多晶硅材料产业发展及标准化研讨会文集杂质对晶体硅太阳电池性能的影响北京太阳能研究所博士励旭东浙江理工大学副教授博士席珍强概述太阳能级多晶硅原材料产品标准的建立所要解决的问题要建立太阳能级多晶硅原材料的产品标准必须解决以下问题电池效率与材料这里指硅片中杂质含量的关系硅片杂质含量与原材料杂质含量之间的关系杂质对太阳电池性能的影响硅中的杂质指硼磷氧碳等非金属杂质及等金属杂质杂质对太阳电池性能的影响主要体现在改变硅片的电阻率微量的硼磷等掺杂剂就可以使硅片的电阻率发生急剧的变化氧热施主等也可使硅片电阻率有明显的变化作为复合中心杂质在硅中引入深能级作为有效的复合中心使硅片的寿命下降从而影响太阳电池的效率促进缺陷的形成高浓度的杂质可以形成各种类型的缺陷或促进缺陷的形成这种缺陷如果存在于结耗尽区则对电池效率有致命的影响杂质与杂质缺陷与杂质之间的相互作用使杂质与太阳电池性能之间的关系问题更为复杂电池效率与硅片中杂质含一的关系概述电池效率与硅片中杂质含量的关系非常复杂表现在不同种类的电池对杂质的耐受能力不同结在电池背表面的电池对少子扩散长度要求很高因此硅片中的杂质必须很少一些特殊的电池如硅带电池由于硅带制备过程中的杂质分凝对杂质的耐受能力很高例如多晶硅材料产业发展及标准化研讨会文集常规的晶体硅太阳电池的背接触电池一少子寿命约几个至几十微秒少子寿命大于的硅带电池毫秒〔‘’原的对杂质的耐受能力很高〔’原料中一等杂质都不会使电池效率下降在简化的模型中金属杂质对电池效率的影响可以简单的归结为对少子寿命的影响但这一方法过于简单因为实际电池中的还存在杂质间的相互作用杂质与缺陷的相互作用另外耗尽层中的杂质可能成为击穿点对电池性能的影响远远超过其作为复合中心的影响而且在电池中特别是多晶硅电池中杂质并非均匀分布,,这些都很难通过简单的计算或模型加以描述电池制备工艺的影响对含有一定浓度杂质的材料终电池结果也有很大的影响吸杂工艺电池制备工艺对最各种杂方法〔,‘“”,如延长磷扩散或扩散后退火时间可以增加材料寿’命并改善电池性能〔‘注制备氮化硅并烧结此外可以钝化电池体内杂质和缺陷氢气氛退火,铝吸杂等都可能改善高杂质浓度电池的性能相反另外一些工艺如工艺则不适合用于制备高杂质浓度的电池因为它们没有明显的吸杂作用太阳电池效率与少子寿命的关系利用模拟软件可以很方便的模拟太阳电池效率与少子寿命的关系见图注到中提出对单晶硅材料对多晶硅材料℃小时的吸杂可使电池效率从增加到增加℃小时的吸杂可使电池效率从注中提出制备电池过程中强化了磷吸杂工艺使材料寿命提高了一多晶硅材料产业发展及标准化研讨会文集刊御一裁次僻︹︶卜月,少数载流子寿命〔微秒图电池效率与少子寿命的关系模拟参数型微米厚发射区方块电阻口结深微米允分布不考虑串并联电阻表面反射固定背面表面浓度俨结深微米正背表面复合由图可见对的型电池要达到以上的电池效率少子寿命需在微秒左右电阻率越低,则电池效率越高但高掺杂电池中硼一氧缺陷造成的光致衰减更严重因此常规太阳电池很少采用电阻率以下的材料杂质对少子寿命的影响根据复合理论,复合率与杂质浓度杂质引入的能级位置俘获截面相关因此,从理论上可以比较容易的计算不同浓度的杂质对硅片少子寿命的影响根据前述少子寿命一电池效率的关系,可以容易的得出硅片杂质浓度一电池效率的关系然而,这种方法得出的结论并不可靠主要原因已如前所述杂质在硅片中并非均匀分布它们可以形成沉淀特别是在多晶硅中杂质主要集中在晶界处这种简单的模型没有考虑杂质间的相互作用杂质与缺陷的相互作用例如铁和硼可以形成稳定的缺陷光或热处理可以分解,分解后依注入水平的不同,材料的少子寿命可能减少也可能增加〔,多晶硅材料产业发展及标准化研讨会文集如果硅片中存在大量的杂质那么它们很可能影响电池的结特性造成器件部分或者完全失效,这种影响比对寿命的影响要严重的多电池制备过程中杂质浓度杂质特性发生了变化部分快扩散的杂质被吸除部分杂质被氢钝化一些沉淀的杂质在高温过程中重新溶解等等因此需要大量的实验工作才能得到硅片杂质浓度一电池效率的关系己有的工作硅中的硼硼是于约型硅的掺杂剂一般硅片中的硼含量约‘一‘相当,计算表明随着硼含量的上升材料中俄歇复合迅速增加,同时载流子迁移率减小‘这样少子扩散长度下降电池效率降低硼含量超过〔后电池短路电流明显下降”如图示但实际上,电池效率与硼含量的关系远非理论计算的那样简单高硼掺杂的材料中通常也伴随更多的其它缺陷和杂质实验显示当硼浓度超过,证的快得多大致相当于。。