尹東坡

【摘 要】研究了投料量和拉速對N型直拉單晶硅頭部氧碳含量和漩渦缺陷的影響，并對漩渦缺陷和氧含量對少子壽命及電池性能的影響進行了分析。頭部氧含量隨著投料量增加而升高，隨著拉速提高而降低，碳含量與投料量和拉速的關(guān)系不大。投料量增加將會引起漩渦缺陷的增加，而提高拉速對其具有抑制作用。漩渦缺陷和高氧含量誘發(fā)的二次缺陷均會降低單晶硅少子壽命，增加電池低效段比例。

【關(guān)鍵詞】直拉單晶硅；投料量；拉速；氧碳含量；電性能

隨著對太陽能電池需求的不斷增加，光伏市場競爭日趨激烈，為了使N型單晶電池能夠滿足市場需求，保證轉(zhuǎn)換效率的同時必須不斷降低成本。為此，保證N型單晶硅內(nèi)在品質(zhì)并進一步降低生產(chǎn)成本是必然趨勢，而擴大晶體直徑、加大投料量則是降低成本的重要手段。本文采用直拉法生產(chǎn)8寸N型單晶硅，對投料量和拉速改變后氧碳含量、少子壽命及電池性能進行了測試，并對氧碳含量和內(nèi)部缺陷與硅棒電性能的關(guān)系進行了分析。

1.試驗部分

1.1基本試驗條件

采用TDR-100型單晶爐，22寸熱場，共進行5次實驗，前3次投料量分別使用120kg、130kg、140kg，等徑前200mm平均拉速為0.9mm/min，命名為CZ120、CZ130、CZ140-1。后兩次實驗投料量使用140kg，等徑前200mm平均拉速分別為1.0mm/min和1.1mm/min，命名為CZ140-2、CZ140-3。

1.2取樣及分析測試

晶棒破段后，使用Sinton instruments測試儀測試晶棒頭部少子壽命；取每根樣品頭部2mm硅片進行化學(xué)拋光和清洗，使用Thermo Nicolet FT-IR spectrometer測試氧碳含量，使用BT Imaging LIS-P1測試硅片PL圖；切片厚度200μm，取晶棒頭部200mm硅片（約530片）在單晶電池線制作電池并進行性能測試，取不同電池效率范圍樣片進行PL測試。

2.結(jié)果和討論

2.1投料量及拉速對氧碳含量的影響

所示隨著投料量從120kg增加到140kg，頭部氧含量逐漸從25.1ppma上升到31.2ppma，而拉速從0.9mm/min增加到1.1mm/min，氧含量從31.2ppma下降至28.8ppma。

晶棒中氧含量主要受到氧產(chǎn)生和輸送控制，CZ120、CZ130、CZ140-1除投料量外其他工藝參數(shù)不變，單位體積內(nèi)氧產(chǎn)生量變化不大，所以氧含量增加主要受熱對流影響。熱對流主要是熔體中溫度差產(chǎn)生，熱熔體沿坩堝壁上升，到坩堝中心下降[1]。

等徑初期，熔體較多，拉速提升對熔體對流影響不大。但拉速提升后，單位時間內(nèi)進入單晶棒的氧含量減少，所以從CZ140-1到CZ140-3氧含量逐漸下降。

碳主要來自多晶硅原料、晶體生長爐內(nèi)的剩余氣體以及石英坩堝與石墨器件的反應(yīng)。高溫石英坩堝與石墨加熱器件反應(yīng)，生成SiO和CO，其中CO氣體不易揮發(fā)，大多進入硅熔體與熔硅反應(yīng)，產(chǎn)生單質(zhì)碳和SiO，而SiO大部分從熔體表面揮發(fā)，碳則留在熔硅中，最終進入晶體硅。

試驗中使用原料均為高純原硅料且投料量和拉速的改變對加熱器功率影響不明顯，由于碳分凝系數(shù)較低，實驗中頭部碳含量均保持在較低的水平，范圍在0.4-0.6ppma。

2.2投料量及拉速對少子壽命影響

隨著投料量增加少子壽命逐漸降低，由CZ120的2570μs大幅降至CZ140-1的787μs，降低69%。而隨著拉速的增加少子壽命逐漸增加，CZ140-3提升至2184μs。試驗棒頭部出現(xiàn)較嚴(yán)重的漩渦，而對比片（硅棒400mm左右樣片）漩渦不太明顯。

