铸造多晶硅中杂质对少子寿命的影响
铸造多晶硅中原生杂质及缺陷的研究
浙江大学硕士学位论文
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ
Ｃ ｒｎｙ ａ ｕｉ ｓｌ ｓｉ ｎ ｒ ｌ ｄ ｏｒ ｔｌ ｓｉ ｎ ｈ ｃｓｍ ｌ ｒ ｔｌｅ ｏ ｈｓ ａｅ ｍ ｎｃ ｓｌ ｅ ｏ ａｔ ｕ ｔ， ｅ ｒ ｌ ｔ ｔｙ ａｉ ｉ ｃ ｎ ｌ ｃ ａ ｅ ｃ ｏ ｙ ａｉ ｉ ｐ ｎ ｌ ｓ ｃ ｅ ｍ ｉｐｏ ｖｌｉｍ ｔｉｓＨｇ ｄｎｉ ｏ ｉｐｒｉ ， ａ ｙｅ， ｏ ａｄ ａ ｈｔ ｏａ ａｒｌ ｉ ｅｓｙ ｍ ｕ ｔｓｓ ｈ ｏ ｇｎｃ ｂｎ ｎ ｏ ｔｃ ｅａ ． ｈ ｔ ｆ ｉｅ ｕ ｓ ｘ ｃ ａ ｒ ｎ
浙江大学硕士学位论文
起 较大的 应力从而 致了 位错的 热 导 大量 产生 （Ｘ ｍ 位错密度大 ７ ｃｚ １ ０ ） ６ 。 体上呈 现
从硅锭底部向硅锭顶部逐渐增加的趋势。 ＩＭ 观察到了硅中体缺陷的形态以 Ｓ Ｒ 及
尺寸大小和密度分布情况。硅锭底部，中部以及顶部处体缺陷平均密度分别为
２ ｘ０ Ｍ ， ｘ０ ｍ 和１ ｘ０ ｍ ． １８ ３ ８ １６ ３ ． １８ ３ ８ Ｃ ． ｃ ５ ６ ｃ 左右。
ｇｏ ｔ ｄ ｅｔ ｎ Ｇ ｏ ａｒ ｍ ｎ ｂｔｅｎ ｓ ｕ ｔ ｎ ｅｐｒ ｅｔ ｄｔｏ ｒｗｈ ｃｏ ． ｄ ｅ ｅｔ ｅ ｔ ｉ ｌｉ ａｄ ｅｍ ｎ ｌ ｎ ｉ ｉ ｏ ｇｅ ｒ ｅ ｗ ｈ ｍ ａｏ ｎ ｘ ｉ ａ ａ ｅ ａ ｏｙｅ ｄｓｉ ｔｎ ｅ ｅ ａｌｈｄ Ｔ ｅ ｙｅ ｐｏｉ ｗ ｕ ｂ ａ ｅｔ ｘｇｎ ｔｂ ｉ ｈ ｂ ｎ ｂｉ ｅ． ｏ ｇｎ ｆｅ ｌ ｅ ｃ ｄ ｉｒ ｕｏ ａ ｅ ｓ ｓ ｓ ｔ ｈ ｘ ｒ ｌ ｏ ｄ ｆ ｅ
征， 研究表明铁在底部以 及顶部浓度的增加分别与柑祸向硅锭底部进行固相扩散
第七章 铸造多晶硅中的杂质和缺陷
过饱和的间隙氧容易在后续的热处理 工艺中形成复合体与沉淀等。 原生铸造多晶硅中很容易生成氧施主 与氧沉淀，而硅锭底部氧浓度最高， 热处理时间最长，氧施主与氧沉淀的 问题应该是硅锭各部分中最严重的。
铸造多晶硅中原生氧沉淀 的透射电镜照片
第7章 铸造多晶硅中的杂 质和缺陷
铸造多晶硅中的晶界
晶界出现大量的悬桂键，形成界面态，严重影响太阳电 池的光电转换效率。
无金属污染的铸造多晶硅晶界的SEM图像 （a）和EBIC图像（b）
铸造多晶硅中的位错
根据晶体生长方式和过程的不同，铸造多晶硅中的位错 密度约在103～109cm-2左右。
含有高密度位错的铸造多晶硅的光学显微镜照片
a.
p-n结中的金属杂质降低结的反向击穿电压；
b.
金属杂质形成深能级带隙极大地增加p-n结的漏导损耗，
甚至直接导致p-n结变窄；
c.
金属杂质降低氧化诱导生成层错和位错的形成势垒
铸造多晶硅中的金属杂质
金属Cu、Fe、Co在铸造多晶 硅中，自晶体上部（0）到 晶体底部（1）的浓度分布
（直线是根据分凝系数计算的浓 度分布，B的优先分凝系数采用 0.65，Fe的有效分凝系数采用 0.05）
促进其随后氧沉淀生成量。
铸造多晶硅中氧沉淀规律
结果讨论：
铸造多晶硅区别于直拉单晶硅在于，铸造多晶硅中存在较
高密度的位错和晶界等缺陷。而位错和晶界一般可以吸收硅中
过饱和的自间隙硅原子，这降低了铸造多晶硅中氧沉淀的临界 形核半径。另外一方面，由于位错或晶界一般不会影响间隙氧 在硅中的扩散速度，所以，铸造多晶硅中的位错和晶界主要是 通过降低氧沉淀的临界形核半径而促进氧沉淀的生成 。至于原 始氧浓度对氧沉淀的影响，则主要是由于高的原始氧浓度导致 小的氧沉淀临界形核半径，所以高氧样品中氧沉淀生成量较大。
多晶硅与少子寿命分布
多晶硅与少子寿命分布（河南科技大学材料科学与工程系，洛阳 471000）摘要：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。
铸造多晶硅材料中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。
本文利用傅立叶红外分光光谱仪(FTIR) ，微波光电导衰减仪，红外扫描仪(SIRM)，以及光学显微镜(OpticalMicroscopy)等测试手段，对铸造多晶硅中的原生杂质及缺陷以及少子寿命的分布特征进行了系统的研究。
主要包括以下三个方面:间隙氧在铸造多晶硅锭中的分布规律;铸造多晶硅中杂质浓度的分布与材料少子寿命的关系;铸造多晶硅中缺陷的研究及其对少子寿命的影响。
关键词：铸造多晶硅；间隙氧；铁；位错；少子寿命1.引言1.1多晶硅的生产简介：硅，1823年发现，为世界上第二最丰富的元素——占地壳四分之一，砂石中含有大量的SiO2，也是玻璃和水泥的主要原料，纯硅则用在电子元件上，譬如启动人造卫星一切仪器的太阳能电池，便用得上它。
由于它的一些良好性能和丰富的资源，自一九五三年作为整流二极管元件问世以来，随着硅纯度的不断提高，目前已发展成为电子工业及太阳能产业中应用最广泛的材料。
多晶硅的最终用途主要是用于生产集成电路、分立器件和太阳能电池片的原料。
硅的物理性质：硅有晶态和无定形两种同素异形体，晶态硅又分为单晶硅和多晶硅，它们均具有金刚石晶格，晶体硬而脆，具有金属光泽，能导电，但导电率不及金属，具有半导体性质，晶态硅的熔点1416±4℃，沸点3145℃，密度2.33 g/cm3，莫氏硬度为7。
单晶硅和多晶硅的区别是，当熔融的单质硅凝固时，硅原子以金刚石晶格排列为单一晶核，晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅，如果当这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅，多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。
一般的半导体器件要求硅的纯度六个9以上，大规模集成电路的要求更高，硅的纯度必须达到九个9。
太阳电池用铸造多晶硅结构缺陷和杂质的
缺陷和杂质2023-11-09•铸造多晶硅太阳电池概述•铸造多晶硅的结构缺陷•铸造多晶硅中的杂质目录•铸造多晶硅结构缺陷和杂质的表征与检测方法•铸造多晶硅结构缺陷和杂质的控制与优化•展望与未来发展趋势01铸造多晶硅太阳电池概述铸造多晶硅太阳电池的制造工艺已经非常成熟，可以实现大规模生产。
制造工艺成熟转换效率较高制造成本较低铸造多晶硅太阳电池的转换效率较高，可以满足大部分应用需求。
铸造多晶硅太阳电池的制造成本较低，具有较好的经济性。
030201吸光层由多晶硅材料构成，能够吸收太阳光并将其转化为电能。
吸光层导电层由掺杂的多晶硅材料构成，能够将吸光层产生的电流导出并传输到外部电路中。
导电层背反射器用于将太阳光反射回吸光层，以增加光吸收效果。
背反射器导电层制备将掺杂的多晶硅材料通过热处理和加工等工艺制成导电层。
铸造多晶硅太阳电池的制造过程原材料准备制造铸造多晶硅太阳电池需要准备多晶硅材料、掺杂剂、反射器等原材料。
吸光层制备将多晶硅材料通过热处理和掺杂等工艺制成吸光层。
背反射器制备将反射器材料通过加工等工艺制成背反射器。
组装将吸光层、导电层和背反射器组装在一起，形成完整的铸造多晶硅太阳电池。
02铸造多晶硅的结构缺陷在铸造多晶硅中，晶界是常见的结构缺陷。
晶界是指不同晶粒之间的交界，通常会对材料的性能产生负面影响。
在太阳电池中，晶界会降低载流子的迁移率，导致光电转换效率下降。
晶界位错是指晶体结构中的原子排列错位。
在铸造多晶硅中，位错会破坏晶体结构的周期性，导致能带结构发生变化。
位错还会影响载流子的散射和复合，进一步降低太阳电池的性能。
位错铸造多晶硅中的晶界与位错杂质陷阱在铸造多晶硅中，杂质原子通常会聚集在晶界或位错等缺陷处。
这些杂质原子会捕获电子或空穴，形成杂质能级，从而影响载流子的迁移和复合过程。
杂质陷阱对太阳电池的光电转换效率产生负面影响。
热处理与杂质陷阱通过热处理可以部分消除杂质陷阱的影响。
在高温下，杂质原子有机会从缺陷处扩散出去，从而减少杂质陷阱的数量。
少子寿命测试原理
EC
ED
EC
EV
EV
EA
• P型掺杂(III族)：B、Al、Ga、In • N型掺杂(V族)：P、As、Sb • 均为浅能级杂质
• 常温下，非重掺，P型硅的空穴浓度等于 P型掺杂剂浓度；N型硅的电子浓度等于 N型掺杂剂浓度。
• P型硅的载流子绝大部分为空穴。空穴为多 数载流子(majority carrier)，简称多子；电 子为少数载流子(minority carrier)，简称少 子。
• N型硅的载流子绝大部分为电子。电子为多 子，空穴为少子。
3. 非平衡载流子
• 平衡状态下，电子空穴对的产生和复合 率相等。电子和空穴浓度n、p不变。
EC
产生 复合
EV
• 受外界因素(光照、载流子注入等)影响比 平衡状态下多出来的载流子。
EC
hν
非平衡载流子浓 度为Δn、Δp。
Δn = Δp
EV
位错
• 在多晶硅铸造过程中，由于热应力的作 用会导致位错的产生。另外，各种沉淀 的生成，及由于晶格尺寸的不匹配也会 导致位错的产生。这些位错本身就具有 悬挂键，存在电学活性，降低少数载流 子的寿命而且金属在此极易偏聚，对少 数载流子的降低就更加严重。
• SRH(Shockley-Read-Hall)模型
τn0和τp0分别是电子和空穴的俘获时间常 数。n1和p1分别为费米能级处于复合中心 能级Et时电子和空穴的浓度。
1. 复合中心能级Et越深少子寿命越小，所 以深能级杂质对少子寿命影响极大，即 使少量深能级杂质也能大大降低少子寿 命。过渡金属杂质往往是深能级杂质， 如Fe、Cr、Mo等杂质。
• 2. 电阻率的影响 • 随着电阻率的增大，少子寿命也不断增 大。
多晶硅与少子寿命分布
• 多晶硅照片
• 装料
硅锭
840X840X305
• 硅锭开方
多晶硅片
单晶硅片Leabharlann 硅片二．多晶硅生产简介
硅的卤化物的简介 三氯氢硅氢还原的原理 多晶硅生产工艺简介
1.
2.
3.
1. 硅的卤化物的简介
硅的氯化物主要介绍SiCl4、SiHCl3等，它们和 碳的卤化物CF4和CCl4相似，都是四面体的非极 性分子，共价化合物，溶沸点都比较低，挥发性 也比较大，易于用蒸馏的方法提纯它们。 在常温下，纯净的SiCl4、SiHCl3是无色透明的 易挥发液体。 SiCl4:沸点为57.6℃，分子量170，液体密度1.47 g/cm3。 SiHCl3 :沸点为31.8℃，分子量135.45，液体密 度1.32 g/cm3。
铸造多晶硅中位错的测定
铸造多晶硅中的沉淀和位错等缺陷都能在 硅晶格中引入局部应力，影响材料的性能， 可以利用SIRM（红外扫描仪）探测硅片体 内的局部应力分布n 。通常，在SIRM图片 中，应力斑点密度对应于缺陷密度，而斑 点尺寸对应于沉淀尺寸。
SIRM（红外扫描仪）
当波长在1.1~1.3µm的红外激光典型波段经一 个孔径大约为的透镜后聚集成一束细小的激 光探针, 照射到硅片上, 由于硅对于此波段的 激光是完全透明的, 激光就会穿透硅片被一个 放置在合适位置上的探头所接受到, 激光信号 再经收集, 放大, 储存到计算机里, 最终经相应 的图象软件在计算机里成像。如果硅片中存 在着缺陷或杂质, 这些缺陷或杂质会在硅片引 入一定大小的局部应力, 从而导致硅片局部的 不均匀, 使得激光经过该位置时产生散射, 从 而导致探头所接受到的信号减弱, 在所生成图 象的对应位置形成暗像。
18-磷吸杂对冶金多晶硅片的少子寿命的影响
18-磷吸杂对冶金多晶硅片的少子寿命的影响第 12 届中国光伏大会暨国际光伏展览会论文（晶体硅材料及电池）磷吸杂对磷吸杂对冶金多晶硅片冶金多晶硅片的少子寿命的影响少子寿命的影响徐志虎 1,3 谢俊叶 2 马承宏 2 李健 1,3(1.内蒙古大学物理科学与技术学院；2.内蒙古日月太阳能科技责任有限公司3.内蒙古自治区半导体光伏技术重点实验室呼和浩特010021)摘要：摘要本研究采用液态三氯氧磷源扩散方法对物理冶金法提纯多晶片（6N）进行恒温磷吸杂.研究温度、时间和通磷源量等参数对吸杂效果的影响，摸索可用于生产最有效的工艺条件.用少子寿命测试仪和四探针测试仪测试硅裸片的少子寿命和电阻率. 实验给出:通源量较低时，950℃吸杂30min 的效果相对好；其他工艺参数不变时随通源量增大，硅片表面有效吸杂点增加，吸杂效果逐渐明显，少子寿命可提高近4 倍；当通源量增到一定时，吸杂效果开始下降.关键词：关键词冶金法提纯，多晶硅片，磷吸杂，少子寿命，电阻率 1 引言常规多晶硅太阳电池材料普遍采用改良西门子法提纯，此法技术成熟，提纯的硅材料可达7N，但此法存在产能低、成本高、环境威胁大等缺点.冶金物理法提纯多晶硅技术虽然有工艺简单、成本低、产能大和对环境友好的优势，但其提纯的硅材料的纯度在 5-6N 明显低于西门子法技术，材料中的金属杂质含量较高及存在更多的缺陷,这些微缺陷和金属杂质在硅禁带中引入了一些深能级,成为光生少数载流子的复合中心,从而降低了少数载流子的寿命,直接影响太阳电池的光电转换效率.为改善硅片性能，通过一定的后续处理，使硅片的少子寿命提高到与化学法提纯硅片的量级，就可满足生产电池的要求，提高太阳电池的效率改善电池的性能. 半导体技术中一般吸杂分为内吸杂和外吸杂,内吸杂通常用于 IC 领域，即利用适当的热处理工艺,通过控制硅片的氧浓度及氧沉淀在硅片内形成有效的吸杂点,而达到去除金属杂质的目的.外吸杂是利用各种工艺在硅片背面制造有效的吸杂点,在其后的器件热循环工艺或结合内吸杂热处理工艺中,使金属杂质沉积,而达到去除金属杂质的目的[1].多晶硅太阳电池作为体器件,其吸杂必须采用外吸杂.常用的光伏用材料吸杂方法有磷吸杂、铝吸杂、背损伤吸杂和磷铝共吸杂等.吸杂过程可以采用恒温或变温的形式.目前,关于冶金物理法多晶硅片的吸杂[2,3] 研究很少还不够系统需要做深入的研究.本工作主要采用液态源磷吸杂的方法，对物理提纯多晶硅片进行吸杂研究..2 实验实验采用包头山晟新能源公司和中科院半导体所联合研制的物理冶金多晶硅片（6N ） . 规格：面积156×156cm2 ，厚180±20μm，电阻率 1-3Ω·cm，氧浓度5× 1017atom/cm3 ，主要金属含量 Ti<0.005ppmw 、 Fe<0.05ppmw 、 Co<0.005ppmw、Al<0.01ppmw. 原始多晶硅裸片去损伤后少子寿命约 0.9-1.0μs,磷源是液态三氯氧磷，设备采用中电集团第48 所生产的M5111-4W*/UM 型扩散炉. 选择 100 片同一多晶硅块连续切割的硅片（晶体结构分布相同晶粒分布相似）进行实验，实验步骤见图 1.图 1.吸杂实验流程示意图3. 不同温度、时间少子寿命增加率图 1 中去损伤和去除 PN 结均采用的 HF：HNO3：H2O=1：3：2 的酸溶液.因测试采用电池生产线的少子寿命测试仪，所以腐蚀后（无表面表面钝化）快速直接测试多晶硅裸片的少子寿命、方块电阻和电阻率.考虑到生产的实用性，尽可能减少高温带来新的缺陷等负面影响，实验中在磷吸杂扩散温度和处理时间，在保证形成足够的吸杂点和杂质能够运动到表面吸杂点处的前提下应尽量缩短时间降低和降低温度 .为做比较，实验选择四个温度段：880 ℃ 、900℃ 、950℃和970℃ ，时间选择五种条件 20min、30min、45min、1h、3h. 采用匈牙利生产的WT-1200 少子寿命仪测量硅片的少子寿命；用广州生产的 RTS-4 四探针电阻率测试仪测试硅片的方块电阻和电阻率.3结果与讨论3.1 吸杂工艺条件吸杂工艺条件对工艺条件对硅片少子寿命的影响图 2 是不同温度、时间下冶金硅片吸杂后少子寿命变化情况 .图 2 给出，当温度为880℃时（曲线 b），去除 PN 结后裸硅片的少子寿命随吸杂时间的增加而增大，说明增加吸杂时间能够促进磷扩散在硅片上吸杂点的形成，使得硅片吸杂效果明显.