高光电转换效率,无衰减的太阳电池硅单晶的研制

1、高光电转换效率，无衰减的太高光电转换效率，无衰减的太阳电池硅单晶的研制阳电池硅单晶的研制 曾世铭曾世铭1冯冯1，蒋建华，蒋建华1，蔡岳峰，蔡岳峰1,汪义川汪义川2，李剑李剑2，黄治国，黄治国21常州美晶太阳能材料有限公司，江苏。常州美晶太阳能材料有限公司，江苏。2尚德电力控股有限公司，江苏，无锡。尚德电力控股有限公司，江苏，无锡。 报告内容n1.1.概述概述 n2.2.工艺原理工艺原理n3.3.单晶拉制实验单晶拉制实验n4.4.实验结果实验结果, ,讨论以及结论讨论以及结论 n5.结语结语1.概述 近年来，太阳电池工业的迅猛发展致使制备单晶硅的原材料供应十近年来，太阳电池工业的迅猛发展致使制备

2、单晶硅的原材料供应十分紧张，加之大部分的硅单晶生产厂家是新参与者，不太了解硅的分紧张，加之大部分的硅单晶生产厂家是新参与者，不太了解硅的质量与太阳电池性能之间的关系，因而饥不择食地购入了大量的垃质量与太阳电池性能之间的关系，因而饥不择食地购入了大量的垃圾原料诸如：极低阻的重掺硅料；埚底料；薄镀膜片，彩片；电池圾原料诸如：极低阻的重掺硅料；埚底料；薄镀膜片，彩片；电池废片等杂料，误认为可通过型号补偿以及化学物理法处理后，只要废片等杂料，误认为可通过型号补偿以及化学物理法处理后，只要凑合太阳电池所需型号和电阻率的要求，拉成单晶，甚至连少子寿凑合太阳电池所需型号和电阻率的要求，拉成单晶，甚至连少子寿

3、命都不测，就提供给用户制作太阳电池，必然造成电池的转换效率命都不测，就提供给用户制作太阳电池，必然造成电池的转换效率不高，不稳定，经光照后效率大为衰减的问题。近年来，国内外的不高，不稳定，经光照后效率大为衰减的问题。近年来，国内外的科学家和资料纷纷报道，应着重于关注原材料的纯度，特别是寿命科学家和资料纷纷报道，应着重于关注原材料的纯度，特别是寿命杀手的重金属，贵金属的含量；氧的控制及硼氧复合体；拉晶过杀手的重金属，贵金属的含量；氧的控制及硼氧复合体；拉晶过程中的工艺控制等方面的问题。程中的工艺控制等方面的问题。 n 施正荣博士，杨德仁教授和施正荣博士，杨德仁教授和Ines Rutsachman

4、 等人指出解决转等人指出解决转换效率低的关键是原料的纯度以及采用以下三个方法：换效率低的关键是原料的纯度以及采用以下三个方法：1.可降低和控制单晶氧含量的磁场直拉法（可降低和控制单晶氧含量的磁场直拉法（MCZ法）。法）。2.用镓或铟元素取代硼作为用镓或铟元素取代硼作为P型掺杂剂的拉晶方法。型掺杂剂的拉晶方法。3.采用磷合金作为采用磷合金作为N型掺杂剂的拉晶方法。型掺杂剂的拉晶方法。n对这三种方法的普遍认知是：对这三种方法的普遍认知是：MCZMCZ法虽能控制和降低单晶中的氧法虽能控制和降低单晶中的氧含量，但是需要配置磁场设备并提供其激磁电源，必然增加成本。含量，但是需要配置磁场设备并提供其激磁电

5、源，必然增加成本。而第二种方法中由于镓和铟的分凝系数问题，使单晶头尾间的轴而第二种方法中由于镓和铟的分凝系数问题，使单晶头尾间的轴向电阻率变化太大，使得实施起来很复杂，不利于工业化生产。向电阻率变化太大，使得实施起来很复杂，不利于工业化生产。使用磷掺杂的使用磷掺杂的N N型单晶，必须要改变电池制作工艺。型单晶，必须要改变电池制作工艺。 经过探讨，经过探讨，我们还是选定了掺镓的单晶拉制工艺。我们还是选定了掺镓的单晶拉制工艺。2. 工艺原理n 众所周知镓的分凝系数是众所周知镓的分凝系数是8 X 103，而铟的是，而铟的是4 X 104，的确大大小于硼的分凝系数，的确大大小于硼的分凝系数8 X 10

