尚德太阳能电池掺镓单晶硅技术
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由于镓的分凝系数较小,如何在拉晶过程中得到电阻率分布均匀硅棒 成为技术瓶颈.尚德的研究表明已经克服了这个技术瓶颈,制造出掺镓 太阳能电池衰减率<1%,而且平均光电转换效率也达17.33%以上的高 效抗衰减太阳能电池
物理背景
（1） 硼掺杂的Cz法生长的单晶硅太阳电池存在衰减问题 对于硼掺杂Cz法生长的单晶硅太阳能电池，当它暴露于光照下，电池性
背景
施正荣博士，杨德仁教授和Ines Rutsachman等人指出解决转换效率低 的关键是原料的纯度以及采用以下三个方法：
1Байду номын сангаас可降低和控制单晶氧含量的磁场直拉法（MCZ法） 2.用镓或铟元素取代硼作为P型掺杂剂的拉晶方法 3.采用磷合金作为N型掺杂剂的拉晶方法。
对于这三种方法的普遍认知是：MCZ法虽能控制和降低单晶中的氧 含量，但是需要配置磁场设备并提供其激磁电源，必然增加成本。 而第二种方法中由于镓和铟的分凝系数问题，使单晶头尾间的轴向 电阻率变化太大，使得实施起来很复杂，不利于工业化生产。使用 磷掺杂的N型单晶，必须要改变电池制作工艺。经过探讨，还是选定 了掺镓的单晶拉制工艺。
太阳能电池技术研究报告序列之三
尚德“ Pluto ” 太阳能电池掺镓单晶硅技术
太阳能行业研究员 市场部 王娜 2008.9.9
•背景 •单晶拉制实验设备及方法 •尚德掺镓单晶硅电池性能指标 •国外情况 •研究结论
背景
近年来，太阳能电池工业的迅猛发展致使制备单晶硅的原材料供应 十分紧张，加之大部分的硅单晶生产厂家是新参与者，不太了解硅 的质量与太阳能电池性能之间的关系，因而饥不择食地购入了大量 的垃圾原料诸如极低阻的重掺硅料，埚底料，薄镀膜片，彩片，电 池废片等杂料，误认为可通过型号补偿以及化学物理法处理后，只 要凑合太阳能电池所需型号和电阻率的要求，拉成单晶，甚至连少 子寿命都不测，就提供给用户制作太阳能电池，必然造成电池的转 换效率不高，不稳定，经光照后效率大为衰减的问题。近年来，国 内外的科学家和资料纷纷报道，应着重于关注原材料的纯度，特别 是寿命杀手的重金属，贵金属的含量，氧的控制及硼氧复合体，拉 晶过程中的工艺控制等方面的问题。
掺镓p型太阳嫩电池抗衰减原理
物理背景
（3） 掺镓太阳能电池的技术瓶颈
众所周知镓的分凝系数是8*10-3，而铟的是4*10-4，的确大大小于硼的 分凝系数8*10-1。表面看来掺镓或铟的硅单晶轴向电阻率控制必然比掺 硼的难度大些，也复杂些。但是太阳电池对单晶电阻率的数值和分布范 围要求比较宽松，例如0.5-6欧姆厘米。因此这就不会成为问题。
能会衰减，并最终达到一个稳定的效率。这种通常叫做光致衰减的现象 （下图）。早在30多年前，Fischer和Pschunder首先发现了掺硼太阳电池的 这种光致衰减现象，并且他们还发现在200℃下退火后，电池性能基本能完 全恢复。
掺硼Cz硅太阳电池的光衰减和退火行为
物理背景
经过多年研究，科学家们一致认同这种光致衰减现象是由于掺硼Cz硅中的 间隙态氧和替位态硼形成亚稳态的缺陷结构（即硼氧复合体）所致，其形 成机制如图所示。这种缺陷结构降低了少数载流子寿命和扩散长度,使太阳 能电池的性能下降。
背景
2008年8月,尚德称成功的研制出了太阳能电池用掺镓单晶硅技术.这种 技术是尚德与常州美晶太阳能材料有限公司合作研发的. 常州美晶的 曾世铭教授负责单晶的提拉技术的开发,而尚德电力控股有限公司的 电池制造部则负责太阳电池的研制及测试.掺杂所用的高纯7N金属镓 是由株洲冶炼集团有限公司提供的.
目前国内的单晶硅太阳能电池都是采用硼掺P型硅Cz法生长的.由于硼 氧复合体的存在,使这种方法制备的电池具有早期光致衰减的现象.掺 镓太阳能电池可以解决P型Cz硅电池的衰减问题.