当时间吸杂过长（1h）少子寿命有所降低最终趋于平稳；当温度增加到900 ℃时（曲线 a），硅片的少子寿命相比880℃ 有整体的提高，900℃、3h 组合使得少子寿命达到 2us，说明温度的升高有助于杂质的扩散和硅片表面吸杂点的形成，利于杂质的吸除，但是由于温度较低，故需要较长的时间达到最佳吸杂的效果；当温度为920℃时（曲线d），由于温度的升高使硅片中缺陷和位错增多体内产生更多的复合中心，使吸杂的效果被其掩盖，因此920℃时整体的少子寿命较低与900℃；温度增到950℃（曲线c），温度的升高大大促进吸杂的效果，而此时高温形成的缺陷和位错对少子寿命的影响占次要，所以吸杂后的少子寿命有很大的提高，温度950℃时间吸杂 30min 少子寿命也达到2us；但当温度升高到970℃时（曲线 e）吸杂效果不明显，此时高温产生的大量复合中心抵消掉了吸杂的效果. 图 2 给出900℃吸杂 3h 和950℃吸杂 30min 后，裸硅片的，去除 PN 结后测试裸硅片的少子寿命都达到2us. 但是去损伤后原始裸硅片的少子寿命不同，所以图3 给出少子寿命的增加率.由图 3 可以看出950℃、 30min 组合少子寿命增加了 81.1%，吸杂效果达到最佳.图 2. 不同温度、时间吸杂硅裸片少子寿命变化曲线图图 4. 少子寿命随磷源流量的变化曲线图 4 是少子寿命随磷源流量的变化曲线. 图中给出少子寿命随磷源的增加而增加，表明磷源通入的增多能够促进吸杂点的形成使得吸杂效果明显，但当磷源增加到一定程度时，少子寿命会降低.3.2 吸杂对硅片的电阻率的影响表面的复合.而吸杂之后（曲线a）少子寿命比去损伤后有很大的提升. 图 6 给出去损伤（曲线 b）和吸杂后（曲线 a）的裸硅片电阻率比原始裸片（曲线 c）有所增大，由于去损伤和吸杂工艺有助于降低硅片表面和体内的杂质含量引起的.扩散后去结前（曲线d）的电阻率急剧下降，是因为浓磷扩散后硅片表面形成一层厚厚的磷硅玻璃，其中含有大量的磷原子和从体内吸杂到该区域的杂质，使得电阻率变得很小.4 结论本项研究对物理法提纯多晶裸片进行磷吸杂.实验显示吸杂温度升高有利于杂质的扩散和硅片表面有效吸杂点的形成利于杂质的吸除，温度超过950℃由于硅片体内产生大量的缺陷和位错导致吸杂失效，硅片的少子寿命降低.温度较低时（900℃）需配合较长吸杂时间（3h）能达到较好的吸杂效果，而950℃对应短时吸杂时间（30min）吸杂效果较明显；磷源通入的增多能够促进吸杂点的形成使得吸杂效果明显，但当磷源增加到一定程度时，少子寿命会降低.图5. 950℃、30min 吸杂前后少子寿命变化曲线图6. 950℃、30min 吸杂电阻率变化曲线图 5、图 6 分别给出950℃、30min 吸杂后，多晶裸硅片少子寿命及电阻率在每步后的变化.图 5 给出硅片去损伤层后（曲线 b）少子寿命增加，是由于减少了光生载流子在5 参考文献：参考文献：[1] 杨德仁. 硅材料的吸杂研究[J]. 1992.半导体技术. 8.53-56 [2] 武智平,潘淼,庞爱锁等. 物理冶金法多晶硅片磷吸杂工艺的优化[J]. 2011.半导体光电. 32. 668-671 [3] 徐华毕. 物理提纯硅磷吸杂及其太阳电池光衰减性能的研究（博士学位论文）.中山大学.2010。
多晶硅与少子寿命分布
多晶硅与少子寿命分布（河南科技大学材料科学与工程系，洛阳 471000）摘要：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。
铸造多晶硅材料中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。
本文利用傅立叶红外分光光谱仪(FTIR) ，微波光电导衰减仪，红外扫描仪(SIRM)，以及光学显微镜(OpticalMicroscopy)等测试手段，对铸造多晶硅中的原生杂质及缺陷以及少子寿命的分布特征进行了系统的研究。
主要包括以下三个方面:间隙氧在铸造多晶硅锭中的分布规律;铸造多晶硅中杂质浓度的分布与材料少子寿命的关系;铸造多晶硅中缺陷的研究及其对少子寿命的影响。
关键词：铸造多晶硅；间隙氧；铁；位错；少子寿命1.引言1.1多晶硅的生产简介：硅，1823年发现，为世界上第二最丰富的元素——占地壳四分之一，砂石中含有大量的SiO2，也是玻璃和水泥的主要原料，纯硅则用在电子元件上，譬如启动人造卫星一切仪器的太阳能电池，便用得上它。
由于它的一些良好性能和丰富的资源，自一九五三年作为整流二极管元件问世以来，随着硅纯度的不断提高，目前已发展成为电子工业及太阳能产业中应用最广泛的材料。
多晶硅的最终用途主要是用于生产集成电路、分立器件和太阳能电池片的原料。
硅的物理性质：硅有晶态和无定形两种同素异形体，晶态硅又分为单晶硅和多晶硅，它们均具有金刚石晶格，晶体硬而脆，具有金属光泽，能导电，但导电率不及金属，具有半导体性质，晶态硅的熔点1416±4℃，沸点3145℃，密度2.33 g/cm3，莫氏硬度为7。
单晶硅和多晶硅的区别是，当熔融的单质硅凝固时，硅原子以金刚石晶格排列为单一晶核，晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅，如果当这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅，多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。
一般的半导体器件要求硅的纯度六个9以上，大规模集成电路的要求更高，硅的纯度必须达到九个9。
铸造多晶硅中的金属杂质及其对硅片性能的影响aaa解析
