第10章其它形态的硅案例.ppt

第10章 其它形态的硅材料 概述： 近年来，由于低成本和高效率的优势，铸造多晶硅成为最主要的光伏材料之一。现在，其铸造工艺相对成熟：对材料的缺陷和杂质的研究日趋深化，吸杂，钝化及表面结构等技术的应用显著地改善了材料的电学和光学性能，实验室水平上，用铸造多晶硅材料制成的太阳电池的转换效率高达19.8%。工业上能接近17%。 以光伏材料为基础所制得的太阳电池直接将太阳能转化为电能，这被公认为解决能源和环境问题最有效的途径之一。 单晶硅太阳电池的成本较高，目前其售价约为4.5美元/ w ?。因此其高成本成为大规模实用化的障碍。70年代?铸造多晶硅的出现逐渐打破了单晶硅材料长期垄断的地位，它以高的性能价格比不断排挤单晶硅市场。 在80年代末，其市场占有率仅为10%左右．而到了1998年，其占有率就高达43%，目前超过50%了，成为最主要的光伏材料。发电成本也大幅度降低。 最大的铸造多晶硅企业：江西塞维ＬＤＫ太阳能高科技公司。２００８年奥与会前一天宣布，２ＧＷ的产能。？ 10.1 铸造多晶硅 工艺原理： (1)浇铸法:在一个坩埚内将将硅料熔化，浇铸到另一个预热的坩埚中冷却，通过控制冷却速度，采用定向凝固技术，制造大颗粒的多晶硅 (2)直熔法：在一个坩埚内将硅料熔化，然后通过坩埚底部的热交换等方式，是熔体冷却，采用定向凝固技术，制造多晶硅 特点： 材料利用率高，能耗低，制备成本低，晶体生长简便，易于大尺寸生长。(正在研究多坩埚铸造炉） 但含有晶界，高密度位错，微缺陷，杂质浓度较高，晶体质量明显低于单晶硅，光电转化效率低于单晶硅。占太阳能电池材料的53% 技术改造： 1975年，德国Wacker公司，首先利用浇铸法制造多晶硅材料，但光电转化效率只有10%左右，由于其成本低，操作简单等特点，其研发和应用越来越广。转化效率提高到目前的15%-17% 平面凝固技术：保持平面上的温度基本均匀，温度场纵向梯度温度，界面下低于熔点，界面上高于熔点。 氮化硅涂层技术：石英陶瓷坩埚表面喷涂一层氮化硅，在800℃-900℃烘烤，（烧结温度为1100℃），防止SiO2污染硅熔体和粘接硅锭，保持硅锭的尺寸稳定。但还没彻底解决问题。 氢钝化技术：使晶界、位错和金属杂质发生氢钝化，降低界面能和界面复合，改善硅材料性能。 氮化硅包覆石英制备石英陶瓷坩埚（南昌大学光伏学院）--正在研发（中材国际-塞维LDK） 主要设备 铸造多晶硅中的杂质和缺陷 （１）杂质－氧 （分凝系数K=杂质在固相中的浓度/杂质在液相中的浓度） 分凝系数1.25, 浓度范围：1×1017-1×1018/cm3（ 来源：原料复杂（单晶硅的头尾料和埚底料，不符合电子级要求的低级料，石英陶瓷坩埚污染） Si+SiO2----2SiO（大部分挥发，1%左右进入熔体，间隙[O]。 存在状态： 如果浓度不高，间隙[O]，电中性，基本不影响硅材料的电性能。 如果浓度高，饱和状态，由于铸造过程在50小时左右，容易产生氧施主和氧沉淀 氧施主：双施主杂质，杂质能级在导带下0.06- 0.07eV, 0.013-0.015eV 550℃-650℃下热处理10h以内，可以消除；如果温度过高，或时间过长，会产生新的热施主。 氧沉淀：SiO2，电中性，通过氧沉底来吸附杂质（吸杂） B-O,N-O形式的氧杂质？ （2）杂质-碳 分凝系数：0.07，浓度范围：n×1017/cm3 来源：原材料中的碳比较高；石墨坩埚和石墨加热器的挥发。 分布特点：开始结晶的底部比较低，上部表面可超过1×1017/cm3，甚至超过固溶度（ 4×1017/cm3 ），可能发生SiC沉淀。主要作用是氧的沉淀中心。位错和晶界，对碳的性质影响不大。 （3）杂质-氮 次要杂质，分凝系数：0.0007± 来源：Si3N4涂层引入 作用：增加硅片机械强度，抑制微缺陷，促进氧沉底。掺氮直拉单晶硅，应用到深亚微米级集成电路板。 主要存在形式：氮对，不提供电子，没电活性。饱和浓度很低，氮对浓度不高，但可能机械混入Si3N4颗粒，分布于晶界上，导致晶界增多，细晶产生，最终影响多晶硅材料的性能。 如果形成N-O复合体：提供单电子的施主杂质，浓度不高（2-5×1014/cm3),而且可以通过热处理消除，对多晶硅材料的性能影响可以忽略。 （4）杂质-氢 原料和多晶硅中基本不含氢，但硅片热处理的时候，有氢钝化工艺（和PECVD沉积氮化硅减反射层时同步进行）。 氢钝化作用：使空穴、位错，界面上的悬挂键饱和，降低其界面能，从而降低空穴-电子的复合作用，改善硅材料的性能，提高电池的开路电压。与金属杂质结合，消除深能级中心；与表面悬挂键结合，降低表面载流子的表面复合。 钝