高光電轉(zhuǎn)換效率,無(wú)衰減的太陽(yáng)電池硅單晶的研制

1、高光電轉(zhuǎn)換效率，無(wú)衰減的太高光電轉(zhuǎn)換效率，無(wú)衰減的太 陽(yáng)電池硅單晶的研制陽(yáng)電池硅單晶的研制 曾世銘曾世銘1馮馮1，蔣建華，蔣建華1，蔡岳峰，蔡岳峰1,汪義川汪義川2， 李劍李劍2，黃治國(guó)，黃治國(guó)2 1常州美晶太陽(yáng)能材料有限公司，江蘇。常州美晶太陽(yáng)能材料有限公司，江蘇。 2尚德電力控股有限公司，江蘇，無(wú)錫。尚德電力控股有限公司，江蘇，無(wú)錫。 報(bào)告內(nèi)容 n1.1.概述概述 n2.2.工藝原理工藝原理 n3.3.單晶拉制實(shí)驗(yàn)單晶拉制實(shí)驗(yàn) n4.4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果, ,討論以及結(jié)論討論以及結(jié)論 n5.結(jié)語(yǔ)結(jié)語(yǔ) 1.概述 近年來(lái)，太陽(yáng)電池工業(yè)的迅猛發(fā)展致使制備單晶硅的原材料供應(yīng)十近年來(lái)，太陽(yáng)電池工業(yè)的

2、迅猛發(fā)展致使制備單晶硅的原材料供應(yīng)十 分緊張，加之大部分的硅單晶生產(chǎn)廠家是新參與者，不太了解硅的分緊張，加之大部分的硅單晶生產(chǎn)廠家是新參與者，不太了解硅的 質(zhì)量與太陽(yáng)電池性能之間的關(guān)系，因而饑不擇食地購(gòu)入了大量的垃質(zhì)量與太陽(yáng)電池性能之間的關(guān)系，因而饑不擇食地購(gòu)入了大量的垃 圾原料諸如：極低阻的重?fù)焦枇希粓宓琢?；薄鍍膜片，彩片；電池圾原料諸如：極低阻的重?fù)焦枇?；堝底料；薄鍍膜片，彩片；電?廢片等雜料，誤認(rèn)為可通過(guò)型號(hào)補(bǔ)償以及化學(xué)物理法處理后，只要廢片等雜料，誤認(rèn)為可通過(guò)型號(hào)補(bǔ)償以及化學(xué)物理法處理后，只要 湊合太陽(yáng)電池所需型號(hào)和電阻率的要求，拉成單晶，甚至連少子壽湊合太陽(yáng)電池所需型號(hào)和電阻率的要

3、求，拉成單晶，甚至連少子壽 命都不測(cè)，就提供給用戶制作太陽(yáng)電池，必然造成電池的轉(zhuǎn)換效率命都不測(cè)，就提供給用戶制作太陽(yáng)電池，必然造成電池的轉(zhuǎn)換效率 不高，不穩(wěn)定，經(jīng)光照后效率大為衰減的問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的不高，不穩(wěn)定，經(jīng)光照后效率大為衰減的問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的 科學(xué)家和資料紛紛報(bào)道，應(yīng)著重于關(guān)注原材料的純度，特別是壽命科學(xué)家和資料紛紛報(bào)道，應(yīng)著重于關(guān)注原材料的純度，特別是壽命 殺手的重金屬，貴金屬的含量；氧的控制及硼氧復(fù)合體；拉晶過(guò)殺手的重金屬，貴金屬的含量；氧的控制及硼氧復(fù)合體；拉晶過(guò) 程中的工藝控制等方面的問(wèn)題。程中的工藝控制等方面的問(wèn)題。 n 施正榮博士，楊德仁教授和施正榮博士，楊德仁

4、教授和Ines Rutsachman 等人指出解決轉(zhuǎn)等人指出解決轉(zhuǎn) 換效率低的關(guān)鍵是原料的純度以及采用以下三個(gè)方法：換效率低的關(guān)鍵是原料的純度以及采用以下三個(gè)方法： 1.可降低和控制單晶氧含量的磁場(chǎng)直拉法（可降低和控制單晶氧含量的磁場(chǎng)直拉法（MCZ法）。法）。 2.用鎵或銦元素取代硼作為用鎵或銦元素取代硼作為P型摻雜劑的拉晶方法。型摻雜劑的拉晶方法。 3.采用磷合金作為采用磷合金作為N型摻雜劑的拉晶方法。型摻雜劑的拉晶方法。 n對(duì)這三種方法的普遍認(rèn)知是：對(duì)這三種方法的普遍認(rèn)知是：MCZMCZ法雖能控制和降低單晶中的氧法雖能控制和降低單晶中的氧 含量，但是需要配置磁場(chǎng)設(shè)備并提供其激磁電源，必然增

