论文摘要
太阳能发电被认为是解决能源短缺最有效的途径之一,近10年来,其产业规模正以超过30%的速度增长。为了满足大规模的应用,传统晶体硅太阳电池面临着高转化效率,长使用寿命,低制造成本,尤其是薄片化带来的挑战。由于掺Ge能够增强硅片强度,抑制体内空洞型缺陷,促进直拉硅中氧沉淀以及内吸杂能力,特别是能够减少破片和翘曲,使得掺Ge直拉硅具有薄片太阳电池上有很好的应用前景。本文在本研究组发明的微量掺锗直拉硅单晶生长的基础上,系统地研究了掺Ge直拉硅基于光伏应用的原生材料特性,以及在电池工艺过程中的杂质缺陷行为,不仅具有较强的理论研究意义,而且对实际电池制备和材料应用具有重要的指导作用。其主要创新成果如下:系统研究了掺Ge直拉硅原生晶体的少子寿命及电学活性中心的分布规律。实验指出:掺Ge能够改变原生晶体中的电活性缺陷（包括热施主和Ge关复合体）的形成规律,并改变少子寿命沿晶体生长方向的分布。通过热施主的形成实验证实:低浓度和高浓度掺Ge都能抑制热施主的形成,随着Ge浓度升高抑制作用更加明显,高浓度掺Ge还能够改变热施主的电学特性,使热施主对应的红外吸收峰转变为吸收带;高温预处理能够改变热施主的形成速率,在低掺Ge直拉硅中,高温RTA分解原生氧沉淀后,热施主的形成能在短期内增强甚至超过普通直拉硅,在随后的热处理中增强效应迅速消失;另外,Ge关复合体对O2i的俘获对抑制热施主形成起主要作用。系统研究了掺Ge直拉硅原生晶体中BO复合体相关的光照寿命衰减现象。研究证实:掺Ge能够有效减少BO复合体的饱和密度,对硅片的少子寿命起到了稳定的作用。掺Ge不改变O2i的迁移能,但在略高于室温的条件下,BO复合体的稳定性和分解速率和Ge掺杂有关。研究认为:Ge关复合体对O2i的俘获,以及Ge对BO复合体结构的扰动,是减少光照衰减的主要原因。研究了Fe和Cu沾污的掺Ge直拉硅单晶的少子寿命特征。掺Ge能够抑制FeB的分解和形成过程。在掺Ge直拉硅中,低温下Cu沾污后硅片的寿命较普通直拉硅样品低,但在高温下Cu沾污后的少子寿命高于普通直拉硅样品,被认为与掺Ge引起的原生空位型缺陷行为等影响有关。系统研究了直拉单晶硅片的表面金字塔织构的结构转变和光学性质。研究发现:金字塔的长大是通过{111}表面原子的逐层剥离实现的,大的金字塔倾向于占据小金字塔的长大空间,因此会导致金字塔的分化和消失。根据几何光学计算,随机金字塔织构具有较低的反射率下限,800nm对应的反射率仅为0.083。实际金字塔的不规则表面和棱边,以及大量亚微米级的小金字塔都是造成反射率上升的原因。研究表明:硅片的微缺陷（BMD）能够影响金字塔织构的性能,高密度的BMD会促进金字塔的异质形核并抑制其均匀形核,导致金字塔分布稀疏和大小不均,密度达到107cm-3以上的BMD能够明显增加织构硅片的反射率,使织构性能下降。研究进一步发现:掺杂浓度(1016～5×1019cm-3)的Ge对直拉硅在碱溶液中的腐蚀速率没有影响,当掺Ge原生硅片中的BMD密度小于107cm-3时,掺Ge不改变原生直拉硅片的织构特性。通过对比普通太阳电池,研究了掺Ge对直拉硅太阳电池性能的影响。5×1019cm-3浓度的Ge掺入直拉硅后,能够增加在硅禁带边缘的红外吸收和转化效率,从而提高太阳电池的短路电流,在BSR电池中增幅可达2%。掺Ge对电池的开压和填充引起并没有明显的影响。与此同时,I02的减小和Rsh的增加得益于掺Ge对基体内二次缺陷的抑制,总体而言,掺Ge对太阳电池性能的影响不明显。