多晶硅坩堝紅區(qū)硅鐵含量的試探性觀點(diǎn)

摘 要：多晶硅太陽(yáng)能組件EL測(cè)試過(guò)程中，出現(xiàn)黑斑片/黑邊片，實(shí)驗(yàn)表明硅錠中間區(qū)域硅塊（非坩堝接觸面即C區(qū)硅塊）制作組件無(wú)黑邊現(xiàn)象。我們知道位錯(cuò)密度一般是頂部>中間>底部。邊緣發(fā)暗主要原因晶體硅材料雜質(zhì)含量較多或者受坩堝異質(zhì)成核影響晶體質(zhì)量。多晶硅常見(jiàn)雜質(zhì)有O，C，F(xiàn)e等，其中Fe屬于深能級(jí)強(qiáng)復(fù)合中心，影響載流子的壽命。本文基于多晶生產(chǎn)過(guò)程常用參數(shù)，使用擴(kuò)散模型進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞：多晶硅；硅鐵含量；試探觀點(diǎn)

一、多晶硅錠中鐵元素來(lái)源包括兩部分硅料及坩堝

（一）一般使用太陽(yáng)能級(jí)硅料，鐵含量鐵的濃度低于1.0×1014。

說(shuō)明硅原子個(gè)數(shù)為5.2×1022cm-3個(gè)，ppb=10-9；ppba是用雜質(zhì)原子數(shù)與主體原子數(shù)的比來(lái)表示純度的。

（二）坩堝中二氧化硅的純度一般為質(zhì)量99.6-99.9%，鐵氧化物含量小于0.001%見(jiàn)下表：即鐵原子數(shù)量在1.0×1016cm-3個(gè)，高純度坩堝的優(yōu)勢(shì)在于金屬含量相對(duì)較低。

多晶生長(zhǎng)：對(duì)于定向凝固法生產(chǎn)的多晶硅錠，整個(gè)長(zhǎng)晶高度350mm，長(zhǎng)晶時(shí)間過(guò)程持續(xù)約32-36小時(shí)，長(zhǎng)晶時(shí)間10-15mm/h，1200溫度℃，硅錠底部有較長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)，鐵元素容易發(fā)生固相擴(kuò)散。

二、擴(kuò)散條件

在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，鐵在硅中的擴(kuò)散系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式為：

D（Fei）=1.0*10-3exp（-0.67eV/KT） cm2s-1適用溫度范圍0-1265℃；

固相擴(kuò)散的程度與凝固后硅錠的冷卻速率以及各溫度下的鐵的擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)大約為5-7×10-6 cm2s-1，屬于慢擴(kuò)散元素；本文中使用建議值7×10-6 cm2s-1。

在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中，雜質(zhì)不斷進(jìn)入硅中；由于坩堝中的鐵濃度遠(yuǎn)高于硅料中的鐵濃度。采用恒定表面擴(kuò)散模型。其擴(kuò)散為N（x，t）=Nserfc（x/（4*D*t）0.5）。

鐵的濃度超過(guò)E13后，鐵硼復(fù)合體對(duì)硅基電池的效率影響較大。本文采用擴(kuò)散模型，認(rèn)為鐵雜質(zhì)濃度低于E12基本對(duì)性能無(wú)影響，低于此值進(jìn)行下限截止。計(jì)算包絡(luò)線。

考慮到現(xiàn)有的坩堝尺寸例如G5在880-890mm，硅塊開(kāi)方后邊皮厚度在30mm左右。也就是鐵在固體硅中的擴(kuò)散影響寬度在30mm左右。這與檢測(cè)結(jié)果大體相符。

選取角部硅塊的使用WT-2000按照1mm2精度檢測(cè)少子壽命。選擇坐標(biāo)（X=-12，Y=（-66，-78）逐點(diǎn)讀取檢測(cè)值，相應(yīng)位置鐵的濃度（鐵初始濃度按照2.0×1016計(jì)算。）

未考慮涂層厚度和坩堝高純層對(duì)鐵擴(kuò)散的影響，未考慮熔化過(guò)程及長(zhǎng)晶過(guò)程中，鐵由坩堝不斷擴(kuò)散至硅液及其分凝系數(shù)的影響。

三、計(jì)算硅塊中鐵濃度值較實(shí)際測(cè)試值偏低

由于影響少子壽命的因素較多，未考慮鐵硼對(duì)對(duì)少子壽命的影響本文定性說(shuō)明鐵濃度包絡(luò)線與少子壽命較低的趨勢(shì)。

天合同行在《多晶硅鑄錠對(duì)太陽(yáng)能電池EL測(cè)試邊緣陰影響的研究》提供的金屬含量測(cè)試精度較低（金屬元素含量方面，對(duì)硅片少子壽命影響較大的過(guò)渡金屬元素Fe等雜質(zhì)檢出量均非常小，非紅區(qū)部分的檢出量都小于1ppm，紅區(qū)部分除Cu外，其它也小于1ppm，Cu的檢出量也僅為1.6ppm），因此不能忽略鐵的影響。

建議抽取硅錠邊料，進(jìn)行縱向切片。依距坩堝壁的距離及位置高度進(jìn)行金屬含量及位錯(cuò)密度的測(cè)試，進(jìn)一步確認(rèn)導(dǎo)致組件黑邊的深入機(jī)理。

參考文獻(xiàn)：

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