等徑初期由于熔體對流較強且轉(zhuǎn)肩后溫度不夠穩(wěn)定，造成生長界面溫度波動較大，并且晶體是一邊旋轉(zhuǎn)一邊生長，容易在晶體中形成呈條紋狀分布的微缺陷，即漩渦缺陷。隨著等徑過程的進行，生長界面溫度趨于平穩(wěn)且熔體高度降低、對流減弱，漩渦缺陷也相應(yīng)減弱，對比片漩渦條紋不明顯。

隨著投料量從120kg增加至140kg，熔體高度增加，如前面討論的格拉斯霍夫數(shù)增大，熔體自然對流增強。增強的自然對流造成固液生長界面的溫度波動更加劇烈，劇烈的溫度波動更易使晶體內(nèi)部形成漩渦缺陷，進而發(fā)展成為位錯。位錯對少子壽命有很大的影響，所以投料量增加后少子壽命逐漸降低。另外由于投料量提升后氧含量進一步升高，氧容易與漩渦缺陷相互作用或以其他形式引起二次缺陷（如位錯和堆垛層錯），對少子壽命產(chǎn)生影響。

隨著拉速的增加，晶體界面附近的溫度梯度減少，熔體界面附近的溫度梯度也相應(yīng)減小，即界面附近溫度波動減弱，漩渦缺陷被抑制。所以隨著拉速的增加，少子壽命逐漸升高。另外，拉速提高后氧含量的降低對少子壽命也有一定貢獻。

2.3 投料量及拉速對電池性能的影響

取各實驗棒頭部前200mm進行切片并跟蹤電池性能。定義電池效率小于17.5%為低效片。通過低效片數(shù)量可計算出晶棒中產(chǎn)生低效片的單晶硅棒長度（從等徑頭部開始計算）。

即：低效長度=低效片數(shù)量*槽距/合格率

其中槽距按照0.365mm計算，合格率按96%計算。

各實驗單晶棒低效長度隨著投料量從120kg增加至140kg，低效長度從27mm增加至167mm；隨著拉速增加至1.1mm/min，低效長度降低至57mm。低效率片（16.9%）中整片均存在較嚴(yán)重的條紋，尤其是中心部分，這是我們常說的“黑心片“。中效率片（17.6%）外圍存在一定的條紋，而高效片（18.4%）中整片均為發(fā)現(xiàn)條紋。

如前面討論的，晶棒頭部均存在一定的漩渦缺陷，對硅片的少子壽命產(chǎn)生影響，這種影響將會延續(xù)到電池，造成電池產(chǎn)生“黑心片”。尤其是當(dāng)投料量增加后，由于溫度波動產(chǎn)生的漩渦缺陷影響的范圍進一步增加，電池中低效的比例急劇增加，投料量增加1.2倍，而低效長度增加6.2倍。如果只增加投料量而不相應(yīng)改變工藝參數(shù)將對電池性能產(chǎn)生巨大影響。拉速提升后，低效長度減小，這進一步證實了前面討論的觀點，即拉速提升對漩渦缺陷產(chǎn)生抑制作用，使漩渦缺陷影響范圍減小。

根據(jù)V.V.Voronkov文獻，V/G存在臨界值，當(dāng)V/G大于臨界值時主要以空位缺陷為主，相反則以自間隙缺陷為主，氧容易在空位和自間隙缺陷交界處的一定范圍內(nèi)成核，后續(xù)進一步發(fā)展成為環(huán)狀的氧化誘生堆垛層錯（OISF），該過程主要受V/G和氧含量控制。中效片中“黑環(huán)”可能為OISF，該缺陷會影響少子壽命，進而影響電池性能。由于頭部高的氧含量，OISF缺陷也應(yīng)存在與低效片中，但與漩渦缺陷都為環(huán)狀，不易分辨。這與前面討論的氧含量對少子壽命的影響是相一致的。

3.結(jié)論

隨著投料量從120kg提升至140kg，頭部氧含量提升1.24倍，拉速從0.9mm/min提升至1.1mm/min，氧含量降低7.7%，投料量和拉速的改變對碳含量影響不大。投料量增加將會引起漩渦缺陷的增加，而提高拉速對漩渦缺陷具有抑制作用。漩渦缺陷會降低硅棒少子壽命，增加硅棒低效長度，在電池中產(chǎn)生“黑心片”。高的氧含量會誘生二次缺陷，如OISF，對少子壽命和電池效率產(chǎn)生不良影響。提高投料量并相應(yīng)提高拉速，降低成本的同時可保證后續(xù)電池性能穩(wěn)定。

【參考文獻】

[1]宇慧平等.數(shù)值模擬自然對流對直拉單晶硅的影響[J].人工晶體學(xué)報，2006，（4）：695-701.

[2]闕端麟等.硅材料科學(xué)與技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2000.