众所周知的结构缺陷。（例如，位错和晶界）杂质之间的相互作用也会对太阳能电池的性能有着严重的影响1,2。当硅在熔炉中定向凝固的时候会通过原料，炉内气氛，坩埚和坩埚涂层引入杂质。大部分的杂质在进

3、入到熔体中后会被分离到固化硅锭的顶端。然而，杂质扩散到固体硅中时是非常难移除的，从而使坩埚和涂层成为重要的污染源。所以说涂层的目的就是禁止石英坩埚与硅反应造成的坩埚失败和减少杂质从坩埚到硅中的扩散。然而，坩埚和涂层自身可能就是污染源。氮化硅涂层是很脆的很容易在坩埚装料的过程中破裂。本文中的一些问题是由挪威科技大学和维苏威大学合作共同研究的。比如坩埚和涂层纯度对硅的性能的影响已经进行了研究3。此外，一种新型的在氮化硅涂层的上面额外添加了二氧化硅层来接触熔体的坩埚已经通过了测试。这个二氧化硅层的目的是要形成一个高抵抗的涂层。这种已经被涂层并且将简化装料的坩埚随后可能会转交到硅片生产商手中4。2.实

4、验过程凝固实验是在一个半工业规模的crystalox ds厂中进行的，250炉多晶硅定向凝固成12公斤直径250毫米高度约100毫米的圆柱形锭。加热和凝固顺序被描述在3处。在一系列的实验中，三种不同的坩埚是涂有100-150毫米的氮化硅层，都已经在盐酸/氢氟酸溶液中清洗，用来将金属杂质的质量分数减少到百万分之一3。太阳能级硅的标准熔融石英坩埚作为参照物1，第二个坩埚是覆盖了高纯二氧化硅层和第三个坩埚直接是由高纯硅制成的。坩埚的杂质含量列于表1.表一 标准级硅坩埚（参照），高纯级坩埚，和高纯硅涂层（百万分之一质量）的杂质集中区域（所有数据均由维苏威提供）表二 涂层和坩埚的使用概述纯ube是在酸液

5、中清洗的si3n44。“o添加”是浓缩氮化硅的专利氧。新历：新的标准，低铁级。附录：以前的标准。在第二系列实验中，另外的三个凝固实验也进行了：一个参照实验（参照2）其坩埚覆盖了一层工业氮化硅（100-150毫米厚），另外2个坩埚用的是rtu坩埚（rtu1和rtu2）。这种即用型（rtu）的坩埚是跟参照实验坩埚相同质量的但是覆盖的是一层浓缩氧氮化硅层来提高坩埚壁的机械应力和附着力，之后覆盖一层高纯二氧化硅层。这些坩埚和涂层的总结在表2.硼被加入到所有的多晶硅锭中来给硼掺杂物质提供一个大约1.20厘米的电阻材料。凝固硅锭的样品已经被送去进行由傅里叶转换红外光谱到准稳态的光电导率的氧测量（qsspc

6、）4,5。尺寸为50*50平方毫米的块状硅锭被切割成类似于rtu1和参照物1的中心硅锭并做进一步的电池处理。太阳能电池已经在荷兰能源研究中心生产。3.结果3.1熔化和凝固顺序图1显示了第一系列实验的熔化和凝固温度分布。1535.1的稳定期符合熔化的顺序。可以看出相比于图2这个顺序大约比高纯坩埚短了3小时。从实验系列1的另外2个坩埚的硅锭垂直氧浓度分布可以看出。这一时期的长短是由感应器通过感应装料坩埚的完全熔融控制的。第二系列的熔融时间跟参照物1和二氧化硅涂层坩埚类似。图一 第一系列凝固实验的温度剖面图图二 实验系列1硅锭氧浓度的垂直分布3.2氧浓度图2显示了第一系列实验硅锭中心的垂直氧浓度分布

