第八章-带硅材料

张永哲带硅材料：硅带材料，带状硅材料带硅材料兴起的原因：减少浪费，降低成本：普通的硅片厚度为400-550um，然而从直拉单晶硅或者铸造多晶硅到硅片的过程都需要经历切割，而刀片的厚度为250-300um，即使采用线切割，也会有180um的浪费。浪费率分别达到50%和30%左右。带硅材料的生长：利用不同的技术，直接在硅熔体中生长出带状的多晶硅材料。目前的状况：已占到市场的3%-4%，已有很多种技术被开发，有部分技术进入实际生产应用，但大部分技术仍处于研究阶段。困难及问题：由于生长速率、冷却速率较快，带硅硅片的晶粒细小，缺陷密度高；同时，金属杂质及其它氢元素杂质的含量相对较高。电池效率较低，经济成本较高。带硅材料的制备边缘限制薄膜带硅生长技术线牵引带硅生长技术枝网带硅工艺衬底上的带硅生长技术工艺粉末带硅生长技术带硅生长的基本问题边缘稳定性应力控制产率带硅材料的缺陷和杂质带硅材料的晶界带硅材料的位错带硅材料的杂质带硅材料的氢钝化和吸杂带硅材料的氢钝化带硅材料的吸杂带硅材料的制备。按照其生长方式，大致分为垂直提拉生长和水平横向生长。垂直提拉生长的速率远低于水平横向生长的速率。垂直提拉生长时，结晶前沿垂直于表面，因此晶体生长速率为每分钟仅数厘米，而水平横向生长时，结晶前沿与带硅表面平行，生长速率可达到没分钟数米。带硅生长技术：边缘限制薄膜带硅生长技术(Edgedefinedfilm-fedgrowth,EFG)线牵引带硅生长技术(Stringribbongrowth,SRG)枝网带硅工艺(Dendriticwebgrowth,DWG)衬底上的带硅生长技术(Ribbongrowthonsubstrate,RGS)工艺粉末带硅生长技术(Siliconsheetofpowder,SSP)坩埚熔化硅原料----插入中间缝隙为300um的石墨模具—依靠毛细效应，输送硅熔体。一般选用八面体的石墨模具优点：可连续生产，制备长的带硅材料。目前，其标准壁厚为280um，长度已超过5.3m。采用闭合管形，带硅的边缘问题得到了很好的解决。切割：采用Nd：YAG激光器材料损耗：13%左右带硅性质：多晶，晶粒细小大约为100um左右，晶粒生长趋于110晶向，表面不平整，带硅内位错密度高，在106cm-2左右，且不均匀。电池效率：实验室14.8%工艺简单，生长速率高25mm/min需要精确控制熔体温度，以获得精准的带硅厚度，生长速度较慢，生长的晶体质量最好。通常厚度为300-400um，晶粒大小为0.1-0.5mm，位错密度为105—107cm-2，碳浓度和氧浓度都在1018cm-3上，由于晶界和缺陷的作用，其太阳电池的光电转换效率依然低于12%。此外，在其带硅的前表面有一层不平坦层，背面有一层高碳层，在制备电池时必须去除，通常正面要去除50um，背面要去除25um，这既增加工序，又浪费时间。利用SSP技术生长的带硅的多晶硅颗粒的宽度可达毫米级，长度达到厘米级，但是缺陷依然很多，在实验室只能达到13%；而且原料需要颗粒细小的硅粉，在工业应用时，原材料的来源受到限制，或者需要特殊的加工，因此，这种技术在工业上的应用还比较遥远。边缘稳定性压力控制产率所谓的边缘稳定性是指在晶体生长时，带硅边缘需要约束，以便生长出宽度一致的带硅。晶体生长时要实现带硅边缘的稳定，一般需要对边缘进行限制。EFG带硅------模具线牵引生长的带硅----能抵挡高温的线材料枝网生长带硅----利用枝晶沿带硅边缘的生长造成了硅熔体在边缘的过冷而实现边缘稳定性。应力控制是指在一定的生长速率下，带硅将在固液界面保持一定的冷却温度梯度(约500度/cm)，因此，带硅的冷却速率都很高。这就导致带硅中产生和残留较大的应力，最终导致带硅中产生大量的缺陷，甚至产生带硅的弯曲和断裂。克服办法：采用余热控制设计，以适当降低冷却速率，从而提高生产率。产率：单台设备单位时间内的带硅产量。EFG:边缘限制薄膜带硅生长技术SRG:线牵引带硅生长技术DEG:枝网带硅工艺RGS:衬底上的带硅生长技术带硅材料的晶界几种生长方法中晶界的差别EFG带硅和SRG带硅都有许多孪晶界和大角度晶界。EFG带硅具有更多的大角度晶界，位错密度也相对更高。而在SRG带硅中，孪晶更多，多达80%。DWG的多晶程度最低，最接近于单晶，其晶粒粗大。由于生长速率和冷却速率都很高，因此晶体中会存在应力，从而导致更多的位错，一般在104-107cm-2。EFG:边缘限制薄膜带硅生长技术SRG:线牵引带硅生长技术DEG:枝网带硅工艺RGS:衬底上的带硅生长技术金属杂质在硅中的固溶度和平衡分凝系数都很低，对于金属杂质，它们在带硅生长过程中的有效分凝系数远远大于平衡分凝系数。此外，带硅的生长是连续加料过程，因此，硅中金属杂质的浓度也会不短增加。同时坩埚的杂质也会进入熔体硅中。带硅材料的氢钝化通常原生带硅材料中少数载流子寿命基本在1-10us范围内。工艺步骤和铸造多晶硅一样。带硅材料的吸杂其吸杂过程和铸造多晶硅一样。先通过850度铁杂质的有意污染引入铁浓度约为2*1013cm-3，然后经900度2hPOCl3磷吸杂处理和700度氮气处理。