低缺陷密度大单晶比例太阳能级类单晶硅锭制备及其表面制绒研究

摘要

类单晶籽晶辅助定向凝铸法是近年来在多晶硅籽晶辅助定向凝铸法基础上发展起来的一种全新的低成本、高效率类单晶硅锭制备技术。该技术具有单炉生产量大，单位质量能耗低，硅锭质量好等优点，其对应的太阳能电池片相对于多晶片转换效率更高。但是，现有制备技术存在单锭单晶比例低，缺陷密度高，无法进入产业化阶段的问题;同时，由于其表面单晶与多晶晶粒共存，一般的酸、碱腐蚀法对其制绒都存在困难。为了制备可产业化的低缺陷密度大单晶比例类单晶硅锭及提升对应太阳能电池的效率，本文使用适合产业化的定向凝铸炉，进行了多晶硅锭和类单晶硅锭的制备技术优化和生长机理分析，并对制备的类单晶太阳能电池片表面制绒技术进行了研究。采用的美国GT公司G6-850定向凝铸炉具有目前世界最先进的双电源双加热器结构，热场比较均匀，适合G6（即单炉生产硅锭可切割出36个156×156mm2的硅晶柱）及更大尺寸硅锭产业化生产。
　　本文首先进行了多晶硅籽晶辅助定向凝铸技术优化研究。实验表明:籽晶辅助定向凝铸工艺制备的多晶硅锭从底部到顶部的缺陷密度分布状态可以分为准直线平坦区和准线性增加区。在直线区中，硅锭缺陷密度基本保持不变或微弱增加;准线性区中，硅锭缺陷密度随着高度的增加而准线性增加。随着结晶降温速率减小，硅锭的缺陷密度整体降低，直线区变长，准线性区变短，对应太阳能电池转换效率高于18％的比例增加。为了克服籽晶层局部过熔现象，本论文创新地设计了一种缓冲式籽晶熔化控制技术。缓冲层位于籽晶层上，由小颗粒的原生多晶硅料层和其上的晶砖层构成。采用缓冲式籽晶熔化控制技术制备多晶硅铸锭的实验表明:该技术可以有效避免因硅熔液从硅料间隙渗下造成的籽晶层局部过熔现象，提高了籽晶层的熔化均匀性，延长了硅锭中低缺陷密度直线区的长度，降低硅锭底部红区（即少子寿命低于2μs的区域）的高度，提高了硅锭质量，为超薄籽晶层定向凝铸工艺产业化奠定了基础。
　　采用单晶硅籽晶辅助，我们研究了定向凝铸工艺制备类单晶硅锭的制备工艺。G6类单晶铸锭实验结果与多晶硅实验基本一致，即结晶降温速率下降，硅锭缺陷密度整体降低，直线区变长，准线性区变短。通过类单晶铸锭实验发现，当降温速率较大，即降低温度/结晶时间的比例为0.467时，类单晶硅锭中单晶比例约为61％;当降温速率较小，即降低温度/结晶时间的比例为0.154时，类单晶硅锭中单晶的比例可以达到75％以上，这一比例对产业化来说，已具有应用价值。
　　在类单晶缓冲式籽晶熔化控制技术装料铸锭的基础上，发展了缓冲层中心低四周高凹陷式类单晶缓冲籽晶熔化控制技术。实验结果表明:该装料方式克服了坩埚中心熔化过程中温度较低，坩埚四周熔化过快的问题，硅熔液通过缓冲层后，形成了更为平直的固液面，与籽晶层实现了良好的接触。该技术克服了类单晶硅片中十字纹的形成。最终实验制备出单晶比例高达87.5％的产业化类单晶硅锭，具有较高的应用价值。
　　定向凝铸硅锭顶部和底部的红区降低了硅锭的硅片有效切片数。本文通过类单晶和多晶硅的定向凝铸工艺实验，研究了硅锭中红区的形成机理。通过不同结晶工艺温度实验发现，硅锭底部红区的高度受到硅熔液温度的影响，硅溶液温度越高，红区的高度越低。通过对铸锭结晶工艺降温速率的实验研究表明，随着降温速率的降低，红区高度降低。基于实验结果我们提出:硅锭底部红区受到硅熔液中温度梯度的影响。温度梯度越大，在铸锭初期越易生长小晶粒，从而形成了大量的位错和晶粒间界，成为了杂质的吸附中心，降低了硅锭底部晶体的载流子的寿命，形成硅锭底部红区。缓冲式籽晶熔化控制技术实验表明硅料熔化时较为平直的固液面避免了籽晶层局部过熔，提高了硅熔液温度，从而降低了红区高度。
　　类单晶硅片因其制绒效果差，限制了其在太阳电池中的应用。本文创新地采用了两步腐蚀法制备纳米绒面结构的类单晶太阳电池，有效提高了电池的光吸收率和载流子寿命。实验结果表明:从硅晶柱底部到顶部的类单晶电池转换效率均获得了提高。两步腐蚀法制备的类单晶太阳电池的转换效率从酸腐蚀的18.4％提高到了18.9％，并且减少了电池上的色差。通过亚电池并联模型很好的解释了类单晶电池的性能取决于最差亚电池的性能。本文制备的类单晶电池的转换效率远超过了传统高效多晶电池18.0％左右。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 新能源的发展综述