铸造多晶硅中的金属杂质及其对硅片性能的影响摘要：关键词：多晶硅铸造多晶硅金属杂质正文：金属杂质特别是过渡金属杂质，在原生铸锭中的浓度般都低于1×10”cm 3，但是它们无论是以单个原子形式，或者以沉淀形式出现，都对太阳能电池的转换效率有重要的影响。
近期由于硅料中所含金属杂质超标，导致多个晶锭出现电阻率严重异常而整锭报废，另外还出现较多晶棒切片后的硅片电阻率出现较大波动，对公司的经济效益带来严重的影响。
下面对铸造多晶硅中金属杂质的性质及其对硅片性能的影响进行详细的分析，为多晶硅片的生产及异常硅片的处理提供一定的参考。
1.铸造多晶硅中金属杂质的来源铸造多晶硅中的金属杂质主要有Fe，Al，Ga，Cu，Co，Ni等，铸造多晶硅中金属杂质的来源主要有以下几个方面：A．原生硅料中含有一定量的金属杂质，这也是金属杂质的一个主要来源。
目前由于硅料异常紧缺，导致一些含杂质较多的硅料在市场上流通，造成铸出的晶锭出现问题的事故时有发生。
B．在硅料的清洗，铸锭及切片的整个过程中由于使用各种金属器件接触，导致金属杂质的引入。
这也是铸造多晶硅中金属杂质含量偏高的一个主要原因。
整个工艺流程中引入金属杂质的途径有很多，例如硅料清洗过程中清洗液的残留，晶锭转运过程中使用的不锈钢转运车，多晶硅棒破碎过程中所使用的铁锤等。
2.过渡族金属在硅片中的扩散和溶解硅中金属杂质的引入可以在晶体生长过程中，或者在硅片的抛光、化学处理、离子注入、氧化或其他处理过程中首先在表面附着，随后后续的高温热处理过程中扩散进入硅基体。
A．金属杂质在硅锭中的分布在高温（>800℃）下，过渡族金属一般都有很快的扩散速度而溶解度则相对较小。
Cu、Ni为快速扩散杂质，在高温下，Cu、Ni的扩散速率甚至可以接近于液相时的扩散速率，达到10-4cm2/s。
而其他的金属杂质，如Fe、Cr等为慢扩散杂质，一般比Cu、Ni的扩散速率慢一到两个数量级，但在高温下仍可以达到几十到几百微米每秒。
太阳电池用铸造多晶硅结构缺陷和杂质的研究
太阳电池用铸造多晶硅结构缺陷和杂质的研究作者：周秉林来源：《城市建设理论研究》2013年第14期摘要：铸造多晶硅作为太阳能电池中的主要光伏材料，受到人们的广泛重视。
但多晶硅晶体在生长的过程中不可避免的存在各种缺陷，加之多晶硅中存在氧、碳等杂质，制约了多晶硅电池的效率。
因此，研究不同铸锭区域多晶硅材料的性能及其影响因素，是太阳电池与硅材料研究的一个重要课题。
关键词：太阳电池铸造多晶硅结构缺陷杂质中图分类号：TM911.1 文献标识码：A 文章编号：1引言在替代能源中，应用最广泛的是直接从太阳能得到电的太阳电池，而铸造多晶硅作为最主要的光伏材料也引起人们的关注。
但在铸造多晶硅晶体的生长过程中，不可避免的会有坩埚的玷污、硅料中已有的各种杂质污染以及热应力导致的各种缺陷。
铸造多晶硅中常见的杂质主要是氧、碳及一些过渡金属，如铁、铬、镍、铜等。
含有的晶体缺陷主要有晶界和位错两种。
这些杂质和缺陷会在禁带中引入缺陷能级，具有很强的复合活性。
这就制约了多晶硅电池的效率，使得多晶硅电池与单晶硅电池相比，效率较低。
因此，研究不同铸锭区域多晶硅材料的性能及其影响因素，是太阳电池与硅材料研究的一个重要课题。
特别是关于铸锭边缘低少子寿命区域的研究，对促进铸造多晶硅晶体生长，提高铸造多晶硅材料有效利用率有着非常重要的作用。
2 铸造多晶硅中的杂质及影响因素铸造多晶硅是通过对硅原料进行重熔铸锭而成。
硅原料主要有两种：其一，半导体工业制备单晶硅剩下的头尾料、锅底料以及没制备成功而产生的废料；其二，原生多晶硅与半导体工业废料或高纯金属硅按一定比例混掺，这是由于光伏产业的高速发展导致半导体工业边角废料生产的多晶硅远远不能满足需求，于是，有的企业便采取这种方式来获得生产电池用的多晶硅。
2.1 硅片的少子寿命及其影响因素在一定温度下，处于热平衡状态的半导体材料中的载流子浓度是一定的。
这种处于热平衡状态下的载流子则称为平衡载流子，其浓度，称为平衡载流子浓度。
晶科硅棒少子寿命
晶科硅棒少子寿命全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：晶科硅棒的少子寿命是指晶硅中自由载流子的寿命，也可以理解为载流子在材料中存在的时间。
少子寿命长短直接影响光伏电池的发电效率和性能。
提高晶科硅棒的少子寿命可以有效提高太阳能电池的转换效率，延长电池的使用寿命，降低制造成本，促进光伏产业的发展。
那么，如何提高晶科硅棒的少子寿命呢？要从材料的制备工艺和质量控制入手。
晶科硅棒的生产过程中，杂质的引入是导致少子寿命降低的主要原因之一。
在材料的制备过程中，要严格控制材料的纯度和晶体结构，减少杂质的含量，提高材料的质量。
要优化晶科硅棒的表面处理工艺，减少表面缺陷和氧化层对载流子寿命的影响。
通过优化表面处理工艺，可以降低晶科硅棒表面的复合速率，延长少子在材料中存在的时间。
还可以采用退火等方法对晶科硅棒进行后处理，改善材料的电学性能，提高载流子的寿命。
除了从材料的制备和处理入手，还可以通过对太阳能电池的结构和工艺进行优化，提高晶科硅棒的少子寿命。
采用双面结构的太阳能电池可以有效减少晶科硅棒表面的缺陷，提高光生载流子的抽运效率，从而延长载流子在材料中存在的时间。
优化光栅电极的设计和工艺，减小电极与晶科硅棒的接触电阻，提高太阳能电池的光电转换效率，进一步延长电池的使用寿命。
还可以采用一些新型材料和技术来提高晶科硅棒的少子寿命。
采用浅硫化方法可以形成硫化铜硒薄膜，通过制备硫化铜硒薄膜与晶科硅棒的异质结，可以有效提高载流子的寿命。
还可以通过引入掺杂元素或应变场等方法来调控晶科硅棒的能带结构，提高载流子的寿命。
通过引入新型材料和技术，可以有效提高晶科硅棒的少子寿命，进一步提高光伏电池的性能和效率。
