直拉區熔硅單晶的研究與應用

喬 柳 / 天津市環歐半導體材料技術有限公司

直拉區熔硅單晶的研究與應用

喬 柳 / 天津市環歐半導體材料技術有限公司

太陽能資源豐富、清潔、可再生等優勢，使光伏行業得以迅速發展，光伏領域最常用的P型直拉硅單晶雜質含量高，尤其是氧雜質高達1＊1018atom/cm3，電池片轉化效率提升受限且光致衰減較為嚴重，單晶軸向電阻率衰減導致轉化效率波動較大，我司采用直拉區熔法研制的P型1-3Ω.cm硅單晶，氧含量≤5＊1016atom/cm3，相比直拉硅單晶氧含量減小近2個數量級，少子壽命高，制備的電池片轉化效率相比于直拉硅單晶電池片高出1.83個百分點，而光致衰減降低1.5個百分點，直拉區熔單晶軸向電阻率和少子壽命穩定性高，因此整顆單晶的電池片轉換效率可控制在同一水平，有利于后續組件和電站的穩定性，因此直拉區熔硅單晶在光伏領域有較為廣闊的前景。

直拉區熔硅單晶；電阻率；少子壽命；轉化效率；光致衰減

1.簡介

為促進太陽能產業持續健康發展，國家能源局下發《太陽能發展“十三五”規劃》，到2020年底，光伏發電裝機達到1.05億千瓦以上，目前高成本仍是光伏發電發展的主要障礙，提高轉化效率是降低發電成本的重要措施，從目前太陽能光伏產業的現狀和發展趨勢來看，太陽能光伏電池在很長一段時間內仍將以晶體硅基體電池為主，而單晶硅材料是現代半導體工業和處于快速發展的新能源產業的主要功能性材料，隨著光伏行業的發展，單晶硅電池市場份額將會逐步增大，預計到2025年達到48%[1]。目前硅單晶材料90%以上采用直拉法制備[2]，硅單晶軸向電阻率不易控制,存在較多的晶體缺陷，降低了少數載流子壽命，其高氧含量（≥1018atom/cm3）所形成的氧施主會導致電池片轉化效率衰減，限制了電池片轉化效率的提高[3]，為了解決上述問題，我司研制了一種新型直拉區熔硅單晶，采用直拉法拉制出多晶硅棒料后，用區熔法拉制成硅單晶，其性能接近區熔硅單晶（氧含量≤5*1016atom/cm3），成本卻遠低于硅單晶，借助其高性能、低成本優勢，直拉區熔硅單晶在光伏領域有廣闊的應用前景。

2.實驗過程

2.1 實驗設備：

美國HAMCO公司CG-6000型直拉爐、FZ-30型丹麥進口區熔爐、高鳥線切機；KDY-1型四探針電阻率測試儀、WQF-520A傅里葉紅外光譜儀、BL-1少子壽命測試儀等。

2.2 實驗過程

將多晶塊料（基磷電阻率≥300Ω.cm，基硼電阻率≥2000Ω.cm），利用直拉法將塊狀多晶制備成φ150多晶棒料，然后用氣相硼源摻雜和區熔法拉制成φ205mm、電阻率1-3Ω.cm的P型<100＞直拉區熔硅單晶，用鉆石線切割將單晶加工成硅片，由客戶協助制備電池片制備和測試。

2.3 測試方案

（1）電阻率測試：采用四探針電阻率測試儀沿單晶軸向每隔50mm測試表皮電阻率，測試前需要將待測位置表皮由光面打磨成灰面。

（2）間隙氧含量測試：沿單晶軸向每隔150mm取1片厚度約2mm的樣片，經化學藥液（HF:HNO3=1:5）拋光至兩面光亮，采用傅里葉紅外光譜儀進行氧含量測試。

（3）少子壽命測試：單晶頭尾分別取厚度2mm的樣片，經化學藥液（HF:HNO3=1:5）拋光至兩面光亮后采用碘酒鈍化，用WT-2000少子壽命儀測試。

（4）直拉區熔硅單晶和直拉硅單晶切片后，分別沿軸向等間隔抽取7組硅片，每組硅片數量為50片，制備成電池片后測試電池片轉化效率和光致衰減。

3.實驗結果與分析

3.1 單晶軸向電阻率

直拉單晶拉制系統為保守系統，雜質分凝明顯，導致頭部和尾部電阻率差異較大，而直拉區熔硅單晶在區熔的過程中，通過引入氣相摻雜，能夠實現單晶軸向電阻率的精確控制，具體測試數據（圖1）。

3.2 少子壽命和間隙氧含量

在直拉單晶拉制過程中，熔融硅料與坩堝接觸發生化學反應，坩堝中的雜質通過硅熔體中進入直拉單晶中，導致單晶中雜質含量較高，尤其是氧雜質[3]，而區熔拉晶過程屬于半保守系統，在區熔過程中多晶棒料中絕大部分雜質揮發，并被保護氣體攜帶排除單晶爐外，大幅度降低了雜質含量，尤其是氧含量相比于直拉硅單晶能夠降低1-2個數量級（圖2），因此直拉區熔硅單晶少子壽命較高（圖3），比直拉硅單晶平均高出9μs左右。

圖1 直拉區熔硅單晶和直拉硅單晶軸向電阻率變化圖

圖2 直拉區熔硅單晶和直拉硅單晶軸向間隙氧含量變化曲線

圖3 直拉區熔硅單晶和直拉硅單晶少子壽命圖

3.3 電池片轉化效率和衰減

由于直拉區熔硅單晶具有雜質含量低、少子壽命高等優勢，其制作而成的電池片具有較高的轉換效率（圖4），相比于比常規直拉單晶電池片，其轉換效率平均高出1.83個百分點，且沿單晶軸向表現出非常強的一致性，有利于后續組件的一致性和電站的穩定性；早在1973年Fischer等人就發現硅太陽能電池存在衰減現象[4]，目前人們普遍接受的觀點是光致衰減由B-O復合體造成[5]，由于直拉區熔硅單晶氧含量很低，形成B-O復合體數量很少，其光致衰減大幅度降低，相比直拉單晶電池片低了約1.5個百分點。

圖4 直拉區熔單晶電池片和直拉單晶電池片轉換效率對比圖

4.實驗結論

直拉區熔硅單晶少子壽命高，雜質含量低（氧含量≤5*1016atom/cm3），因此制作成太陽能電池轉化效率高，相比直拉硅單晶電池片高出1.83%，光衰減效應小，比直拉電池片低1.5%；同時軸向電阻率一致性高，保證了組件和電站性能的穩定性，綜上所述，直拉區熔硅單晶在高效電池領域有著廣闊的應用前景。

[1]中國光伏產業發展路線2016版.

[2]楊德仁：太陽能電池材料(北京，化學工業出版社，2006年10月).

[3]沈浩平，李翔，昝興利，汪雨田：CFZ單晶的生產及特點[A]，《半導體雜質》，1998年9月，23卷3期：24-27頁.

[4]FischerH,Pschunder W: Investigation of photon and thermal induced changes in silicon solar cells[ACA,USA: Conference Record of the 10th IEEE Photovoltaic Specialists Conference,1973,404.

[5]趙玉文：P型(摻硼)晶硅太陽電池的光衰減機制和技術改進措施[J].《功能材料》，2003,34(4):409-411.