硼氧复合体引起的光衰减和退火行为物理机制示意图
物理背景
（2） 掺镓P型Cz硅电池抗光衰减机理 硅中掺杂用的三五主族元素一般为替位共价态（下图），硼的共价原子 半径是82 pm（1pm=10-12m）在硅晶格中有足够的空间可以形成硼氧复合 体
替位态的受主原子
物理背景
而镓的共价原子半径是126 pm，其较大的原子半径阻碍了镓和氧 在硅晶格中的作用（下图），这是掺镓不会形成亚稳态复合体的 基本原理，正是这个原理抑制了掺镓Cz单晶的光衰减。
熔硅中的镓浓度由分凝公式(1) 得到，其中g为凝固百分比，Cs为硅棒 中凝固百分比为g处的镓浓度，CL为熔硅中镓浓度，k为杂质分凝系数 0.008。
Cs=k*CL *（1-g）k-1 由于镓的分凝系数很小为0.008（硼的分凝系数为0.8），镓在硅晶体 内掺杂浓度变化较大，因而Cz硅棒纵向电阻率变化会很大，因此使用镓 元素比使用硼要复杂的多。
单晶拉制实验设备及方法
（1）实验用设备和检测仪器： A．.单晶炉：常州华盛天龙公司生产的85型单晶炉，采用18”石墨热场和18” 石英坩埚，装料量为60公斤硅。 B．氧碳含量测试仪：NICOLET－6700型红外光谱仪。 C．少子寿命测试仪：WT－1000型。 D．电阻率测试仪：BD－86A型。 E．电阻率及型号分选仪：SRTT型。 （2）硅原料，掺杂剂及单晶，晶片规格 A. 硅原料：美国MEMC多晶硅。 B. 掺杂剂：7 N 的高纯镓。 C. 硅单晶：6”，P型，0.5 － 6.0 Ω*cm，≧10微秒。 D．硅晶片：125 X 125 毫米，厚度200±10％微米。 (3) 拉晶实验参数
将60公斤硅多晶装入石英坩埚中，采用减压氩气下拉晶，压力1300Pa. 晶转 为12 转/分，埚转为8转/分，拉速为1.1-0.6毫米/分。
单晶拉制实验设备及方法
（4）单晶测试： 将单晶切断，取头尾片测量导电型号；电阻率；少子寿命；氧碳含量等数据。
（5）晶片加工： 切方，滚磨及切片 将物理检测合格后的晶体加工成125*125毫米的准方形 厚度200±20微米的晶片，在尚德公司进行太阳能电池制备以及有关的电池转 换效率和光衰减实验。
尚德掺镓单晶硅电池性能指标
（1) 电阻率 尚德的研究认为，虽然理论上掺镓硅单
晶轴向电阻率控制比掺硼的难度大些，也 复杂些，但是由于太阳电池对单晶电阻率 的数值和分布范围要求比较宽松（0.5－6.0 Ω*cm），使掺镓电池的应用成为可能。
物理背景
（1） 硼掺杂的Cz法生长的单晶硅太阳电池存在衰减问题 对于硼掺杂Cz法生长的单晶硅太阳能电池，当它暴露于光照下，电池性
背景
施正荣博士，杨德仁教授和Ines Rutsachman等人指出解决转换效率低 的关键是原料的纯度以及采用以下三个方法：
1Байду номын сангаас可降低和控制单晶氧含量的磁场直拉法（MCZ法） 2.用镓或铟元素取代硼作为P型掺杂剂的拉晶方法 3.采用磷合金作为N型掺杂剂的拉晶方法。
对于这三种方法的普遍认知是：MCZ法虽能控制和降低单晶中的氧 含量，但是需要配置磁场设备并提供其激磁电源，必然增加成本。 而第二种方法中由于镓和铟的分凝系数问题，使单晶头尾间的轴向 电阻率变化太大，使得实施起来很复杂，不利于工业化生产。使用 磷掺杂的N型单晶，必须要改变电池制作工艺。经过探讨，还是选定 了掺镓的单晶拉制工艺。
太阳能电池技术研究报告序列之三
尚德“ Pluto ” 太阳能电池掺镓单晶硅技术
太阳能行业研究员 市场部 王娜 2008.9.9
•背景 •单晶拉制实验设备及方法 •尚德掺镓单晶硅电池性能指标 •国外情况 •研究结论
背景
近年来，太阳能电池工业的迅猛发展致使制备单晶硅的原材料供应 十分紧张，加之大部分的硅单晶生产厂家是新参与者，不太了解硅 的质量与太阳能电池性能之间的关系，因而饥不择食地购入了大量 的垃圾原料诸如极低阻的重掺硅料，埚底料，薄镀膜片，彩片，电 池废片等杂料，误认为可通过型号补偿以及化学物理法处理后，只 要凑合太阳能电池所需型号和电阻率的要求，拉成单晶，甚至连少 子寿命都不测，就提供给用户制作太阳能电池，必然造成电池的转 换效率不高，不稳定，经光照后效率大为衰减的问题。近年来，国 内外的科学家和资料纷纷报道，应着重于关注原材料的纯度，特别 是寿命杀手的重金属，贵金属的含量，氧的控制及硼氧复合体，拉 晶过程中的工艺控制等方面的问题。