第二篇示例：晶科硅棒少子寿命是指晶体硅棒中的少子在不同电场条件下的寿命，这一参数对于半导体材料的品质和性能具有非常重要的意义。
在半导体器件的制造过程中，经常需要对晶体硅材料进行掺杂和控制电场，因此对晶体硅材料中的少子寿命的研究是至关重要的。
少子寿命与电池性能
各工艺流程对少子寿命的影响——实验
实验六：铝背场吸杂工艺与少子寿命 铝背场对太阳电池的作用有两点; （1）在合适的烧结条件下，使铝浆在电池背表面形成高浓度的P+区，形成指向背表面的 电场，阻止少数载流子向背表面的扩散运动，降低少数载流子在背表面的复合，有助于少 子寿命的提高。 （2）铝背场的吸杂作用：同扩散磷吸杂类似，同样有助于增加少子寿命。 铝背场印刷后少子寿命较印刷前亦有明显提高。
各工艺流程对少子寿命的影响——实验
实验五：PECVD钝化效果 PECVD沉积SiNx:H膜被广泛应用于太阳电池生产中，一方面是因为SiNx:H膜具有良好的减反 射作用，另一方面则归功于SiNx:H的钝化作用。良好的表面钝化可以饱和硅表面的悬挂键，降 低表面态密度，减少少数载流子在硅片表面的复合，少子寿命也相应的得到一定程度的提高， 从而降低暗电流，提高电池的开路电压。 图六对五种典型的PECVD工艺进行比较。 经过PECVD工艺后，样品的少子寿命都有 所提高，表明五种PECVD工艺都起到了一 定的钝化效果。 其中工艺三是五个工艺中少子寿命最大的， 钝化效果最为明显。 但是，同扩散工艺一样，PECVD工艺的优 化也不能仅仅片面追求少子寿命而忽视了 SiNx:H膜的减反射作用。 SiNx:H膜的厚度、折射率及Si：N原子比 等参数都是影响太阳电池性能的主要因素。
各工艺流程对少子寿命的影响——实验
实验二：去损伤层厚度与少子寿命 针对体寿命较高的材料三和材料四进行了NaOH溶液腐蚀实验，结果见图3。 随着NaOH腐蚀时间的增长，硅片表面损伤 层的厚度逐渐减少，少子寿命开始逐渐增加。 在经过8分钟的腐蚀后硅片少子寿命均达到 最大值，表明此时表面损伤层已基本去除。 随着时间的进一步增加，少子寿命呈下降趋 势。 由于多晶硅晶粒的取向具有随机性， NaOH 溶液又具有各项异性的腐蚀特性，因此不同 晶相的腐蚀速率存在差异。 随着腐蚀时间的增长，这种差异越发明显， 导致晶界间产生明显台阶，复合能力增强， 硅片的少子寿命随之下降。 测试经过8分钟复试后晶片的减薄量可知材 料三和材料四的损伤层厚度大约为8um/面。 根据上述结果，在太阳电池生产过程中，针 对清洗工艺，只需对硅片减薄量或少子寿命 进行监控，即可控制和保证制绒工艺的稳定 性。
磷吸杂对多晶硅少子寿命影响的比较研究
铸造多晶硅中杂质对少子寿命的影响
铸造多晶硅中杂质对少子寿命的影响言一硼对在室温下能稳定存在，但在２００℃下热处理或者强光照可以使铁一硼对分解而形成间隙铁离子和硼离子，由于间隙铁离子和铁一硼对少数载流子复合能力的不同，使得处理前后少子寿命值出现变化，从而可以建立起间隙铁浓度对应少子寿命值变化之间的关系。
间隙铁浓度可以由方程：［Ｆｅ；］＝Ｋ（１／对于太阳电池材料，少数载流子寿命（或扩散长度）是衡量材料性能的一个重要参数。
铸造多晶硅中一般存在高密度的缺陷和高浓度的杂质（如晶界、位错、氧、碳以及过渡族金属铁等）。
通常这些杂质原子本身或者通过与结晶学缺陷相互作用，会成为少数载流子的复合中心，大大降低少数载流子寿命，进而影响太阳电池的转换效率…。
有研究表明，相比于晶界和位错，氧、铁等主要的杂质元素对硅锭中少子寿命的影响更大ｂＪ。
因此研究铸造多晶硅中主要杂质如氧、铁及其复合体或沉淀的分布特性，研究它们对电学性能（如少子寿命）的影响，有利于生产高质量的铸造多晶硅硅锭，降低铸造多晶硅太阳电池的成本，同时也是制备高效率铸造多晶太阳电池的前提。
氧是铸造多晶硅材料中最主要的杂质元素，如果氧处于间隙位置，通常不显电学活性ｂＪ，但在晶体生长或热处理时，氧一般会形成热施主、新施主、氧沉淀以及诱生其他的晶体缺陷，还会吸引铁等金属元素，产生电活性，从而显著降低硅片的少子寿命值［４］。
另外铁也被认为铸造多晶硅中最常见的有害杂质之一。
Ｐ型硅中，铁通常与硼结合成铁．硼对，铁收稿日期：２００５．１１．１８ｒ‰一１／ｒ曲。
）来决定，其中Ｋ与注入水平有关ｂＪ。
Ｏ．蹦ａｉｓ等人采用非接触相变技术仪（ＰＳ）对多晶硅样品进行少子寿命的分布及表面复合率的测量，并由此获得了间隙铁浓度的分布图，发现间隙铁浓度在二次缺陷处浓度较低，由于间隙铁原子与缺陷结合而形成了沉淀№Ｊ。
由于铁在硅中的沉淀机制及分布规律较为复杂，受到各种因素包括其来源、硅锭的生长速率、冷却速率、扩散系数以及缺陷密度等多方面的影响，因此有必要对铁的分布规律，特别是铁等杂质对少子寿命的影响作进一步的研究。
铸造多晶硅中的金属杂质及其对硅片性能的影响aaa讲解
铸造多晶硅中的金属杂质及其对硅片性能的影响摘要：关键词：多晶硅铸造多晶硅金属杂质正文：金属杂质特别是过渡金属杂质，在原生铸锭中的浓度般都低于1×10”cm 3，但是它们无论是以单个原子形式，或者以沉淀形式出现，都对太阳能电池的转换效率有重要的影响。
近期由于硅料中所含金属杂质超标，导致多个晶锭出现电阻率严重异常而整锭报废，另外还出现较多晶棒切片后的硅片电阻率出现较大波动，对公司的经济效益带来严重的影响。
下面对铸造多晶硅中金属杂质的性质及其对硅片性能的影响进行详细的分析，为多晶硅片的生产及异常硅片的处理提供一定的参考。
1.铸造多晶硅中金属杂质的来源铸造多晶硅中的金属杂质主要有Fe，Al，Ga，Cu，Co，Ni等，铸造多晶硅中金属杂质的来源主要有以下几个方面：A．原生硅料中含有一定量的金属杂质，这也是金属杂质的一个主要来源。
目前由于硅料异常紧缺，导致一些含杂质较多的硅料在市场上流通，造成铸出的晶锭出现问题的事故时有发生。
B．在硅料的清洗，铸锭及切片的整个过程中由于使用各种金属器件接触，导致金属杂质的引入。
