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1、外 文 资 料 译 文太阳能电池用多晶硅杂质分布及生长率的研究摘要多晶硅定向凝固的凝固速度根据实际测量的炉中固夜界面位置来确定。硅以一个水平界面在竖直方向上由底部至顶部凝固。本次采用两个冷却速度不同的实验。硅的平均凝固速度为410-6m/s，这和利用测量坩埚底部温度进行计算得到的结果相一致。试验测量硅锭中碳和氧的分布以及垂直方向上的少子寿命。两个硅锭中碳的分布类似，中间部分浓度为4ppm。缓慢冷却的硅锭中氧浓度较高，这是差的涂层增加了坩埚中氧扩散的结果。快速冷却的硅锭少子寿命约为10微妙而缓慢冷却的仅为2微妙，可能是因为缓慢冷却中坩埚中的铁有较多扩散的原因。1.前言 目前世界上多晶硅是最常用的
2、太阳能电池材料。已超过50%。定向凝固是铸造多晶硅常用的方法，这种方法先溶化，然后从坩埚底部抽出热量来凝固，形成一个平的固夜界面，大部分杂质被分离在顶部，最终的晶体结构由大的柱状晶决定。通常情况下，太阳能电池的转化效率为12%至15%，转化效率主要被处在位错中的大量复合以及晶内缺陷限制。例如杂质、原子团聚、沉淀等。在洁净的位错中复合相对较弱，所以认为是由于金属杂质或沉淀增加了这些区域的复合。众所周知，凝固过程严重影响转化效率，冷却凝固会影响位错密度，凝固界面的曲率会影响晶体形态和杂质位置。多晶硅中除氮以外，碳和氧是主要的杂质，碳主要是在炉中加热和保温时引入的，氧主要是由坩埚中扩散进入熔体。本文
3、描述的是用实验确定中等规模布里奇曼炉中硅定向凝固的速度，以及确定冷却速度通过位错对少子寿命的影响。同时也通过测量坩埚底部的温度来计算出凝固速度，两组实验材料用于确定硅锭中碳和氧在竖直方向上的分布。2实验过程2.1凝固 试验在在挪威科技大学进行，利用中等型号的炉一次铸造出12千克的锭，该圆柱状的锭直径为25厘米，高为10厘米。掺硼的电子级的硅在涂有氮化硅的石英坩埚中熔化、凝固。涂层的作用是防止凝固过程中硅和坩埚粘贴，同时减少坩埚中的氧向熔体中扩散。硅熔体由底部开始凝固。通过炉两侧和顶部传感器来控制加热熔化和长晶过程。当坩埚底部的散热器缓慢打开时，传感器温度下降开始长晶。散热器由流过开关的水冷线路
4、构成，这个开关可以调节进入坩埚底部的冷却水的量，进而增加锭的散热量。在凝固过程中，用三根石英棒插入熔体的不同位置，隔20分钟测一次以确定固夜界面的位置，这样可以确定凝固速度和界面曲率。第一个实验是当凝固完成时立即断电，采用快速冷却，在1.8小时里温度由1713K降到1373k。第二个实验是当凝固完成时控制冷却速度为323K/h，直到1373K时断电。2.2描述 从每个锭中取一个样品作进一步分析。锭的中间部分（10cm10cm）用来加工成电池，因此，用于作进一步研究的样品位于中心外5cm处。图1显示了样品的取处首先切成2cm厚的样品，然后再消减成2mm厚。样品的高度和锭的高度相等，这样锭在竖直方
5、向上的性质可作为函数来研究，最底部的样品在切割中损失。傅里叶红外光谱仪（FTIR）用来测定溶解在硅锭中的碳和氧。FITR用来测定替代位的碳浓度和间隙位的氧浓度，分别从0.1ppm和0.2ppm到最大溶解量。2mm厚的样品两面抛光后进行这些测量。用标准的方法测量两硅锭竖直方向上碳氧的含量。QSSPC用来测量2cm厚样品的少子寿命。 图1用于进一步分析样品的俯视 表1硅、坩埚、石墨的热流方程3.结果3.1凝固 假设所有的热量通过坩埚底部转移，凝固界面的位置可以用一维传热模型来进行计算。热流通过固态硅、石英坩埚、坩埚下面的绝缘石墨，当假设所有界面在同一区域A时，热流可以表示成如表1的形式。图2 固体
