高光电转换效率,无衰减的太阳电池硅单晶的研制

高光电转换效率，无衰减的太阳电池硅单晶的研制

曾世铭1冯1，蒋建华1，蔡岳峰1,汪义川2，李剑2，黄治国21－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。

报告内容1.概述2.工艺原理3.单晶拉制实验4.实验结果,讨论以及结论

5.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；拉晶过程中的工艺控制等方面的问题。

施正荣博士，杨德仁教授和InesRutsachman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：1.可降低和控制单晶氧含量的磁场直拉法（MCZ法）。2.用镓或铟元素取代硼作为P型掺杂剂的拉晶方法。3.采用磷合金作为N型掺杂剂的拉晶方法。对这三种方法的普遍认知是：MCZ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。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。使用磷掺杂的N型单晶，必须要改变电池制作工艺。经过探讨，我们还是选定了掺镓的单晶拉制工艺。2.工艺原理

众所周知镓的分凝系数是8X10－3，而铟的是4X10－4，的确大大小于硼的分凝系数8X10－1。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0.5－6.0欧姆厘米。因此这就不会成为问题。

分凝公式：C=KC’(1–X)K-1式中：C――单晶中杂质浓度K――杂质分凝系数

C’――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的百分比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计算后列于下表：（目标电阻率为2欧姆厘米）结晶百分数

掺硼单晶电阻率

掺镓单晶电阻率～0％2.0欧姆厘米2.0欧姆厘米

10％1.97欧姆厘米1.9欧姆厘米

20％1.93欧姆厘米1.6欧姆厘米

30％1.89欧姆厘米1.45欧姆厘米

40％1.83欧姆厘米1.25欧姆厘米

50％1.78欧姆厘米1.05欧姆厘米

60％1.70欧姆厘米0.85欧姆厘米

70％1.60欧姆厘米0.67欧姆厘米

80％1.48欧姆厘米0.50欧姆厘米

90％1.30欧姆厘米0.27欧姆厘米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85％的单晶重量仍然位于0.5－2.0欧姆厘米的范围内，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：A.单晶炉：常州华盛天龙公司生产的85型单晶炉，采用18”石墨热场和18”石英坩埚，装料量为60公斤硅。B.氧碳含量测试仪：NICOLET－6700型红外光谱仪。C.少子寿命测试仪：WT－1000型。D.电阻率测试仪：BD－86A型。E．电阻率及型号分选仪：SRTT型。（2）硅原料，掺杂剂及单晶，晶片规格：A.硅原料：美国MEMC多晶硅。B.掺杂剂：7N的高纯镓。C.硅单晶：6”，P型，0.5－6.0欧姆厘米，≧10微秒。D．硅晶片：125X125毫米，厚度200±10％微米。（3）拉晶实验：将60公斤硅多晶装入石英坩埚中，采用减压氩气下拉晶，压力1300Pa.晶转为12转/分，埚转为8转/分，拉速为1.1毫米/分－0.6毫米/分。连续开了4炉，拉出4根完整单晶，长度均为1200毫米左右。4根硅单晶的编号分别为：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；电阻率；少子寿命；氧碳含量等数据。（5）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125X125毫米的准方形厚度200±20微米的晶片12790片，送到尚德公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。4.实验结果，讨论以及结论（1）单晶物理参数测试数据：（寿命值为尚德公司提供）晶体编号头/尾电阻率头/尾氧含量头/尾碳含量头/尾寿命（Ω－㎝）（X1017）（X1016）（µs）03-35-061.1/0.39.3/11.70.27/0.96187/4904-35-011.6/0.39.3/10.00/0.16255/3104-35-021.9/0.39.3/9.800.26/0.54448/2904-35-031.7/0.39.9/9.800.3/0.56207/48（2）晶片分类数据（尚德公司提供）：电阻率0.2-0.50.5-0.90.9-1.6

（Ω-㎝）（Ω-㎝）（Ω-㎝）硅片数(片) 197451015715分布率(％)15.3439.3144.68太阳电池转换效率及光衰减数据（尚德公司提供）：电阻率（Ω-㎝）转换效率（％）光衰减率（％）

0.2-0.517.330.490.5–0.917.37 0.89

0.9–1.617.650.62

全部平均17.570.67

注：光衰减率是在4小时内，一个太阳光强下测试的。

根据电池专家的意见，光衰减率≤2％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零位错的，而是位错密度≤300CM-2的单晶可视为无位错的。结论：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，制备难度并不大，值得在生产中推广。

5.结语1）除去使用MEMC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5514片125X125mm的晶片，制成的太阳电池的转换效率平均为17％以上，经4小时一个太阳下光照后，其衰减率平均为1％，也可视为高转换效率，无衰减的。2）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200万片晶片，用户反映良好。3）我们也使用MEMC的多晶，以硼掺杂，制备0.5－1.5；1.5－3；3－6欧姆厘米的不同电阻率的单晶，制作太阳电池晶片供尚德实验，发现衰减率仍然较大。表明硼氧复合体的确是影响光衰减率的主要因素。4）是否还有其它杂质元素或复合体，以及晶