7、。可以看出各级都非常低而且重要区域都比预期的最高值要低。高纯度的坩埚和覆盖有高纯二氧化硅涂层的坩埚相比于参照物的硅锭氧浓度都有点低，至少在硅锭的低部区域是这样的。在所有硅锭的水平方向氧分布还是十分平缓的。图三 实验系列2硅锭氧浓度的垂直分布图四 实验系列1硅锭的少子寿命的垂直分布图3显示了第二系列实验的氧气浓度分布。可以看出在rtu坩埚中的2块硅锭凝固的氧浓度非常相似并且明显比参照物的高。这表明二氧化硅层碰到熔体的时候发生了溶解并且通过检查实验后的坩埚发现二氧化硅层完全消失证实了这个假设。3.3少数载流子寿命图4显示了第一系列实验的硅锭中心的少数载流子寿命的垂直分布。高纯坩埚的硅锭寿命明显比其

8、他的高并且峰值在95ms左右，然而高纯二氧化硅涂层的寿命看上去仅仅只有一点改善在50ms左右，超过了寿命峰值只有45ms的参照物。图5显示了第二系列实验的寿命垂直分布和参照物1的寿命。可以看出2个参照硅锭的寿命非常相似，峰值大约在45ms并且那2个rtu坩埚寿命非常相似但是明显低于参照硅锭大概10ms左右。3.4太阳能电池性能图6显示了rtu1和参照电池的垂直有效扩散长度分布。可以看出还是参照硅锭的扩散长度比较高，但是不太明显，rtu和参照硅锭都分别在310到440mm之间。图7显示了rtu1和参照1硅锭的太阳能电池效率。从预期的最大寿命和扩散长度进行测量，还是参照硅锭的效率比rtu硅锭的高。

9、图五 实验系列2硅锭的少子寿命的垂直分布图六 rtu1和参照1硅锭的有效扩散长度图七 rtu1和参照1硅锭的太阳能电池效率4讨论图1显示了高纯坩埚硅锭的生产熔化时间比另外两个硅锭短。这个可以解释为高纯度的坩埚有更高的热传导性。这也意味着熔体和坩埚有着更短的接触时间，然而这也意味着坩埚和涂层有着更短的污染时间。所以，不能得出低氧含量就能导致硅锭长寿命的结论，如图2和3所示，高纯坩埚只是一个方面的影响因素，但是这些影响因素综合起来也能起到短熔化时间的效果。高纯二氧化硅涂层的坩埚硅锭寿命相比参照硅锭也只是略有改善。经检查发现，经过熔化实验之后的涂层在某些区域非常薄，大约只有20毫米，以至于可能不足以

10、阻止杂质的扩散。事实上即使是如此薄的一层仍然起到了有效的作用，这也说明了一个厚的涂层可能起到更有效的改善。rtu坩埚被涂层后发到维苏威使用也说明了它较好的缓冲性能和耐划痕性4。由图4可以看出二氧化硅层已经溶解并且在硅锭中形成了一个高氧区域。rtu硅锭的寿命明显低于参照硅锭而且电池效率也不如参照硅锭的。不过，减少材质的初步差异，太阳能电池加工过程中的吸气和加氢还是如此。在靠近硅锭底部的氧浓度大的地方太阳能电池的性能是最高的，表明了氧浓度并非是导致太阳能电池性能下降的主要原因。通过图2和图3和图4和图5的比较我们知道明显相关的是氧含量和载流子寿命，可解释的原因是实际上氧气是一些杂质从坩埚和涂层扩散

11、到硅锭的唯一途径，氧气水平也可能作为评判一般杂质水平的指标。5结论在多晶硅太阳能电池的熔化和凝固过程中高纯石英坩埚有着比标准坩埚更高的少数载流子寿命。只要高纯石英层足够厚那么它在标准坩埚上可以充当扩散屏蔽和改善硅锭质量的角色。即用型的坩埚和氮化硅层和顶部石英保护层能带给硅锭高氧量，使硅锭有着合理的寿命和电池性能。致谢我们要感谢g. rancoule, l. dupy, a. holt, g. coletti的帮助和c. ndzogha所做的坩埚准备与实验研究给我们带来的帮助。参考文献1 l.j.geerligs,in:proceeding of the third world conferen

12、ce on photovoltaic energy conversion,2003,pp.104410472 d.barakel,m.gauthier,s.martinuzzi,n.le quang ,o.palais, i.perichaud,in:proceeding of the 21st european photovoltaic solar energy conference,2006,pp.111111143 r.kvand,l.arnberg,c.martin,g.rancoule,l.dupuy,a.holt,in: proceeding of the 21st european photovoltaic solar energy conference,2006,pp.105210564r.kvande,l.arn