太阳电池用晶体硅中的金属沉淀及吸杂

摘要

太阳能是取之不尽的重要新能源.在所有太阳电池材料中,晶体硅占据了80％以上的市场份额,是制造太阳电池最主要的基础材料.为了降低成本,低质量多晶硅原料的利用增加了太阳电池中金属沾污的可能性,同时高效太阳电池的制备对硅中金属杂质以及缺陷行为和性质的掌握提出了更高的要求。因此,研究太阳电池用晶体硅的缺陷工程对于光伏产业向高效低成本方向发展具有非常重要的意义.
　　 本文利用微波光电导衰减仪、电流/电容-电压特性曲线测试系统、扫描红外显微镜、择优腐蚀结合光学显微镜、透射电镜、扩展电阻等一系列测试技术和手段,研究了直拉单晶硅和铸造多晶硅中金属杂质和缺陷的性质,取得了如下主要的创新性的结果:
　　 (1)研究了Cu杂质在单晶硅中的扩散和沉淀行为并首次提出了这种Cu杂质的自吸杂现象。研究发现在Cu杂质沾污硅片时,如果沾污量较少,反而会使得硅片少子寿命升高,在多晶硅中也存在此现象.在较高温度沾污时,硅片表面的Cu杂质向硅片体内内扩散的过程中,表面的富Cu层对硅片体内的Cu杂质具有一定的吸杂作用,也即Cu杂质的自吸杂现象。
　　 (2)系统研究了多晶硅中缺陷对Cu杂质沉淀以及吸杂行为的影响。发现在低温沾污情况下,缺陷作为Cu杂质吸杂中心,使更多的Cu杂质留在硅片内部,严重降低硅片少子寿命;但在高温沾污情况下,基于高密度缺陷的吸杂作用,Cu杂质由于被分散在缺陷周围而不能形成大粒径沉淀,而在低缺陷密度区域的晶粒内部可以形成大粒径沉淀。进一步地,磷吸杂实验指出:由于大粒径Cu沉淀溶解较困难,高温沾污的样品中低缺陷密度区域的Cu杂质相对难以被吸杂。
　　 (3)定量研究了Ni杂质对晶界能级特性的影响。利用特殊的单晶界键合样品,结合电流/电容-电压特性曲线法,分析了Ni杂质沾污对晶界能级特性的影响,发现在肖特基结中,Ni沾污的晶界引起的漏电流要明显大于洁净晶界;C-V测试发现,Ni沾污改变了晶界带电特性;进一步的计算证明,Ni沾污以后,晶界能级态密度增加2倍左右,晶界相关能级的载流子捕获截面增加约1-2个数量级。
　　 (4)定量研究了Fe杂质对晶界能级的影响以及H对Fe沾污晶界的钝化行为.利用特殊的键合样品,制作“Au(Al)/键合样品/InGa”结构,结合I-V/C-V测试分析,发现Fe杂质的沾污急剧增加晶界的电学活性,主要原因是Fe沾污使晶界处能级态密度升高约1个数量级,同时,使晶界相关能级的载流子捕获截面较原始值提高2-3个数量级.实验还发现,H钝化可以在一定程度上减弱Fe杂质引起的电学活性升高,但不能完全去除Fe沾污带来的影响。
　　 (5)首次研究了晶界上Au杂质的吸杂行为。利用n型键合样品结合扩展电阻表征手段,发现替位态的Au杂质也具有被晶界吸杂的性质,且沾污温度越高晶界上Au杂质含量越高;其后,利用磷吸杂工艺,研究了晶界与磷扩散层之间的竞争吸杂,发现硅片体内的Au杂质较易吸除,但晶界上Au杂质较难吸杂;最后,通过变温吸杂技术有效地吸除了晶界上的Au杂质。
　　 (6)得到了基于变温快速热处理的磷吸杂优化工艺。通过在硅晶体体内引入点状以及星状两种Cu沉淀,利用基于快速热处理的交温磷吸杂技术,结合热处理气氛的控制,发现950℃/3min+700℃/3min的吸杂工艺可以有效的溶解及吸杂单晶硅中的Cu沉淀;研究还指出,相比点状Cu沉淀,星状Cu沉淀的吸杂更困难,需要氧化性气氛的辅助才可以完全吸杂,同时,氧化性气氛吸杂后少子寿命的提高也更明显.