这也是铸造多晶硅中金属杂质含量偏高的一个主要原因。
整个工艺流程中引入金属杂质的途径有很多，例如硅料清洗过程中清洗液的残留，晶锭转运过程中使用的不锈钢转运车，多晶硅棒破碎过程中所使用的铁锤等。
2.过渡族金属在硅片中的扩散和溶解硅中金属杂质的引入可以在晶体生长过程中，或者在硅片的抛光、化学处理、离子注入、氧化或其他处理过程中首先在表面附着，随后后续的高温热处理过程中扩散进入硅基体。
A．金属杂质在硅锭中的分布在高温（>800℃）下，过渡族金属一般都有很快的扩散速度而溶解度则相对较小。
Cu、Ni为快速扩散杂质，在高温下，Cu、Ni的扩散速率甚至可以接近于液相时的扩散速率，达到10-4cm2/s 。
而其他的金属杂质，如Fe 、Cr 等为慢扩散杂质，一般比Cu 、Ni 的扩散速率慢一到两个数量级，但在高温下仍可以达到几十到几百微米每秒。
毕业设计(论文)-铸造多晶硅晶体生长速率对杂质分布的影响研究[管理资料]
![毕业设计(论文)-铸造多晶硅晶体生长速率对杂质分布的影响研究[管理资料]](https://img.taocdn.com/s3/m/5934ecf0b52acfc788ebc9e1.png)
铸造多晶硅晶体生长速率对杂质分布的影响研究摘要目前，铸造多晶硅是最主要的光伏材料，其结晶组织、缺陷、和杂质含量显著影响着太阳能电池的转换效率。
杂质的浓度和分布是影响光电转换效率的重要因素。
由于多晶硅锭的质量好坏主要取决于长晶过程中的固液界面形状及晶体生长速率大小，固液界面形状及晶体生长速率大小对定向凝固的排杂效果起决定作用，一般认为微凸的固液界面更有利于多晶硅杂质和位错的排除。
因此深入研究多晶硅生长速率对杂质分布的影响，分析它对多晶硅锭结晶学及电学性能的影响，不仅有利于生长出高成品率的铸造多晶硅锭，而且可以降低铸造多晶硅硅片的制造成本。
本工作利用微波光电导衰减仪（μ-PCD）、二次离子质谱仪（SIMS）,以及红外扫描仪（IR）等方法对铸造多晶硅的杂质以及少子寿命的分布进行了系统的研究。
实验发现，硅锭中的氧浓度随硅锭高度的增加而逐渐降低，而碳的分布情况正好相反。
研究发现，在低速凝固条件下杂质的排除效果很好，平均少子寿命较高，但多晶硅锭的红区较长，铸锭周期长。
而高速凝固杂质的排除效果不佳，硅锭红区较短，但平均少子寿命较低。
关键词：铸造多晶硅，杂质，少子寿命，长晶速率The investigation on the crystal growth rate of castingpolycrystalline silicon influencing on the distribution ofimpurityABSTRACTAt present, casting polycrystalline silicon is the main PV materil. It affects are the important factors of photoelectric conversion quality of poolycrystalline silicon ingots is determined by the position of the solid/liquid interface and growth rate of crystal. The shape of solid/liquid interface and growth rate determined the quality of rejecting of ,small protruding liquid-solid interface is more advantageous to the reject of dislocation and further research on the influence of polysilicon growth rate on the impurity distribution and electrical behaviour of polycrystalline silicon ingots will help us improve the yield of the ingots and reduce the cost of casting polycrystalline silicon.In this thesis, we investigate the distribution of impurity and minority carrier lifetime of the ingots by Microwavephoto Conductive Decay(μ-PCD), ScanningInfrared Microscopy(IR), Scanning Infrared Microscopy(SIRM) . In the experiments, oxygen content increases in vetical direction, While carbon distribution is exactly thepposite. We find that low-speed solidification conditions is good to the reject of all the reject of all the metal inpurity,minority carrier lifetime is higher, but the casting cycle is longer. Whle High-speed solidification to the disadvantage of the reject of impurity. and its minority carrier lifetime is lower Experimen ts have found that poly ingot growth rate for cm/h for industrial production is a better choice.KEY WORDS:casting polycrystalline silicon,impurity, minority carrier lifetime, growth rate of the crystal.