后电池短路电流迅速下降比理论曲线下降。“寿川扩台△“△△△加的图短路电流与衬底材料掺杂浓度的关系的工作表明利用高掺硼硅材料电阻率小于‘也可以制作效率达到量的上限的太阳电池〔’〕因此可以认为一沉是硅片中允许硼含硅中的金属杂质多晶硅材料产业发展及标准化研讨会文集在年,等就首先研究了直拉单晶硅太阳能电池中各种元素对电池性能的影响其结果即“威斯丁豪斯曲线”川如图从图中可以发现无论是在型还是在型晶体硅太阳能电池中,影响太阳能电池效率最大的是一些金属元素尤其是慢扩散的金属元素比如,在型单晶硅太阳能电池中,的就能使电池效率降低至正常电池效率的此结果表明,控制单晶硅中金属杂质浓度尤为重要“威斯丁豪斯曲线”有着很多局限性和问题存在第一等研究各种元素对晶体硅太阳能电池影响时只考虑到单一元素对由高纯材料所制备的单晶硅电池性能的影响未能考虑到各种杂质元素之间相互作用而这中相互作在多晶硅原材料中是不可避免会发生的,从而可能会影响电池的效率第二在采用直拉法进行太阳能电池用单晶硅的大规模生产中很容易在材料中引入各种缺陷因此上述研究并未考虑杂质和缺陷的相互作用第三,上述结果表明,型硅中磷的补偿对于单晶硅电池效率的影响很小其临界浓度甚至高达这已经完全使通常的晶体硅电池的基体材料反型了因此明显存在着很大的问题第四现在多晶硅材料已经取代了直拉单晶硅材料成为最主要的光伏材料这些结果不一定适用于多晶硅材料多晶硅材料产业发展及标准化研讨会文集图型直拉单晶硅太阳能电池中不同浓度的各种元素对电池效率的影响图型直拉单晶硅太阳能电池中不同浓度的各种元素对电池效率的影响多晶硅材料产业发展及标准化研讨会文集图按“威斯丁豪斯曲线”归纳的型直拉单晶硅太阳能电池中各种元素对电池效率影响的临界浓度尽管存在很多问题但到目前为止,曲线仍然是对电池效率一硅片中杂质含量最系统的研究实际太阳级硅片中的杂质含量表归纳了三种商业化的多晶硅片中各种杂质元素的浓度’〕可以发现不同生长工艺所生长的多晶硅材料对杂质元素的要求也不同这可能与晶体生产时的提纯程度和产生缺陷种类不同有关表三种商业化的多晶硅片中各种杂质元素的浓度加以为自举翔盯灿一、脚玩而,一凡‘佣‘加即,,枷伪翻了竹叭为,初伪曰灼如忿‘之双“,即,加,为触,伪翻,沪印,哟幼肠翻蕊枷跳‘‘加加,如肠曰之了彻加丘如伪几加,东沁,叨一。,‘,伪翻珑只勺叨“拍之,几”的四刀乙加上多晶硅材料产业发展及标准化研讨会文集从多晶硅原材料到硅片过程中杂质的变化拉晶铸锭过程也相当于多晶硅原材料的提纯过程表主要依靠杂质的分凝为硅中主要杂质的平衡分凝系数但不能简单的根据分凝系数计算拉晶铸锭后杂质比原料中少了多少的分凝系数为级‘’〔因为拉晶铸锭过程并非完全的热平衡过程如铁但若熔硅中铁含量为级多晶硅铸锭中的铁含量为仅下降了个数量级表杂质元素月硅中主要杂质的平衡分凝系数平衡分凝系数杂质元素平衡分凝系数数一叙因此不能完全根据平衡分凝系数计算拉晶铸锭后杂质的变化情况硅片过程中杂质的变化需要更多的实验研究多晶硅原材料目前有关太阳级硅的标准公司电子级和太阳能级多晶硅的标准表杂质元素只公司电子级和太阳能级多晶硅的标准单位电子级多晶硅太阳能级多晶硅重金属多晶硅材料产业发展及标准化研讨会文集研究所对太阳能级多晶硅的标准表研究所对太阳能级多晶硅的标准杂质金属硅经提纯后金属属太阳级多晶硅硅〔们们。《洲〔结语建立太阳能级多晶硅原材料的标准最主要的工作是确定原料中杂质的允许含量需要建立多晶原料中杂质含量一硅锭中杂质含量一电池效率的对应关系这是一项非常复杂的工作需要大量的实验研究在建立原材料的标准的过程中,可以参照国外已有的少量研究成果和太阳能级多晶硅的标准参考文献阶比〔。址。以五砂砚以”,〔此,正多晶硅材料产业发展及标准化研讨会文集以琏汀止口,幻讽丫丽卿卫妞加边仃面面币月汕一
