光伏硅晶材料的熱改性研究.pdf

1、太陽能光伏發(fā)電是解決世界能源危機和環(huán)境污染的重要途徑。目前硅晶太陽電池占據(jù)了光伏市場約88％的份額。硅晶材料的熱改性指通過熱處理或優(yōu)化硅晶太陽電池制造中的熱過程參數(shù)來提高晶體硅材料的光伏應(yīng)用性能。它是一條低成本地提高硅晶太陽電池轉(zhuǎn)換效率的重要的潛在途徑。
　　 本文系統(tǒng)地研究了熱過程參數(shù)對晶體硅中雜質(zhì)狀態(tài)與分布、缺陷密度的影響,以其由此導(dǎo)致的晶體硅電學(xué)性能的變化規(guī)律。所涉及的硅晶材料包括直拉單晶硅與定向凝固鑄造多晶硅。研究主要取

2、得以下結(jié)果:
　　 1、發(fā)現(xiàn)鑄造多晶硅在連續(xù)冷卻過程中,間隙固溶態(tài)的雜質(zhì)氧有很強的沉淀趨勢,而替位固溶態(tài)的碳則不然。前者在高達(dá)10℃/s的冷卻速率下仍會發(fā)生可觀沉淀析出;而后者在低至0.017℃/s冷卻速率下也基本不發(fā)生沉淀析出。計算分析顯示,硅晶中雜質(zhì)碳不易發(fā)生沉淀析出的原因在于碳在硅中的擴散激活能大,擴散速率極低。
　　 2、發(fā)現(xiàn)無論是直拉單晶硅還是鑄造多晶硅,其鐵雜質(zhì)的脫溶沉淀與分解重溶對熱過程十分敏感,需密切關(guān)注

3、。兩種原始態(tài)的硅晶材料在300～1050℃范圍加熱后快速冷卻至室溫,其間隙鐵含量均顯著增加;加熱溫度越高,快冷后硅晶中的間隙鐵含量越高;而經(jīng)一定溫度加熱后,間隙鐵含量均隨冷卻減緩而降低。在900～1050℃范圍加熱,繼以50℃/s的速率快冷至室溫后,兩種硅晶材料中90%以上的鐵仍以沉淀形式存在,其余的鐵以過飽和固溶間隙態(tài)存在。對鑄造多晶硅,這些過飽和的間隙鐵經(jīng)加熱隨即緩慢冷卻處理后,又發(fā)生沉淀而大幅度回落下降,并隨加熱溫度的升高而逐漸降

4、低,900℃加熱時即接近原始鑄造多晶硅的間隙鐵含量水平。
　　 3、0.2mm厚的多晶硅片經(jīng)過1320℃以上高溫退火并緩慢冷卻后,其內(nèi)部位錯數(shù)量會顯著下降。例如在1340℃退火2小時并以0.12℃/s速率冷卻后,其內(nèi)部位錯密度降低約一半。實驗顯示,高溫下硅晶體中位錯的消長對熱應(yīng)力十分敏感,從而受冷卻條件和材料厚度影響很大-在1320℃以上高溫退火后冷卻速率稍高(大于0.13℃/s)即會使多晶硅片內(nèi)部位錯密度增加;而厚度為13mm

5、的鑄造多晶硅塊經(jīng)此高溫退火后即使以0.03℃/s的速度緩慢冷卻,其內(nèi)部的位錯密度也有一定程度的升高。實驗還發(fā)現(xiàn),經(jīng)1100℃以下溫度退火并緩慢冷卻后,0.2mm多晶硅片中位錯密度并不降低,反而增加。
　　 4、提出原始態(tài)硅晶材料少子壽命的熱衰減概念并進(jìn)行系統(tǒng)研究。實驗發(fā)現(xiàn),原始態(tài)的直拉單晶硅與鑄造多晶硅在300～1050℃范圍加熱后快冷至室溫,其少子壽命均顯著下降,加熱溫度越高,下降程度越大;而經(jīng)相同的溫度加熱后,其少子壽命隨冷

6、卻速率增加而降低;熱衰減后的多晶硅片經(jīng)不同加熱并緩慢冷卻處理后,其少子壽命均能得到不同程度的恢復(fù),在900℃達(dá)到最大值,約為原始多晶硅片的92%。實驗還發(fā)現(xiàn),經(jīng)過加熱淬冷熱衰減的鑄造多晶硅比原始鑄造多晶硅具有更強的抗高溫?zé)崴p能力。
　　 5、綜合硅晶材料少子壽命熱衰減/恢復(fù)現(xiàn)象與熱過程中硅晶內(nèi)部氧、碳和鐵雜質(zhì)雜質(zhì)狀態(tài)與位錯密度變化的關(guān)聯(lián)情況,提出熱衰減的主要機理是硅晶中鐵等金屬沉淀相的分解造成的鐵等金屬雜質(zhì)的固溶釋放,它們在冷

7、卻過程中未能充分聚集沉淀,而造成較高含量的過飽和固溶鐵等金屬雜質(zhì)或高度分散細(xì)密的二次沉淀,成為少子復(fù)合中心,使少子壽命大幅下降;而已經(jīng)熱衰減硅晶的少子壽命恢復(fù)的主要機理則是過飽和固溶鐵等金屬雜質(zhì)的聚集沉淀,或細(xì)密沉淀的溶解與再次聚集沉淀為較大尺度沉淀相。
　　 6、采用650℃保溫40min的退火可以有效地消除直拉單晶硅中形成的熱施主,并使虛高的少子壽命和電阻率恢復(fù)到實際值。在后續(xù)高溫加熱后的緩慢冷卻過程中,硅片的熱施主會再次生