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 前言

1.1 研究的背景和意义

1.2 本研究的目的和内容

1.3 本论文的结构安排及内容提要

2.文献综述

2.1 引言

2.2 多晶硅材料生长工艺

2.2.1 传统铸造法

2.2.2 铸造法新工艺

2.2.3 带状生长法

2.3 铸造多晶硅中杂质分布规律

2.3.1 多晶硅中的氧杂质分布规律

2.3.2 多晶硅中的碳杂质分布规律

2.3.3 多晶硅中的金属杂质分布规律

2.4 多晶硅中的缺陷及其复合活性

2.4.1 硅中位错的性质及其复合特性

2.4.2 硅中晶界的性质及其复合活性

2.5 硅中的金属杂质的性质

2.5.1 硅中金属杂质的固溶度以及扩散性质

2.5.2 硅中金属杂质的沉淀及复合性质

2.6 评论及存在的问题

3.实验样品和研究方法

3.1 实验方法简介

3.1.1 形貌测试:

3.1.2 电学测试:

3.2 实验样品与样品制备

3.2.1 实验样品

3.2.2 样品制备及处理方法

3.3 测试方法和设备

3.3.1 择优腐蚀结合光学显微镜

3.3.2 扫描红外显微镜

3.3.3 微波光电导衰减仪

3.3.4 电流/电容-电压特性曲线

4.单晶硅中的缺陷及金属杂质

4.1 引言

4.2 实验

4.2.1 单晶硅中位错的电学性能

4.2.2 单晶硅中Fe杂质的电学性能

4.2.3 单晶硅中的Cu杂质对电学性能的影响

4.2.4 单晶硅中的Cu沉淀行为

4.2.5 单晶硅中的Cu杂质自吸杂行为

4.3 单晶硅中的位错的电学性能

4.4 单晶硅中的Fe沾污

4.5 单晶硅中Cu杂质对电学性能影响

4.6 单晶硅中Cu沉淀行为

4.6.1 热处理气氛的影响

4.6.2 位错的影响

4.7 单晶硅中Cu的自吸杂行为

4.8 小结

5.多晶硅中的缺陷及金属杂质

5.1 引言

5.2 实验

5.2.1 铸造多晶硅中位错的研究

5.2.2 铸造多晶硅中Fe杂质研究

5.2.3 铸造多晶硅中Cu杂质的沉淀行为

5.2.4 铸造多晶硅中Cu杂质复合活性

5.3 多晶硅中的位错

5.4 多晶硅中的Fe杂质

5.5 多晶硅中的Cu杂质沉淀规律

5.5.1 晶界对Cu杂质的吸杂

5.5.2 沾污温度对Cu沉淀行为的影响

5.5.3 缺陷密度对Cu沉淀行为的影响

5.6 多晶硅中Cu杂质的复合活性

5.7 小结

6.金属杂质对晶界电学性能的影响

6.1 引言

6.2 实验

6.2.1 电流/电容-电压特性曲线法研究Ni沾污对晶界复合特性的影响

6.2.2 Fe杂质对晶界复合活性的影响

6.2.3 电流/电容-电压特性曲线法研究Fe杂质对晶界复合特性的影响

6.2.4 电流/电容-电压特性曲线法研究氢对Fe沾污晶界的钝化行为

6.3 Ni沾污对晶界复合特性的影响

6.4 Fe杂质对晶界复合活性的影响

6.5 电流/电容-电压特性曲线法研究Fe杂质对晶界复合特性的影响

6.6 电流/电容-电压特性曲线法研究氢对Fe沾污晶界的钝化行为

6.7 小结

7.硅中金属杂质的磷吸杂

7.1 引言

7.2 实验

7.2.1 原生硅片常规热处理吸杂

7.2.2 Fe沾污硅片常规热处理吸杂

7.2.3 晶界上Au杂质的常规热处理吸杂

7.2.4 原生多晶样品的快速热处理吸杂

7.2.4 单晶硅中Cu沉淀的快速热处理吸杂

7.2.5 多晶硅中Cu沉淀的快速热处理吸杂

7.3 常规热处理吸杂

7.3.1 原生硅片的常规热处理吸杂

7.3.2 Fe沾污硅片的常规热处理吸杂

7.3.3 晶界上Au杂质的常规热处理吸杂

7.4 快速热处理吸杂对硅片电学性能的影响

7.5 单晶硅中Cu沉淀的快速热处理吸杂

7.5.1 不同类型Cu沉淀的快速热处理吸杂

7.5.2 热处理气氛对Cu杂质快速热处理吸杂的影响

7.6 Cu沾污多晶硅的快速热处理吸杂

7.7 小结

8.总结

参考文献

作者简介:

攻读博士期间完成的论文: