铸造多晶硅教材教学课件.ppt

铸造多晶硅; 自20世纪80年代铸造多晶硅发明和应用以来，增长迅速，80年代末期它仅占太阳电池材料的10%左右，而至1996年底它已占整个太阳电池材料的36%左右，它以相对低成本、高效率的优势不断挤占单晶硅的市场，成为最有竞争力的太阳电池材料。21世纪初已占50%以上，成为最主要的太阳电池材料。 ;优点： 铸造多晶硅是利用特定铸造技术，在方形坩埚中制备晶体硅材料，其生长简便，易于大尺寸生长，易于自动化生长和控制，并且很容易直接切成方形硅片； 材料的损耗小，同时铸造多晶硅生长相对能耗小，促使材料的成本进一步降低，而且铸造多晶硅技术对硅原料纯度的容忍度比直拉单晶硅高。 缺点：铸造多晶硅具有晶界、高密度的位错、微缺陷和相对较高的杂质浓度，从而降低了太阳电池的光电转换效率。 ; 利用铸造技术制备多晶硅，称为铸造多晶硅（multicrystalline silicon，Mc-Si）。 铸造多晶硅中含有大量的晶粒、晶界、位错和杂质，但由于省去了高费用额晶体拉制过程，所以相对成本较低，而且能耗也较低，在国际上的到了广泛应用。;晶体性质; 自从铸造多晶硅发明以后，技术不断改进，质量不断提高，应用也不断广泛。在材料制备方面，平面固液相技术和氮化硅涂层技术等技术的应用、材料尺寸的不断加大。; 由于铸造多晶硅的优势，世界各发达国家都在努力发展其工业规模。自20世纪90年代以来，国际上新建的太阳电池和材料的生产线大部分是铸造多晶硅生产线，相信在今后会有更多的铸造多晶硅材料和电池生产线投入应用。目前，铸造多晶硅已占太阳电池材料的53%以上，成为最主要的太阳电池材料。;2、铸造多晶硅的制备工艺;其原理是利用电磁感应的冷坩埚来熔化硅原料。;这种技术熔化和凝固可以在不同部位同时进行，节约生产时间；而且，熔体和坩埚不直接接触，既没有坩埚消耗，降低成本，又减少了杂质污染程度，特别是氧浓度和金属杂质浓度有可能大幅度降低。 该技术还可以连续浇铸，速度可达 5mm/min。不仅如此，由于电磁力对硅熔体的作用，使得掺杂剂在硅熔体中的分布可能更均匀。 显然，这是一种很有前途的铸造多晶硅技???。;这种技术制备出的铸造多晶硅的晶粒比较细小，约为3-5mm，而且晶粒大小不均匀。而且，由图6.9可以看出，该技术的固液界面是严重的凹形，会引入较多的晶体缺陷。因此，这种技术制备的铸造多晶硅的少数载流子寿命较低，所制备的太阳电池的效率也较低。 ;3、铸造多晶硅的原材料;补充：PN结的制备方法;PN结的制备方法 在一块 N型（或P型）半导体单晶上，用适当的工艺方法把P型（或N型）杂质掺入其中，使这块单晶的不同区域分别形成N型和P型的导电类型，两者的交界处就形成了PN结。 制备方法主要有： 合金法 扩散法 离子注入法 薄膜生长法 …… ;合金法;扩散法; 离子注入法：将N型（或P型）掺杂剂的离子束在静电场中间加速，注入P型（或N型）半导体表面区域，在表面形成型号与基体相反的半导体 ，从而形成半导体。 薄膜生长法：在N型或P型半导体材料的表面，通过气相、液相等外延技术生长一层具有相反导电类型的半导体薄膜，从而形成PN结。;杂质的作用 引入能级（掺杂元素引入能级造成的影响是怎样的？） 杂质补偿 电阻率（或电导率）跟杂质的浓度有关。单一一种杂质浓度时： Cs→N (杂质浓度→载流子浓度）;P型材料的B原子是带正电（空穴）的，而N型材料的P原子是带负电（电子）的，如果这两种杂质共存的话，电子和空穴互相填充，均失去了导电性，所以宏观上会表现出电阻率升高的情况——施主杂质与受主杂质的“补偿”现象。 当半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是N型还是P型呢？ ; NDNA 因为受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃迁到NA个受主能级上，还有ND-NA个电子在施主能级上，杂质全部电离时，跃迁到导带中的导电电子的浓度为n= ND-NA。即则有效施主浓度为NAeff≈ ND-NA ;NAND 施主能级上的全部电子跃迁到受主能级上，受主能级上还有NA-ND个空穴，它们可接受价带上的NA-ND个电子，在价带中形成的空穴浓度p= NA-ND. 即有效受主浓度为NAeff≈ NA-ND;NA≈ND 不能向导带和价带提供电子和空穴，称为杂质的高度补偿. 这种材料容易被误认高纯半导体，实际上含杂质很多，性能很差， 不能用来制造半导体器件. ; 在铸造多晶硅制备过程中，可以利用方形的高纯石墨作为坩埚，也可以利用高纯石英作为坩埚。 高纯石墨的成本比较便宜，但是有较多可能的碳污染和金属污染；高纯石英的成本较高，但污染少，要制备优质的铸造多晶硅就必须利用石英坩埚。;析晶 石英坩埚的变