5、加成本。含量，但是需要配置磁場(chǎng)設(shè)備并提供其激磁電源，必然增加成本。 而第二種方法中由于鎵和銦的分凝系數(shù)問(wèn)題，使單晶頭尾間的軸而第二種方法中由于鎵和銦的分凝系數(shù)問(wèn)題，使單晶頭尾間的軸 向電阻率變化太大，使得實(shí)施起來(lái)很復(fù)雜，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。向電阻率變化太大，使得實(shí)施起來(lái)很復(fù)雜，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。 使用磷摻雜的使用磷摻雜的N N型單晶，必須要改變電池制作工藝。型單晶，必須要改變電池制作工藝。 經(jīng)過(guò)探討，經(jīng)過(guò)探討， 我們還是選定了摻鎵的單晶拉制工藝。我們還是選定了摻鎵的單晶拉制工藝。 2. 工藝原理 n 眾所周知鎵的分凝系數(shù)是眾所周知鎵的分凝系數(shù)是8 X 10 3，而銦的是 ，而銦的是4 X 10

6、4，的確大大小于硼的分凝系數(shù) ，的確大大小于硼的分凝系數(shù)8 X 10 1。 。 表面表面 看來(lái)?yè)芥壔蜚煹墓鑶尉лS向電阻率控制必然比摻硼的看來(lái)?yè)芥壔蜚煹墓鑶尉лS向電阻率控制必然比摻硼的 難度大些，也復(fù)雜些。但是太陽(yáng)電池對(duì)單晶電阻率的難度大些，也復(fù)雜些。但是太陽(yáng)電池對(duì)單晶電阻率的 數(shù)值和分布范圍要求比較寬松，例如數(shù)值和分布范圍要求比較寬松，例如0.56.0歐姆厘歐姆厘 米。因此這就不會(huì)成為問(wèn)題。米。因此這就不會(huì)成為問(wèn)題。 n分凝公式：分凝公式： C = KC( 1 X )K-1 式中：式中：C 單晶中雜質(zhì)濃度單晶中雜質(zhì)濃度 K 雜質(zhì)分凝系數(shù)雜質(zhì)分凝系數(shù) C硅熔體中雜質(zhì)的原始濃度硅熔體中雜質(zhì)的原始濃

7、度 X 從硅熔體中拉制出的單晶重量占熔體重量從硅熔體中拉制出的單晶重量占熔體重量 的百分比的百分比 n套用分凝公式將摻硼單晶和摻鎵單晶的軸向電阻率分套用分凝公式將摻硼單晶和摻鎵單晶的軸向電阻率分 布數(shù)據(jù)經(jīng)布數(shù)據(jù)經(jīng) n計(jì)算后列于下表：（目標(biāo)電阻率為計(jì)算后列于下表：（目標(biāo)電阻率為2歐姆厘米）歐姆厘米） n結(jié)晶百分?jǐn)?shù)結(jié)晶百分?jǐn)?shù) 摻硼單晶電阻率摻硼單晶電阻率 摻鎵單晶電阻率摻鎵單晶電阻率 n 0 2.0 歐姆厘米歐姆厘米 2.0歐姆厘米歐姆厘米 n 10 1.97歐姆厘米歐姆厘米 1.9歐姆厘米歐姆厘米 n 20 1.93歐姆厘米歐姆厘米 1.6歐姆厘米歐姆厘米 n 30 1.89歐姆厘米歐姆厘米 1

8、.45歐姆厘米歐姆厘米 n 40 1.83歐姆厘米歐姆厘米 1.25歐姆厘米歐姆厘米 n 50 1.78歐姆厘米歐姆厘米 1.05歐姆厘米歐姆厘米 n 60 1.70歐姆厘米歐姆厘米 0.85歐姆厘米歐姆厘米 n 70 1.60歐姆厘米歐姆厘米 0.67歐姆厘米歐姆厘米 n 80 1.48歐姆厘米歐姆厘米 0.50歐姆厘米歐姆厘米 n 90 1.30歐姆厘米歐姆厘米 0.27歐姆厘米歐姆厘米 n從以上數(shù)據(jù)得知摻鎵單晶的軸向電阻率分布比摻硼的從以上數(shù)據(jù)得知摻鎵單晶的軸向電阻率分布比摻硼的 寬一些，但是寬一些，但是85的單晶重量仍然位于的單晶重量仍然位于0.52.0歐姆歐姆 厘米的范圍內(nèi)，是可以規(guī)