6、高度和温度的符号联立方程（1）和（3）并且假设QSi,s =Qcr =Qg =Q,得到如下表达：假设在凝固过程中热传导系数不变，凝固过程中基座的温度Tp由热电偶测量，热量在固体硅中的传递可以表示为Hsi为硅的焓，si为硅的密度，Msi为硅的摩尔质量，v是生长速度。让方程（4）和方程（5）相等得到生长速度的表达式：方程（6）可以通过忽略第二阶段来简化，假设没有过热熔体，Tsh=0。石英坩埚的导热是不确定的，实际上方程（6）中的常数Kcr也包括涂层的导热，涂层的导热依据涂层的厚度和密度。因此很难量化Kcr以及在两种不同导热情况下计算凝固速度。当假设坩埚的热导率为1.2W/mk，计算的凝固长度和测量
7、值相一致。如图3所示。在两个实验的凝固过程中，界面曲率稍有凸出。在中心和靠近一半处高度差约为5mm。 图3硅的测量值和计算值与时间的关系 图4测量值和Scheil方程计算的碳在竖直方向的含量3.2碳和氧的含量 图4显示了碳含量，由于分凝的效果碳在竖直方向上逐渐增加，在凝固终点超出了溶解度的限制，结果产生碳化硅沉淀，因此两个锭的以后测量中和真实值产生误差，因为FTIR只能测量单质的碳。碳在两个锭中的分布非常类似。中间部分氧的浓度为4ppma，碳的含量也可以用Scheil方程来计算。分凝系数取0.058，开始的浓度设为1.7ppma，测量出的碳浓度和用方程计算出的碳浓度相一致。 从三种机制来介绍氧
8、。坩埚的扩散、凝固时的排杂、熔体表面的蒸发。两个锭的底部氧含量都很高，从底部至顶部逐渐增加，如图5所示。坩埚中的氧扩散进熔体使锭的底部氧含量较高。随着凝固的进行，熔体和坩埚的接触面积减小，这样扩散减少，同时，氧在固体硅中扩散较慢，氧会从熔体表面蒸发并且凝固过程中这种蒸发几乎为常数。因此，氧在硅锭的竖直方向上有降低的趋势。在缓慢冷却中，高的氧含量主要是由于差的涂层导致较多氧扩散进入硅中造成的。图5 硅锭竖直方向上的氧含量 3.3寿命的测量图6显示了表面复合后校正的少子寿命，缓慢冷却的锭的少子寿命比快速冷却时的小5倍。 图6 硅锭竖直方向上的少子寿命4.讨论用石英棒测量界面的位置，会增加熔体中的氧
9、浓度，这些试验也证实了涂层对氧含量的重要影响。直观上就能看出粘坩埚的地方氧的浓度较高，如图7所示。这也说明在试验中，熔体和坩埚有直接接触，结果使硅中氧含量增加。 样品的电阻率会影响FTIR的测量结果，用这些方法测量的电阻率为1cm。用FTIR测量的P型硅的电阻率为3cm，这些偏差一定程度影响了测量值，但是两个锭之间的分布和比率给出了重要信息。 快速冷却和缓慢冷却的样品在少子寿命上差别很大。快速冷却的样品少子寿命高，这和预期的相反，预期认为高的冷却速度会产生较多的应力，从而有较多的位错。比较图5和图6可以看出，尽管硅顶部的氧含量相似，但少子寿命不同。因此，不能断定在缓慢冷却中低少子寿命的原因是氧
10、含量高。实验用的坩埚含有月0.1%的氧化铁和铁，也会显著影响少子寿命。低少子寿命的一个原因可能是缓慢冷却时坩埚中有较多的铁扩散进入熔体。同时，涂层的质量较差，会有较多的铁扩散进入熔体也会降低少子寿命。研究两个锭中铁的含量可以确定这个原因。图7 涂层较差导致的硅粘坩埚在试验中用传统的冷却方式，凝固后设置冷却速度为473K/h，但是由于系统散热没哪么快，实际上的冷却速度比这个值要小。当温度到1373K时，退火1小时来降低硅锭中的位错密度。和一个更标准的冷却原则相比，快速冷却不会明显降低少子寿命，然而需要更多的试验来证明这个说法。5.结果用定向凝固的方法生产太阳能电池用的硅。测量凝固长度和时间的关系
11、，两个试验很类似，说明炉中的热场很稳定。平均凝固速度为410-6m/s，这和利用测量坩埚的底部温度进行计算得到的结果一致。凝固过程中曲率稍凸。 由于分凝的作用碳在竖直方向的含量逐渐增加，硅锭中部的碳浓度为4ppma，碳在两个锭中的分布类似。缓慢冷却有较高的氧浓度，这是差的涂层导致坩埚中的氧扩散增加的结果。坩埚底部的氧扩散使硅锭底部的氧含量较高，氧从熔体表面蒸发成主导作用。因此，竖直方向上氧的含量逐渐降低。快速冷却的样品的少子寿命为10s，缓慢冷却样品的少子寿命为2s，缓慢冷却样品的少子寿命低的原因可能是坩埚中有较多的铁扩散进入熔体中。和一个标准的冷却原则相比，快速冷却不会明显降低少子寿命，要想清晰的描述这个结论需要更多的实验。