掺镓p型太阳嫩电池抗衰减原理
物理背景
（3） 掺镓太阳能电池的技术瓶颈
众所周知镓的分凝系数是8*10-3，而铟的是4*10-4，的确大大小于硼的 分凝系数8*10-1。表面看来掺镓或铟的硅单晶轴向电阻率控制必然比掺 硼的难度大些，也复杂些。但是太阳电池对单晶电阻率的数值和分布范 围要求比较宽松，例如0.5-6欧姆厘米。因此这就不会成为问题。
能会衰减，并最终达到一个稳定的效率。这种通常叫做光致衰减的现象 （下图）。早在30多年前，Fischer和Pschunder首先发现了掺硼太阳电池的 这种光致衰减现象，并且他们还发现在200℃下退火后，电池性能基本能完 全恢复。
掺硼Cz硅太阳电池的光衰减和退火行为
物理背景
经过多年研究，科学家们一致认同这种光致衰减现象是由于掺硼Cz硅中的 间隙态氧和替位态硼形成亚稳态的缺陷结构（即硼氧复合体）所致，其形 成机制如图所示。这种缺陷结构降低了少数载流子寿命和扩散长度,使太阳 能电池的性能下降。
背景
2008年8月,尚德称成功的研制出了太阳能电池用掺镓单晶硅技术.这种 技术是尚德与常州美晶太阳能材料有限公司合作研发的. 常州美晶的 曾世铭教授负责单晶的提拉技术的开发,而尚德电力控股有限公司的 电池制造部则负责太阳电池的研制及测试.掺杂所用的高纯7N金属镓 是由株洲冶炼集团有限公司提供的.
目前国内的单晶硅太阳能电池都是采用硼掺P型硅Cz法生长的.由于硼 氧复合体的存在,使这种方法制备的电池具有早期光致衰减的现象.掺 镓太阳能电池可以解决P型Cz硅电池的衰减问题.
硼氧复合体引起的光衰减和退火行为物理机制示意图
物理背景
（2） 掺镓P型Cz硅电池抗光衰减机理 硅中掺杂用的三五主族元素一般为替位共价态（下图），硼的共价原子 半径是82 pm（1pm=10-12m）在硅晶格中有足够的空间可以形成硼氧复合 体
替位态的受主原子
物理背景
而镓的共价原子半径是126 pm，其较大的原子半径阻碍了镓和氧 在硅晶格中的作用（下图），这是掺镓不会形成亚稳态复合体的 基本原理，正是这个原理抑制了掺镓Cz单晶的光衰减。
熔硅中的镓浓度由分凝公式(1) 得到，其中g为凝固百分比，Cs为硅棒 中凝固百分比为g处的镓浓度，CL为熔硅中镓浓度，k为杂质分凝系数 0.008。
Cs=k*CL *（1-g）k-1 由于镓的分凝系数很小为0.008（硼的分凝系数为0.8），镓在硅晶体 内掺杂浓度变化较大，因而Cz硅棒纵向电阻率变化会很大，因此使用镓 元素比使用硼要复杂的多。
单晶拉制实验设备及方法
（1）实验用设备和检测仪器： A．.单晶炉：常州华盛天龙公司生产的85型单晶炉，采用18”石墨热场和18” 石英坩埚，装料量为60公斤硅。 B．氧碳含量测试仪：NICOLET－6700型红外光谱仪。 C．少子寿命测试仪：WT－1000型。 D．电阻率测试仪：BD－86A型。 E．电阻率及型号分选仪：SRTT型。 （2）硅原料，掺杂剂及单晶，晶片规格 A. 硅原料：美国MEMC多晶硅。 B. 掺杂剂：7 N 的高纯镓。 C. 硅单晶：6”，P型，0.5 － 6.0 Ω*cm，≧10微秒。 D．硅晶片：125 X 125 毫米，厚度200±10％微米。 (3) 拉晶实验参数
将60公斤硅多晶装入石英坩埚中，采用减压氩气下拉晶，压力1300Pa. 晶转 为12 转/分，埚转为8转/分，拉速为1.1-0.6毫米/分。
单晶拉制实验设备及方法
（4）单晶测试： 将单晶切断，取头尾片测量导电型号；电阻率；少子寿命；氧碳含量等数据。
（5）晶片加工： 切方，滚磨及切片 将物理检测合格后的晶体加工成125*125毫米的准方形 厚度200±20微米的晶片，在尚德公司进行太阳能电池制备以及有关的电池转 换效率和光衰减实验。
尚德掺镓单晶硅电池性能指标
（1) 电阻率 尚德的研究认为，虽然理论上掺镓硅单
晶轴向电阻率控制比掺硼的难度大些，也 复杂些，但是由于太阳电池对单晶电阻率 的数值和分布范围要求比较宽松（0.5－6.0 Ω*cm），使掺镓电池的应用成为可能。