9、?；a(chǎn)這種硅單晶的。厘米的范圍內(nèi)，是可以規(guī)模化生產(chǎn)這種硅單晶的。 3. 單晶拉制實(shí)驗(yàn) （1）實(shí)驗(yàn)用設(shè)備和檢測(cè)儀器：）實(shí)驗(yàn)用設(shè)備和檢測(cè)儀器： A.單晶爐：常州華盛天龍公司生產(chǎn)的單晶爐：常州華盛天龍公司生產(chǎn)的85型單晶爐，采用型單晶爐，采用 18”石墨熱場(chǎng)和石墨熱場(chǎng)和18”石英坩堝，裝料量為石英坩堝，裝料量為60公斤硅。公斤硅。 B.氧碳含量測(cè)試儀：氧碳含量測(cè)試儀：NICOLET6700型紅外光譜儀。型紅外光譜儀。 C.少子壽命測(cè)試儀：少子壽命測(cè)試儀：WT1000型。型。 D.電阻率測(cè)試儀：電阻率測(cè)試儀：BD86A型。型。 E電阻率及型號(hào)分選儀：電阻率及型號(hào)分選儀：SRTT型。型。 （2）硅原料

10、，摻雜劑及單晶，晶片規(guī)格：）硅原料，摻雜劑及單晶，晶片規(guī)格： A. 硅原料：美國(guó)硅原料：美國(guó)MEMC多晶硅。多晶硅。 B. 摻雜劑：摻雜劑：7 N 的高純鎵。的高純鎵。 C. 硅單晶：硅單晶：6”，P型，型，0.5 6.0 歐姆厘米，歐姆厘米，10微秒。微秒。 D硅晶片：硅晶片：125 X 125 毫米，厚度毫米，厚度20010微米。微米。 （3）拉晶實(shí)驗(yàn)：）拉晶實(shí)驗(yàn)： 將將60公斤硅多晶裝入石英坩堝中，采公斤硅多晶裝入石英坩堝中，采 用減壓氬氣下拉晶，壓力用減壓氬氣下拉晶，壓力1300Pa.晶轉(zhuǎn)為晶轉(zhuǎn)為12 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分，分， 堝轉(zhuǎn)為堝轉(zhuǎn)為8轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分，拉速為分，拉速為1.1毫米毫米/分分 0.6

11、毫米毫米/分。分。 連續(xù)開了連續(xù)開了4爐，拉出爐，拉出 4根完整單晶，長(zhǎng)度均為根完整單晶，長(zhǎng)度均為1200毫毫 米左右。米左右。4根硅單晶的編號(hào)分別為：根硅單晶的編號(hào)分別為：SGMJ/P06-3- 35-6SD; SGMJ/P06-4-35-1SD; SGMJ/P06-4- 35-2SD; SGMJ/P06-4-35-3SD; （4） 單晶測(cè)試：將單晶切斷，取頭尾片測(cè)量導(dǎo)電型號(hào)；單晶測(cè)試：將單晶切斷，取頭尾片測(cè)量導(dǎo)電型號(hào)； 電阻率；電阻率； 少子壽命；氧碳含量等數(shù)據(jù)。少子壽命；氧碳含量等數(shù)據(jù)。 （5）晶片加工：切方，滾磨及切片）晶片加工：切方，滾磨及切片 將物理檢測(cè)合格后的晶體加工成將物理檢測(cè)

12、合格后的晶體加工成125 X 125 毫米毫米 的準(zhǔn)方形的準(zhǔn)方形 厚度厚度20020 微米的晶片微米的晶片12790片，送到尚德公片，送到尚德公 司進(jìn)行太陽(yáng)電池制備以及有關(guān)的電池轉(zhuǎn)換效率和光衰司進(jìn)行太陽(yáng)電池制備以及有關(guān)的電池轉(zhuǎn)換效率和光衰 減的實(shí)驗(yàn)。減的實(shí)驗(yàn)。 4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果，討論以及結(jié)論 n（1）單晶物理參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)：（壽命值為尚德公司提供）單晶物理參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)：（壽命值為尚德公司提供） 晶體編號(hào)晶體編號(hào) 頭頭/尾電阻率尾電阻率 頭頭/尾氧含量尾氧含量 頭頭/尾碳含量尾碳含量 頭頭/尾壽命尾壽命 （） （ X 1017） （ X 1016） （s） 03-35-06 1.1/0.3 9.3/