1．2 太阳能电池结构、工作原理

1．3 太阳能电池的材料

1．3．1 单晶硅和多晶硅

1．3．2 类单晶

1．4 类单晶的研究现状

1．4．1 类单晶硅生产工艺

1．4．2 籽晶间位错产生

1．4．3 红区形成理论综述

1．5 本文的研究背景及内容

1．5．1 研究背景

1．5．2 硅锭生长研究内容

1．5．3 类单晶硅制绒技术研究

第二章 硅锭生长原理、工艺及设备

2．1 晶体生长理论基础

2．1．1 形成过冷度，释放潜热

2．1．2 形核

2．1．3 晶体传热

2．1．4 晶体定向生长传热的控制

2．2 晶体生长工艺

2．2．1 单晶生长工艺

2．2．2 多晶生长工艺

2．3 定向凝固法及GT多晶镑锭炉

2．3．1 定向凝铸法

2．3．2 G6-850双电源多晶铸锭炉

2．3．3 炉内热场传热基本规律

第三章 定向凝铸法制备多晶硅工艺研究

3．1 引言

3．2 多晶硅低缺陷密度定向凝铸实验

3．3 实验结果与分析

3．4 缓冲式籽晶熔化控制技术对硅锭质量的影响与分析

3．4．1 实验设计

3．4．2 实验结果与分析

3．5 小结

第四章 定向凝铸法制备类单晶硅锭工艺研究

4．1 引言

4．2 块状籽晶铸锭工艺研究与分析

4．2．1 类单晶硅片PL测试分析

4．2．2 基于块状籽晶的类单晶少子寿命分析

4．3 板状籽晶类单晶铸锭实验

4．3．1 数值模拟籽晶板承重形变影响

4．3．2 基于板状籽晶类单晶定向凝铸实验

4．4 实验结果与分析

4．4．1 PL测试分析

4．4．2 板状籽晶少子寿命分布

4．5 类单晶铸锭工艺对类单晶硅锭性能的影响

4．6 凹陷式类单晶缓冲籽晶熔化控制技术工艺

4．7 小结

第五章 定向凝铸法红区形成机理研究

5．1 引言

5．2 实验

5．3 红区形成与工艺温度的关系

5．3．1 红区高度与工艺温度的关系

5．3．2 红区形成原理

5．4 红区改善工艺研究

5．4．1 长晶工艺对硅锭红区的影响

5．4．2 装料方式对硅锭红区改善的影响

5．5 小结

第六章 高效类单晶太阳能电池研究

6．1 引言

6．2 实验

6．3 实验结果与讨论

6．4 小结

第七章 总结

参考文献

博士期间成果

致谢