冶金法多晶硅中的缺陷及磷吸杂实验研究

论文摘要

当今,硅是光伏产品最重要的材料。其中多晶硅是一种用于生产具有较高品质和低生产成本的太阳电池材料。冶金法作为一种生产太阳能级硅的新方法,截至目前取得了很大的成绩与进展,相比于传统的西门子法和铸造法,这种方法具有低成本,对原料的纯度要求不苛刻,可直接从金属硅提纯至太阳能级硅的优点。然而,由这种方法生产的多晶硅,其中的杂质和晶体缺陷及不利的生长取向降低了太阳电池的效率。因此,对于研究如何控制多晶硅中的杂质浓度、结构缺陷(位错和晶界)以及生长取向显得尤为重要。本文利用Zeiss Axioimager A1型金相显微镜,D/max 3B型XRD,配备TSL型电子背散射衍射(EBSD)附件的扫描电镜(Philips XL30),二次离子质谱仪(SIMS)和辉光放电质谱仪(GDMS)研究了定向凝固过程中,不同凝固速率对小试多晶硅中位错密度变化,晶体生长面取向,晶界类型,晶粒尺寸,纵截面宏观晶体生长形貌,碳、氧含量及部分金属杂质浓度的影响。同时还进行了不同吸杂温度,2h下的常规磷吸杂实验研究。取得以下进展：随坩埚凝固速率的提高,晶体硅中的位错密度也随之增加。其中,10μm/s时铸锭的位错密度最低；而20μm/s时铸锭中部的一些重要的过渡族金属杂质浓度最低：凝固速率为10μm/s时,得到的铸锭顶部位错密度大于20μm/s时的顶部位错密度。晶体择优生长面取向从(111)转变为(331)再转变为(111)。30μm/s时铸锭中的CSL晶界所占比例最大,20μm/s时铸锭中的CSL晶界所占比例最小；∑3晶界所占比例大小随凝固速率的增加亦增加。20μm/s时铸锭中部的晶粒尺寸最大,平均晶粒尺寸为547.5μm,40μm/s时铸锭中部的晶粒尺寸最小,平均晶粒尺寸为345μm。通过对各铸锭的纵截面进行腐蚀观察发现20μm/s时,晶体生长取向平行于坩埚轴向,晶体质量较好。此外,通过对感应熔炼的样品进行磷吸杂研究,发现对杂质铁的吸除最有效;随吸杂温度的升高,样品的电阻率和少子寿命随之增加；不同吸杂温度会引起样品中晶界的变化,共同的特点是普通大角度晶界(R)数量都趋于减少,重位晶界(CSL)数量增加,800℃时,CSL晶界所占比例最大；通过金相分析发现吸杂后的样品表面位错密度均明显减少,其中在800℃和900℃时,晶体表面出现很多孪晶,表明晶体内部热应力得到了极大释放,改善了晶体质量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光伏产业用多晶硅材料发展现状
• 1.2.1 光伏产业的发展对多晶硅的需求
• 1.2.2 我国及其它国家主要多晶硅生产厂的生产规模及状况
• 1.2.2.1 西门子法生产厂的生产规模及状况
• 1.2.2.2 冶金法生产厂的生产规模及状况
• 1.3 多晶硅材料的特点
• 1.3.1 冶金法多晶硅中的主要杂质
• 1.3.2 冶金法多晶硅中的缺陷
• 1.3.3 硅片的电阻率、少子寿命及其影响因素
• 1.3.3.1 电阻率和少子寿命的表征
• 1.3.3.2 影响硅片电阻率及少子寿命的主要因素及改进工艺
• 1.4 多晶硅材料的生长工艺
• 1.4.1 西门子法多晶硅
• 1.4.2 铸造多晶硅
• 1.4.3 冶金法多晶硅
• 1.5 本论文研究的内容,方法及意义
• 1.6 本论文的创新点
• 第二章 实验设备与方案
• 2.1 实验材料及设备
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验设备
• 2.2 GDMS在多晶硅材料中的应用
• 2.3 SIMS在多晶硅材料中的应用
• 2.4 EBSD在多晶硅材料中晶界类型分析中的应用
• 2.5 双电测四探针测试仪设备介绍
• 2.6 少子寿命测试仪设备介绍
• 2.7 实验方案
• 2.7.1 凝固速率对UMG-Si中缺陷影响的实验方案
• 2.7.2 磷吸杂对硅片性能影响的实验方案
• 第三章 冶金法多晶硅铸锭中的缺陷及杂质分布研究
• 3.1 晶体缺陷对太阳电池性能的影响
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 金属杂质及碳、氧含量对晶体硅太阳电池质量的影响
• 3.2.1.1 金属杂质对晶体硅太阳电池质量的影响
• 3.2.1.2 碳和氧对晶硅太阳电池质量的影响
• 3.2.2 凝固速率对位错产生行为的影响
• 3.2.3 凝固速率对晶体生长取向及形态的影响
• 3.2.3.1 凝固速率对晶体生长取向的影响
• 3.2.3.2 凝固速率对宏观晶体生长形态的影响
• 3.2.4 凝固速率对晶界类型的影响
• 3.2.5 凝固速率对晶粒尺寸的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 冶金法多晶硅磷吸杂的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 磷吸杂工艺与实验研究
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 吸杂对缺陷的影响（杂质、金相、晶界）
• 4.3.1.1 金属杂质分析
• 4.3.1.2 金相分析
• 4.3.1.3 晶界分析
• 4.3.2 电阻率和少子寿命分析
• 4.3.2.1 冶金法多晶硅测试技术指标要求
• 4.3.2.2 吸杂对电阻率的影响
• 4.3.2.3 吸杂对少子寿命的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望与建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士期间参与的主要工作