6、1。 表面表面看来掺镓或铟的硅单晶轴向电阻率控制必然比掺硼的看来掺镓或铟的硅单晶轴向电阻率控制必然比掺硼的难度大些，也复杂些。但是太阳电池对单晶电阻率的难度大些，也复杂些。但是太阳电池对单晶电阻率的数值和分布范围要求比较宽松，例如数值和分布范围要求比较宽松，例如0.56.0欧姆厘欧姆厘米。因此这就不会成为问题。米。因此这就不会成为问题。 n分凝公式：分凝公式： C = KC( 1 X )K-1式中：式中：C 单晶中杂质浓度单晶中杂质浓度 K 杂质分凝系数杂质分凝系数 C硅熔体中杂质的原始浓度硅熔体中杂质的原始浓度 X 从硅熔体中拉制出的单晶重量占熔体重量从硅熔体中拉制出的单晶重量占熔体重量的百

7、分比的百分比n套用分凝公式将掺硼单晶和掺镓单晶的轴向电阻率分套用分凝公式将掺硼单晶和掺镓单晶的轴向电阻率分布数据经布数据经n计算后列于下表：（目标电阻率为计算后列于下表：（目标电阻率为2欧姆厘米）欧姆厘米）n结晶百分数结晶百分数 掺硼单晶电阻率掺硼单晶电阻率 掺镓单晶电阻率掺镓单晶电阻率n 0 2.0 欧姆厘米欧姆厘米 2.0欧姆厘米欧姆厘米n 10 1.97欧姆厘米欧姆厘米 1.9欧姆厘米欧姆厘米n 20 1.93欧姆厘米欧姆厘米 1.6欧姆厘米欧姆厘米n 30 1.89欧姆厘米欧姆厘米 1.45欧姆厘米欧姆厘米n 40 1.83欧姆厘米欧姆厘米 1.25欧姆厘米欧姆厘米n 50 1.78欧

8、姆厘米欧姆厘米 1.05欧姆厘米欧姆厘米n 60 1.70欧姆厘米欧姆厘米 0.85欧姆厘米欧姆厘米n 70 1.60欧姆厘米欧姆厘米 0.67欧姆厘米欧姆厘米n 80 1.48欧姆厘米欧姆厘米 0.50欧姆厘米欧姆厘米n 90 1.30欧姆厘米欧姆厘米 0.27欧姆厘米欧姆厘米n从以上数据得知掺镓单晶的轴向电阻率分布比掺硼的从以上数据得知掺镓单晶的轴向电阻率分布比掺硼的宽一些，但是宽一些，但是85的单晶重量仍然位于的单晶重量仍然位于0.52.0欧姆欧姆厘米的范围内，是可以规模化生产这种硅单晶的。厘米的范围内，是可以规模化生产这种硅单晶的。3. 单晶拉制实验（1）实验用设备和检测仪器：）实验用

9、设备和检测仪器：A.单晶炉：常州华盛天龙公司生产的单晶炉：常州华盛天龙公司生产的85型单晶炉，采用型单晶炉，采用18”石墨热场和石墨热场和18”石英坩埚，装料量为石英坩埚，装料量为60公斤硅。公斤硅。B.氧碳含量测试仪：氧碳含量测试仪：NICOLET6700型红外光谱仪。型红外光谱仪。C.少子寿命测试仪：少子寿命测试仪：WT1000型。型。D.电阻率测试仪：电阻率测试仪：BD86A型。型。E电阻率及型号分选仪：电阻率及型号分选仪：SRTT型。型。（2）硅原料，掺杂剂及单晶，晶片规格：）硅原料，掺杂剂及单晶，晶片规格：A. 硅原料：美国硅原料：美国MEMC多晶硅。多晶硅。B. 掺杂剂：掺杂剂：7

10、 N 的高纯镓。的高纯镓。C. 硅单晶：硅单晶：6”，P型，型，0.5 6.0 欧姆厘米，欧姆厘米，10微秒。微秒。D硅晶片：硅晶片：125 X 125 毫米，厚度毫米，厚度20010微米。微米。（3）拉晶实验：）拉晶实验： 将将60公斤硅多晶装入石英坩埚中，采公斤硅多晶装入石英坩埚中，采用减压氩气下拉晶，压力用减压氩气下拉晶，压力1300Pa.晶转为晶转为12 转转/分，分，埚转为埚转为8转转/分，拉速为分，拉速为1.1毫米毫米/分分 0.6毫米毫米/分。分。连续开了连续开了4炉，拉出炉，拉出 4根完整单晶，长度均为根完整单晶，长度均为1200毫毫米左右。米左右。4根硅单晶的编号分别为：根硅