目录第一章绪论 0§引言 0§ 0§浇铸法 0§定向凝固法 (1)§电磁感应加热连续铸造( EMCP) (2)§多晶硅定向凝固原理及相关工艺参数 (2)§铸造多晶硅中的主要杂质及影响 (4)§硅中的氧 (4)§硅中的碳 (4)§ (5)第二章实验过程 (6)§ (7)§检料 (7)§多晶铸锭过程 (7)§剖方取样 (10)§样品检测 (11)§ (11)§ IR阴影检测 (11)§ SIMS测试 (12)第三章实验结果及分析 (12)§ (12)§ IR检测结果及分析 (14)§ (15)§ (16)§ (17)结论 (19)参考文献 (20)致谢 (22)第一章绪论§引言目前，铸锭多晶硅材料是最主要的太阳能电池材料，而且也被认为是今后5到10年中最主要的太阳能电池材料[1]。
太阳级铸造多晶硅沉底材料缺陷和杂质研究
太阳级铸造多晶硅沉底材料缺陷和杂质研究1、前言太阳能电池发电具有洁净及可持续产生的特点，导致太阳能发电系统的使用量在不断增长，2004年全球的总产量达到1.2GW。
由于多晶硅相对低的成本，使得太阳能电池市场占有率的快速增长依赖于多晶硅的应用。
然而，太阳能电池工业正面临硅料的短缺，故成本的进一步降低，转换效率的提高十分必要。
多晶硅沉底具有很多晶界、缺陷和杂质，这些都相应的影响其少子寿命，因此多晶硅太阳能电池转换效率低于单晶硅太阳能电池。
目前铸造多晶硅衬底具有较大晶粒尺寸（>1cm），这些晶粒尺寸足大于少数载流子扩散长度。
因此晶界对于转换效率影响微乎其微，相比之下，杂质和缺陷对转换效率的影响更大，因此我们要提高转换效率的话，就需要搞清楚杂质和缺陷的特征。
这篇文章就是研究B掺杂P 型多晶硅杂质和缺陷之间的关系。
2、试验过程试验所用多晶硅衬底由JFE Steel生产.在100cm2面积上少数载流子平均扩散长度大于250μm（少子寿命>30μs），最大扩散长度为780μm.利用JFE Steel多晶硅衬底制作的孔径面积1cm2太阳能电池，最高转换效率为20.3%。
我们所使用的多晶硅衬底为B掺杂（~1016cm-3）电阻率为2.4Ω.cm，厚度为330μm，尺寸为50*50mm。
试验前，锯切损伤层由HNO3和HF混合溶液进行腐蚀，对衬底用碘酒进行钝化，采用μ-PCD法测试的少子寿命分布，作为衡量衬底质量的一个重要指标。
为了评价衬底缺陷分布情况，采用Secco 溶液对衬底进行腐蚀10min后，用光学显微镜进行观察，载流子的复合采用EBIC设备进行研究。
为了研究杂质浓度，我们采用了三种不同类型设备来进行，多晶硅衬底中的间隙氧和替位碳的数量通过空间分辨率100μm的傅里叶红外光谱（μ-FTIR）来测定，总的碳浓度通过SIMS来来测定，铁离子分布通过X射线微探针荧光光谱（μ-XRF）来测定，我们通过热扩散掺杂铁离子就是为了研究在太阳能电池制作中，铁离子杂质对电池性能的影响。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
铸造多晶硅中杂质对少子寿命的影响
对于太阳电池材料，勺子寿命是衡量材料性能的一个重要参数。
多晶硅锭中存在高密度的缺陷和高浓度的杂质(氧、碳以及过渡族金属铁等)。
有研究表明，相比于晶界和位错，氧、铁等主要的杂质元素对硅锭中少子寿命的影响更大。
氧是铸造多晶硅材料中最主要的杂质元素之一，间隙氧通常不显电学活性，对少子寿命没有影响。
但在晶体生长或热处理时，在不同温度氧会形成热施主、新施主、氧沉淀，氧沉淀会吸引铁等金属元素。
另外铁也被认为铸造多晶硅中最常见的有害杂质之一。
P型硅中，铁通常与硼结合成铁-硼对，铁一硼对在室温下能稳定存在，但在200℃下热处理或者强光照可以使铁一硼对分解而形成间隙铁离子和硼离子，由于间隙铁离子和铁一硼对少数载流子复合能力的不同，使得处理前后少子寿命值出现变化，从而可以建立起间隙铁浓度对应少子寿命值变化之间的关系。
杂质在铸造多晶硅硅锭中的分布，与该杂质在硅中的分凝系数K有关。
在铸造多晶硅锭料由底部向顶部逐渐凝固时，如果杂质的分凝系数K<1，则凝固过程中，固相中的杂质不断地被带到熔体中，出现杂质向底部集中，越接近底部浓度越大，相反，如果分凝系数K>1，则杂质集中在顶部，越接近顶部浓度越大。
氧主要集中在硅锭头部，其浓度呈现从硅锭底部向顶部逐渐降低的趋势。
可以认为分凝机制对于氧在熔体硅中的传递和分布起主要作用。
间隙铁分布为：头部和尾部浓度较高，中间部分浓度较低，且分布较为均匀。
这与仅由分凝机制决定的间隙铁浓度分布，特别是在底部处产生了较大偏离。
硅锭底部处出现了较大的间隙铁浓度，由于铁在硅中具有较大的扩散系数，所以这可能是硅锭底部凝固完成后的冷却过程中，铁由坩埚或者氮化硅保护层向其进行固相扩散的结果。
事实上硅锭的底部最先开始凝固，通常整个凝固过程将持续数十小时，硅锭底部将有较长时间处于高温状态，因而使得固相扩散的现象有可能发生。
固相扩散的程度与凝固后硅锭的冷却速率以及各温度下的铁的扩散系数有关。
从少子寿命的分布图中，可以看出硅锭两端的低寿命区域，对应着过高的间隙铁、氧浓度，因而可以认为高浓度的间隙铁、氧原子形成了有效复合中心，从而导致了硅锭两端低少子寿命区域的出现。