13、11.7 0.27/0.96 187/49 04-35-01 1.6/0.3 9.3/10.0 0 / 0.16 255/31 04-35-02 1.9/0.3 9.3/9.80 0.26/0.54 448/29 04-35-03 1.7/0.3 9.9/9.80 0.3 /0.56 207/48 （2）晶片分類數(shù)據(jù)（尚德公司提供）：）晶片分類數(shù)據(jù)（尚德公司提供）： 電阻率電阻率 0.2-0.5 0.5-0.9 0.9-1.6 （-） （-） （-） 硅片數(shù)硅片數(shù)(片片)1974 5101 5715 分布率分布率() 15.34 39.31 44.68 太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率及光衰減數(shù)據(jù)（尚德公司提

14、供）：太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率及光衰減數(shù)據(jù)（尚德公司提供）： 電阻率（電阻率（-） 轉(zhuǎn)換效率（）轉(zhuǎn)換效率（） 光衰減率（）光衰減率（） 0.2 - 0.5 17.33 0.49 0.5 0.9 17.37 0.89 0.9 1.6 17.65 0.62 全部平均全部平均 17.57 0.67 注：光衰減率是在注：光衰減率是在4小時(shí)內(nèi)，一個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)下測(cè)試的。小時(shí)內(nèi)，一個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)下測(cè)試的。 n 根據(jù)電池專家的意見(jiàn)，光衰減率根據(jù)電池專家的意見(jiàn)，光衰減率2屬于檢測(cè)誤差屬于檢測(cè)誤差 范圍內(nèi)，可視為無(wú)衰減。正如拉制無(wú)位錯(cuò)單晶并非是范圍內(nèi)，可視為無(wú)衰減。正如拉制無(wú)位錯(cuò)單晶并非是 零位錯(cuò)的，而是位錯(cuò)密度零位錯(cuò)的，而是

15、位錯(cuò)密度300CM-2的單晶可視為無(wú)的單晶可視為無(wú) 位錯(cuò)的。位錯(cuò)的。 n結(jié)論結(jié)論： 從測(cè)試結(jié)果得知：用鎵代替硼作為摻雜劑來(lái)從測(cè)試結(jié)果得知：用鎵代替硼作為摻雜劑來(lái) 拉制太陽(yáng)電池單晶，可以提高電池的轉(zhuǎn)換效率和降低拉制太陽(yáng)電池單晶，可以提高電池的轉(zhuǎn)換效率和降低 光衰減問(wèn)題（因?yàn)楸苊饬伺鹧鯊?fù)合體嚴(yán)重影響光衰光衰減問(wèn)題（因?yàn)楸苊饬伺鹧鯊?fù)合體嚴(yán)重影響光衰 減率的深能級(jí)的產(chǎn)生）。從拉制單晶的角度來(lái)看，制減率的深能級(jí)的產(chǎn)生）。從拉制單晶的角度來(lái)看，制 備難度并不大，值得在生產(chǎn)中推廣。備難度并不大，值得在生產(chǎn)中推廣。 5. 結(jié)語(yǔ) n1）除去使用）除去使用MEMC的多晶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)外，我們還使用的多晶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)外，我們還使用 了國(guó)產(chǎn)多晶硅摻鎵的實(shí)驗(yàn)。共向尚德公司提供了了國(guó)產(chǎn)多晶硅摻鎵的實(shí)驗(yàn)。共向尚德公司提供了5514 片片125 X 125mm的晶片，制成的太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效的晶片，制成的太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效 率平均為率平均為17以上，經(jīng)以上，經(jīng)4小時(shí)一個(gè)太陽(yáng)下光照后，其小時(shí)一個(gè)太陽(yáng)下光照后，其 衰減率平均為衰減率平均為1，也可視為高轉(zhuǎn)換效率，無(wú)衰減的。，也可視為高轉(zhuǎn)換效率，無(wú)衰減的。 n2）近幾個(gè)月來(lái)我們用國(guó)產(chǎn)多晶，采用摻鎵工藝共向用）近幾個(gè)月來(lái)我們用國(guó)產(chǎn)多晶，采用摻鎵工藝共向用 戶提供了近戶提供了近200萬(wàn)片晶片，用戶反映良好。萬(wàn)片晶片，用戶反映良好。 n3）我們也使用）我們也使用