太陽能電池用“摻鎵”硅單晶的研發(fā)

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拉制摻鎵硅單晶應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.藍白色金屬，密度5.907 g/cm3，熔點29.78℃.

半導體中摻雜用的三、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)復合體

3項目實施

3.1摻鎵量的計算

假設硅棒頭部目標電阻率為ρ，其摻雜濃度N可由國標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為硅棒中凝固分數(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.

由頭部目標電阻率可計算出相應摻雜濃度，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，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.