直拉区熔硅单晶的研究与应用

乔柳

【摘 要】太阳能资源丰富、清洁、可再生等优势，使光伏行业得以迅速发展，光伏领域最常用的P型直拉硅单晶杂质含量高，尤其是氧杂质高达1*1018atom/cm3，电池片转化效率提升受限且光致衰减较为严重，单晶轴向电阻率衰减导致转化效率波动较大，我司采用直拉区熔法研制的P型1-3Ω.cm硅单晶，氧含量≤5*1016atom/cm3，相比直拉硅单晶氧含量减小近2个数量级，少子寿命高，制备的电池片转化效率相比于直拉硅单晶电池片高出1.83个百分点，而光致衰减降低1.5个百分点，直拉区熔单晶轴向电阻率和少子寿命稳定性高，因此整颗单晶的电池片转换效率可控制在同一水平，有利于后续组件和电站的稳定性，因此直拉区熔硅单晶在光伏领域有较为广阔的前景。

【关键词】直拉区熔硅单晶；电阻率；少子寿命；转化效率；光致衰减

1. 简介

为促进太阳能产业持续健康发展，国家能源局下发《太阳能发展“十三五”规划》，到2020年底，光伏发电装机达到1.05亿千瓦以上，目前高成本仍是光伏发电发展的主要障碍，提高转化效率是降低发电成本的重要措施，从目前太阳能光伏产业的现状和发展趋势来看，太阳能光伏电池在很长一段时间内仍将以晶体硅基体电池为主，而单晶硅材料是现代半导体工业和处于快速发展的新能源产业的主要功能性材料，随着光伏行业的发展，单晶硅电池市场份额将会逐步增大，预计到2025 年达到48% [1]。目前硅单晶材料90%以上采用直拉法制备[2]，硅单晶轴向电阻率不易控制，存在较多的晶体缺陷，降低了少数载流子寿命，其高氧含量（≥1018atom/cm3）所形成的氧施主会导致电池片转化效率衰减，限制了电池片转化效率的提高[3]，为了解决上述问题，我司研制了一种新型直拉区熔硅单晶，采用直拉法拉制出多晶硅棒料后，用区熔法拉制成硅单晶，其性能接近区熔硅单晶（氧含量≤5*1016 atom/cm3），成本却远低于硅单晶，借助其高性能、低成本优势，直拉区熔硅单晶在光伏领域有广阔的应用前景。

2. 实验过程

2.1 实验设备：

美国HAMCO公司CG-6000型直拉炉、FZ-30型丹麦进口区熔炉、高鸟线切机；KDY-1型四探针电阻率测试仪、WQF-520A傅里叶红外光谱仪、BL-1少子寿命测试仪等。

2.2 实验过程

将多晶块料（基磷电阻率≥300Ω.cm，基硼电阻率≥2000Ω.cm），利用直拉法将块状多晶制备成φ150多晶棒料，然后用气相硼源掺杂和区熔法拉制成φ205mm、电阻率1-3Ω.cm的P型<100>直拉区熔硅单晶，用钻石线切割将单晶加工成硅片，由客户协助制备电池片制备和测试。

2.3 测试方案

（1）电阻率测试：采用四探针电阻率测试仪沿单晶轴向每隔50mm测试表皮电阻率，测试前需要将待测位置表皮由光面打磨成灰面。

（2）间隙氧含量测试：沿单晶轴向每隔150mm取1片厚度约2mm的样片，经化学药液（HF：HNO3=1：5）抛光至两面光亮，采用傅里叶红外光谱仪进行氧含量测试。

（3）少子寿命测试：单晶头尾分别取厚度2mm的样片，经化学药液（HF：HNO3=1：5）抛光至两面光亮后采用碘酒钝化，用WT-2000少子寿命仪测试。

（4）直拉區熔硅单晶和直拉硅单晶切片后，分别沿轴向等间隔抽取7组硅片，每组硅片数量为50片，制备成电池片后测试电池片转化效率和光致衰减。

3.实验结果与分析

3.1单晶轴向电阻率

直拉单晶拉制系统为保守系统，杂质分凝明显，导致头部和尾部电阻率差异较大，而直拉区熔硅单晶在区熔的过程中，通过引入气相掺杂，能够实现单晶轴向电阻率的精确控制，具体测试数据（图1）。

3.2 少子寿命和间隙氧含量

在直拉单晶拉制过程中，熔融硅料与坩埚接触发生化学反应，坩埚中的杂质通过硅熔体中进入直拉单晶中，导致单晶中杂质含量较高，尤其是氧杂质[3]，而区熔拉晶过程属于半保守系统，在区熔过程中多晶棒料中绝大部分杂质挥发，并被保护气体携带排除单晶炉外，大幅度降低了杂质含量，尤其是氧含量相比于直拉硅单晶能够降低1-2个数量级（图2），因此直拉区熔硅单晶少子寿命较高（图3），比直拉硅单晶平均高出9μs左右。

3.3 电池片转化效率和衰减

由于直拉区熔硅单晶具有杂质含量低、少子寿命高等优势，其制作而成的电池片具有较高的转换效率（图4），相比于比常规直拉单晶电池片，其转换效率平均高出1.83个百分点，且沿单晶轴向表现出非常强的一致性，有利于后续组件的一致性和电站的稳定性；早在1973年Fischer等人就发现硅太阳能电池存在衰减现象[4]，目前人们普遍接受的观点是光致衰减由B-O复合体造成[5]，由于直拉区熔硅单晶氧含量很低，形成B-O复合体数量很少，其光致衰减大幅度降低，相比直拉单晶电池片低了约1.5个百分点。

4.实验结论

直拉区熔硅单晶少子寿命高，杂质含量低（氧含量≤5*1016atom/cm3），因此制作成太阳能电池转化效率高，相比直拉硅单晶电池片高出1.83%，光衰减效应小，比直拉电池片低1.5%；同时轴向电阻率一致性高，保证了组件和电站性能的稳定性，综上所述，直拉区熔硅单晶在高效电池领域有着广阔的应用前景。

参考文献：

[1]中国光伏产业发展路线2016版.

[2]杨德仁：太阳能电池材料（北京，化学工业出版社，2006年10月）.

[3]沈浩平，李翔，昝兴利，汪雨田：CFZ单晶的生产及特点[A]，《半导体杂质》，1998年9月，23卷3期：24-27页.

[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]赵玉文：P型（掺硼）晶硅太阳电池的光衰减机制和技术改进措施[J].《功能材料》，2003， 34（4）：409-411.endprint