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1、河南科技大学毕业设计（论文）开题报告学院：材料学院 2010年03月12日课题名称铸造多晶硅不同区域性能的研究学生姓名金彪专业班级非金材061课题类型论文指导教师宁向梅黎晓丰职称讲师工程师课题来源科研生产一、 设计（或研究）的意义随着我国经济的发展，能源问题和环境问题显得越来越重要，直接关系到我国今后长时间的可持续发展。我国是以煤和石油为主的能源消耗大国，而我国的人均资源相对贫乏。另外一方面，在使用煤和石油等原材料作为能源时又会对环境带来严重的污染。因此，开发利用可再生的清洁能源便成为一种非常重要的途径。其中，太阳能是最重要的清洁的可再生能源。对于太阳能的开发利用，世界发达国家予以高度地重视，
2、如美国提出了“百万屋顶计划”，欧洲将对太阳能的利用列入了著名的“尤里卡”高科技计划中，日本先后提出了“旧阳光计划”、“新阳光计划”等。而利用太阳能发电则是开发太阳能最为重要的方法。在过去的几十年中，利用太阳能发电的光伏工业得到了很大的发展，其平均年增长率在30到40之间，而且据估计在今后二十年中其增长速度不会下降。而大规模利用太阳能发电的关键是制备高成品率低成本、高效率的太阳能电池。铸造多晶硅目前已经成功取代直拉单晶硅而成为最主要的太阳能电池材料，而且在今后5到10年中也被认为是最主要的太阳能电池材料。相对于直拉单晶硅太阳能电池，铸造多晶硅太阳能电池的转换效率较低(低2左右)。铸造多晶硅材料中
3、高密度的杂质和结晶学缺陷(如晶界，位错，微缺陷等)是影响其太阳能电池转换效率的重要因素。深入地研究材料中缺陷和杂质以及它们对于材料电学性能的影响，有利于生产出高成品率的铸造多晶硅锭，降低铸造多晶硅太阳能电池的制造成本，同时也是制备高效率铸造多晶硅太阳能电池的前提。对于促进我国光伏产业的壮大和增强我国光伏产业的国际竞争力有着非常重要的意义。二、国内外同类设计（或同类研究）成果的概况综述1、铸造多晶硅中的主要杂质虽然制造铸造多晶硅的原料比较纯，但是由于坩埚以及热场的玷污，所以通常铸造多晶硅中含有高浓度的氧、碳以及过渡族金属杂质。氧是铸造多晶硅中最主要的杂质元素，它主要来自石英坩埚的玷污以及铸造多晶
4、硅的原料中。在铸造多晶硅生长过程中，石英坩埚可以在高温下与熔体中的硅原料发生反应，生成一氧化硅。生成的一氧化硅一部分可以从熔体表面处挥发，一部分也可以在熔体中分解，从而在熔体中引入间隙氧原子。如果氧处于间隙位置，通常不显电活性，然而铸造多晶硅中氧浓度通常在310171.41018 cm-3之间。高浓度的间隙氧在晶体生长或者热处理时会形成氧沉淀以及诱生其它的晶体缺陷，还会吸引铁等金属元素，形成铁-氧沉淀复合体，具有很强的少子复合能力，能够显著降低材料的太阳能电池转换效率，以及形成硼-氧对，造成电池效率的衰减。碳作为铸造多晶硅中的另外一种杂质，主要来自石墨坩埚或石墨加热器。处于替代位置的碳同样不显
5、电学活性，但是当碳的浓度超过其溶解度很多时(81017 cm-3。)，就会有SiC沉淀生成，导致硅片线切割时断线，以及导致电池片导通。有关它们对材料电学性能的影响，需要进一步的研究。在硅材料中，过渡族金属由于有着非常大的扩散系数，除了从原材料带入这些杂质外，在晶体生长过程中以及在以后的电池制作工艺中也不可避免地会由坩埚等外面环境中引入。这些杂质中，铜和镍的扩散系数较大，即使淬火，它们也会形成沉淀而不溶解在硅晶格中。铁和铬的扩散系数相对较小，但是在慢速冷却热处理时，依然有大部分形成沉淀。这些元素在硅的禁带中形成深能级，从而成为复合中心，可显著降低材料少数载流子的寿命。2、铸造多晶硅中的缺陷多晶硅
6、中存在高密度的、种类繁多的缺陷，如晶界、位错、小角晶界、孪晶、亚晶界、空位、自间隙原子以及各种微缺陷等。特别是其中的位错和晶界两类最主要的缺陷通常被认为是限制铸造多晶硅材料太阳能电池转换效率的重要因素。（1）晶界通常认为，洁净的晶界不是电活性的，因此，洁净的晶界不是载流子的俘获中心，不影响多晶硅的电学性能。当金属或其他杂质偏聚在晶界上，晶界将具有电活性，会影响少数载流子的扩散长度，从而影响材料的光电转换效率。但也有人认为晶界本身存在着一系列的界面状态，有界面势垒，存在悬挂键，故晶界本身有电学活性，而当杂质偏聚或沉淀于此时，它的电学活性会进一步增强，而成为少数载流子的复合中心。但共同的看法都是杂
7、质都很容易在晶界处偏聚或沉淀。同时研究还表明，当晶界垂直于器件的表面时，晶界对材料的电学性能几乎没有影响。铸造多晶硅生产厂家都努力使晶柱的生长方向垂直于生长界面，晶锭切割后，晶界的方向能垂直于硅片表面。（2）位错位错使铸造多品硅中一种重要的结构缺陷。在晶体生长过程中，由于热应力的作用，会在晶粒中产生大量的位错；另外各种沉淀的生成，由于晶格尺寸的不匹配，也会导致位错的产生。根据生长的方式和过程不同，铸造多晶硅的位错密度大约在103108 cm-2。鉴于热应力的不同情况，这些位错会位于不同的滑移面上，或者纠结成位错团，或者组成小角晶界。位错或位错团可以大幅度地降低少数载流子的扩散长度，这不仅由于位
8、错本身的悬挂键具有很强的电活性，可以直接作为复合中心，而且由于金属杂质和氧碳等杂质在位错的偏聚，造成新的电活性中心，且电学性能不均匀。三、课题设计（或研究）的内容1、杂质、缺陷对多晶硅少子寿命的影响。2、杂质、缺陷形成硬质夹杂的研究。四、主要技术指标(或研究目标)1.了解铸造多晶硅的国内外发展现状；2.掌握制定实验方案的基本思路和实验操作基本技能；3.掌握微波光电导少子寿命测试议（-PCD)；红外探伤（IR Imaging）的原理及测试方法； 5. 进度计划第12周 文献调研、开题报告的撰写、实验方案设计第37周 进行工艺实验第813周 数据处理及结果分析第1415周 论文撰写，答辩指导教师意见指导教师签字： 年 月 日教研室意见教研室主任签字： 年 月 日