11、单晶的编号分别为：SGMJ/P06-3-35-6SD; SGMJ/P06-4-35-1SD; SGMJ/P06-4-35-2SD; SGMJ/P06-4-35-3SD;（4） 单晶测试：将单晶切断，取头尾片测量导电型号；单晶测试：将单晶切断，取头尾片测量导电型号；电阻率；电阻率； 少子寿命；氧碳含量等数据。少子寿命；氧碳含量等数据。（5）晶片加工：切方，滚磨及切片）晶片加工：切方，滚磨及切片 将物理检测合格后的晶体加工成将物理检测合格后的晶体加工成125 X 125 毫米毫米的准方形的准方形 厚度厚度20020 微米的晶片微米的晶片12790片，送到尚德公片，送到尚德公司进行太阳电池制备以及有

12、关的电池转换效率和光衰司进行太阳电池制备以及有关的电池转换效率和光衰减的实验。减的实验。4. 实验结果，讨论以及结论n（1）单晶物理参数测试数据：（寿命值为尚德公司提供）单晶物理参数测试数据：（寿命值为尚德公司提供）晶体编号晶体编号 头头/尾电阻率尾电阻率 头头/尾氧含量尾氧含量 头头/尾碳含量尾碳含量 头头/尾寿命尾寿命 （） （ X 1017） （ X 1016） （s）03-35-06 1.1/0.3 9.3/11.7 0.27/0.96 187/4904-35-01 1.6/0.3 9.3/10.0 0 / 0.16 255/3104-35-02 1.9/0.3 9.3/9.80 0.

13、26/0.54 448/2904-35-03 1.7/0.3 9.9/9.80 0.3 /0.56 207/48（2）晶片分类数据（尚德公司提供）：）晶片分类数据（尚德公司提供）：电阻率电阻率 0.2-0.5 0.5-0.9 0.9-1.6 （-） （-） （-）硅片数硅片数(片片)1974 5101 5715分布率分布率() 15.34 39.31 44.68太阳电池转换效率及光衰减数据（尚德公司提供）：太阳电池转换效率及光衰减数据（尚德公司提供）：电阻率（电阻率（-） 转换效率（）转换效率（） 光衰减率（）光衰减率（） 0.2 - 0.5 17.33 0.49 0.5 0.9 17.37

14、0.89 0.9 1.6 17.65 0.62 全部平均全部平均 17.57 0.67 注：光衰减率是在注：光衰减率是在4小时内，一个太阳光强下测试的。小时内，一个太阳光强下测试的。n 根据电池专家的意见，光衰减率根据电池专家的意见，光衰减率2属于检测误差属于检测误差范围内，可视为无衰减。正如拉制无位错单晶并非是范围内，可视为无衰减。正如拉制无位错单晶并非是零位错的，而是位错密度零位错的，而是位错密度300CM-2的单晶可视为无的单晶可视为无位错的。位错的。n结论结论： 从测试结果得知：用镓代替硼作为掺杂剂来从测试结果得知：用镓代替硼作为掺杂剂来拉制太阳电池单晶，可以提高电池的转换效率和降低拉

15、制太阳电池单晶，可以提高电池的转换效率和降低光衰减问题（因为避免了硼氧复合体严重影响光衰光衰减问题（因为避免了硼氧复合体严重影响光衰减率的深能级的产生）。从拉制单晶的角度来看，制减率的深能级的产生）。从拉制单晶的角度来看，制备难度并不大，值得在生产中推广。备难度并不大，值得在生产中推广。 5. 结语n1）除去使用）除去使用MEMC的多晶进行实验外，我们还使用的多晶进行实验外，我们还使用了国产多晶硅掺镓的实验。共向尚德公司提供了了国产多晶硅掺镓的实验。共向尚德公司提供了5514片片125 X 125mm的晶片，制成的太阳电池的转换效的晶片，制成的太阳电池的转换效率平均为率平均为17以上，经以上，经4小时一个太阳下光照后，其小时一个太阳下光照后，其衰减率平均为衰减率平均为1，也可视为高转换效率，无衰减的。，也可视为高转换效率，无衰减的。n2）近几个月来我们用国产多晶，采用掺镓工艺共向用）近几个月来我们用国产多晶，采用掺镓工艺共向用户提供了近户提供了近200万片晶片，用户反映良好。万片晶片，用户反映良好。n3）我们也使用）我们也使