多晶硅片少子寿命的影响因素研究与分析

于丽君，段晋胜

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原030024)

在太阳能电池发展的初期，单晶硅凭借较高的转换效率在光伏材料市场中长期占据着垄断地位，但是单晶硅的生产工艺较难控制，能耗大且生产效率低，因而成本很高，其主导地位逐渐被多晶硅所取代。多晶硅锭所需原料来源广、纯度要求较低，而且生产效率高，在规模生产上较有优势，同时多晶硅方片比单晶硅天然形成的圆片在组件中有更好的面积利用效率，所以近年来多晶硅锭片产量迅猛增长。目前，多晶硅已经成功取代了直拉单晶硅在市场中的主导地位，凭借其高性价比成为了最主要的光伏材料。

虽然多晶硅有着众多优势，但是由于其内部存在晶界、应力、较高密度位错及杂质、晶粒取向不一，使得多晶硅片的均匀性较差，而且强烈地影响到其电学性能，由它所制得的电池光伏转换效率低于单晶硅电池，目前工业生产中多晶硅电池的效率比单晶硅普遍低1%～4%，但也正因为这样，多晶硅的性能还有很大的提升空间。长期以来，人们针对多晶硅结晶生长过程及最终组织形态与性能之间的关系进行了大量研究，并且发展起来很多吸杂、钝化等改善硅片性能的工艺，本文将就这些方面的发展现状及最新研究进展进行简单综述。

1 少子寿命的影响因素

1.1 杂质含量对多晶硅锭少子寿命的影响

多晶铸锭的过程其实就是硅的排杂提纯过程，如图1所示，这是基于杂质在硅的固液相中有不同的溶解度（浓度）。

图1 微量杂质的硅溶液的凝固结晶过程示意图

对杂质浓度非常小的平衡固—液相系统，在固—液界面处固相中的成份与在液相中的成分比为一定值，可表达为平衡分配系数（分凝系数）：

其中，CL液固界面处液相侧溶质浓度；CS液固界面处固相侧溶质浓度；K0与温度、浓度无关，仅决定于溶质和溶剂性质。

当K0＜1，CS＜CL，先凝固部分杂质浓度小于后凝固部分中的杂质浓度；当K0=1，CS=CL，先凝固部分杂质浓度等于后凝固部分中的杂质浓度；当K0＞1，CS＞CL，先凝固部分杂质浓度大于后凝固部分中的杂质浓度。常见元素的分凝系数见表1。

表1 元素分凝系数

根据杂质在硅中的分凝原理，Fe、Co、Ni等金属元素及P含量主要集中在硅锭底部，O含量主要集中在硅锭顶部和四周。多晶硅锭开方后，沿着出炉方向，将硅锭分为25块多晶硅块，从多晶硅锭四角，四周及中心各选取一块多晶硅块做为样块进行少子寿命测试。多晶硅块在多晶硅碇中的分布见图2所示。

选取多晶硅锭不同部位的多晶硅块进行少子寿命检测，分别选取多晶硅锭角、边、中心的多晶硅块A、W、及M进行少子寿命检测，检测结果见图 3（a、b、c）所示。

根据少子寿命图像显像原理，图像越接近红色，少子寿命越低，由上图可看出多晶硅锭的头尾及四周少子寿命较低。即：杂质越积聚的地方少子寿命越低。

图2 多晶硅锭示意图

图3 测试结果

1.2 多晶硅片厚度

选取同样工艺、同样设备及同样硅块的同一位置而厚度不同的硅片样片进行少子寿命测试，即选取硅片厚度180～190μm的10片，选取硅片厚度210～220μm的硅片10片，选取硅片厚度＞400μm的硅片10片，进行少子寿命测试，具体测试数据见表2。

表2 硅片厚度与少子寿命的关系

由表2可以看出硅片越厚，多晶硅片的少子寿命也越大，但是，硅片厚度是否与多晶硅片少子寿命成正相关呢，我们选取2 mm厚以上的硅片进行少子测量。取样2mm厚的硅片10片，5mm厚的硅片10片，10mm厚的硅片10片。分别进行少子寿命测量，测量结果如表3所示。

表3 硅片厚度与少子寿命的关系比较

由表3可以看出，当硅片厚度超过一定范围的时候，多晶硅片的少子寿命不会再随着多晶硅片的厚度增大而增加，而是呈现稳定的趋势。

1.3 晶粒尺寸的均匀性

多晶硅的晶粒大小及形态与电池性能有着密切联系，粗大、均一的晶粒有利于得到高质量的硅片，从而提高电池转化率，这也是多晶硅锭生产中一直追求的目标。铸造多晶硅中的晶粒尺寸一般是毫米至厘米级，但均匀性通常不太好；一般晶粒尺寸小于1mm的细晶区，光伏性能较差。多晶硅锭晶粒形状和尺寸的控制在很大程度上取决于铸锭工艺条件，即晶体生长过程中的温度分布、凝固速度、固液界面形状等。有研究表明，细晶区多出现在晶锭的边缘。而保持凸向熔体的固液界面有利于抑制细晶的生长，易于得到沿锭生长方向的柱状晶粒，因为凸界面下，中间晶粒生长较快，细晶一旦在坩埚壁处形成，即被熔体熔解，如果固液界面凹向熔体，则锭的边缘先凝固，易于保留细晶区。

晶界是晶粒间的过渡区，结构复杂，原子呈无序排列，并存在不完全键合原子，产生大量的悬挂键，形成可成为电子—空穴对陷阱的局域性连续型及离散型带隙能态。不同类型的晶界在不同温度下会呈现出不同的复合性能，特别是当被金属杂质等玷污后，其复合强度会显著提高，从而强烈影响多晶硅光伏性能。

在硅锭冷却过程中，如果温度梯度过大，为缓解热应力在晶粒中很容易出现滑移位错，同时凝固过程中由于多种沉淀的生产造成晶格尺寸的不匹配也会导致位错的产生，出现位错网，强烈影响着硅片的少子寿命。各种杂质元素也极易聚集在位错上，使其具有很高的复合速率，成为影响多晶硅片光伏性能的一个致命因素。

选取3片多晶硅片，即：尺寸小、却分布均匀；尺寸大、分布均匀；尺寸大小不均匀。检测其少子寿命的分布情况如图 4（a、b、c）所示。

图4 少子寿命的分布

由图4可以看出，在同等分布均匀的情况下，晶粒尺寸大的少子寿命与晶粒尺寸小的少子寿命基本一样，但是晶粒尺寸不均匀的少子寿命要比晶粒尺寸不均匀的小一些，且少子寿命分布也不均匀，集中在大晶粒附近。

2 分析与结论

综上所述，多晶硅片少子寿命的值主要受杂质含量、硅片厚度、晶粒的均匀性等一系列因素的影响，因此要提高多晶硅片的少子寿命需综合考虑铸锭提纯过程，选择切割合适的硅片厚度，铸造晶粒均匀的多晶硅片。

[1]Hamet JF，AbdelaouiR，Nouet G.Precipitation atgrain boundaries in silicon[J].Materials Science and Engineering,1989（4）:143-145.

[2]张克从，张乐从.晶体生长科学与技术[M].北京：科学出版社，1997.

[3]谢建生，李金华.太阳电池研究的现状与发展前景[J].科学技术与工程，2008，22（8）：6026-6070.

[4]徐华毕，沈辉，梁宗存.太阳能级生产与发展概况[J].材料导报，2008，22（9）：86-90.

[5]YANG Hong，WANG He，YU Huacong，et al.Status of photoboltaic industry in China[J].Engery Policy，2003，31(8):703-707.