太陽能電池用“摻鎵”硅單晶的研發(fā)

黃旭光①

(晶龍實業(yè)集團有限公司 河北 邢臺055550)

摘 要：目前業(yè)內(nèi)普遍采用摻硼硅單晶制作太陽能電池片，存在光致衰減現(xiàn)象，難以克服.本文介紹了作者及所在單位采用新工藝?yán)茡芥壒鑶尉?yīng)用于太陽能電池片的有關(guān)技術(shù)，此創(chuàng)新有效解決了光致衰減這一難題，是太陽能電池行業(yè)今后的一個重要發(fā)展方向.

關(guān)鍵詞：摻鎵摻硼轉(zhuǎn)化效率衰減率分凝系數(shù)

作者簡介：①黃旭光(1980-)，男，工程師，主要從事太陽能級硅單晶、太陽能電池片的工藝研發(fā).

收稿日期：(2015-04-02)

1研發(fā)背景

Cz法生長的硼摻雜硅單晶制作成太陽能電池片，當(dāng)暴露在光照下，隨著時間推移，電池片轉(zhuǎn)化效率會發(fā)生光致衰減，這種現(xiàn)象最早是由Fischer和Pschunder在1973年首先發(fā)現(xiàn)的，但是在生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)，一直沒有找到合適的解決辦法.

這種光致衰減是由于摻硼硅單晶中的間隙態(tài)氧和替位態(tài)硼形成亞穩(wěn)態(tài)的缺陷結(jié)構(gòu)(硼氧復(fù)合體)所致.在國內(nèi)，晶龍集團率先對這種現(xiàn)象進行了關(guān)注，并致力于解決這一問題.

經(jīng)深入研究，解決的方法有：

(1)采用鎵作為Cz硅單晶的摻雜劑；

(2)采用摻磷的N型單晶；

(3)采用MCz或區(qū)熔法生產(chǎn)更低氧含量的單晶.

根據(jù)行業(yè)現(xiàn)實情況，及對生產(chǎn)成本、生產(chǎn)工藝等一系列問題的綜合考慮，我們最終選定采用摻鎵法.

2原理分析

鎵是ⅢA族元素，原子量69.72，英文名稱Gallium，元素符號Ga.藍(lán)白色金屬，密度5.907 g/cm3，熔點29.78℃.

半導(dǎo)體中摻雜用的三、五主族元素一般為替位共價態(tài)，硼的原子半徑為82 pm(1 pm=10-12m)，在硅晶格中有足夠的空間可以形成硼氧復(fù)合體，而鎵的原子半徑為126 pm，其較大的原子半徑阻礙了鎵和氧在硅晶格中的結(jié)合，這是摻鎵硅單晶不會形成亞穩(wěn)態(tài)復(fù)合體的基本原理.這就抑制了摻鎵硅單晶的光致衰減.

圖1鎵原子半徑大于硼，替位時不會與氧形成亞穩(wěn)態(tài)復(fù)合體

3項目實施

3.1摻鎵量的計算

假設(shè)硅棒頭部目標(biāo)電阻率為ρ，其摻雜濃度N可由國標(biāo)GB/T 13389-92計算得到

(1)

熔硅中的鎵濃度由分凝公式得到

CS=k×CL×(1-g)k-1

(2)

式中CS為硅棒中凝固分?jǐn)?shù)為g處的鎵濃度，CL為熔硅中鎵濃度，k為雜質(zhì)分凝系數(shù)k=0.008，g為凝固百分比.

由頭部目標(biāo)電阻率可計算出相應(yīng)摻雜濃度，頭部凝固百分比為零，則硅液中鎵濃度

(3)

式中N為由國標(biāo)計算出的頭部摻雜濃度.

我們使用高純金屬鎵直接摻雜，摻雜量由鎵的守恒定律得

(4)

其中X為摻入高純鎵的質(zhì)量，M為鎵的原子量，NA為阿伏加德羅常量，W為投爐硅的質(zhì)量，D為硅的密度，C為熔硅中的鎵濃度(即CL0).

3.2拉晶工藝研究

由于鎵的分凝系數(shù)很小，為0.008，摻鎵硅單晶的軸向電阻率變化會很大，因此摻鎵比摻硼要復(fù)雜得多.如何在拉晶過程中得到電阻率軸向分布均勻的摻鎵硅單晶，是本研究課題的技術(shù)瓶頸.為此，我們探索了一系列改進措施.

(1)可變“晶轉(zhuǎn)/堝轉(zhuǎn)”拉晶

(2)遞減爐壓拉晶

隨著單晶生長長度的增加，氬氣流量隨之變化：由40 L/min—30 L/min—20 L/min.鎵在硅中的分凝系數(shù)較小，拉晶初始，為保證頭部電阻率在控制范圍內(nèi)，需增大爐壓，使鎵盡可能多地凝結(jié)到單晶中；隨著單晶長度增加，鑒于鎵有極強的揮發(fā)性，必須將爐壓減小，從而使鎵揮發(fā)，保證單晶尾部電阻率在控制范圍內(nèi)；最終縮小整根單晶的軸向電阻率變化.

3.3單晶爐熱系統(tǒng)的改進

由于鎵原子半徑大于硼，從微觀上，原子定向排列角度考慮，摻鎵單晶的成晶難度要遠(yuǎn)大于摻硼單晶.在實際生產(chǎn)中，我們通過調(diào)整熱場的器蓋距，配置合理的拉晶堝位，探索出了適合摻鎵單晶生產(chǎn)的熱系統(tǒng).

其特點如下：

(1)在原有熱屏的基礎(chǔ)上增加了特殊結(jié)構(gòu)的新熱屏，有效解決了縱向溫度梯度問題.

(2)合理確定新型熱屏在熱場中的位置，有效鎖定成晶界面溫區(qū)，為順利成晶及解決電阻率的軸向分布奠定基礎(chǔ).

(3)使用BaCO3涂層坩堝，減少熔料過程中各類有害雜質(zhì)及方石英的引入，提高單晶成晶率.

4實驗效果驗證

經(jīng)過一年多實際生產(chǎn)檢驗，總結(jié)數(shù)據(jù)得出：如圖2和圖3所示，摻鎵硅單晶制成太陽能電池片后，轉(zhuǎn)化效率與摻硼硅單晶基本相當(dāng)，而衰減率則明顯降低，大大提高了電池片性能參數(shù)，得到了市場的肯定.

圖2　轉(zhuǎn)化效率對比

圖3　衰減率對比

摻鎵硅單晶作為摻硼硅單晶的優(yōu)質(zhì)替代產(chǎn)品，在未來太陽能市場中將占據(jù)越來越大的市場份額.