硅材料讲义

FTIR测量间隙氧和替位碳 氧含量在硅中的存在形式； 氧含量对单晶硅材料的影响； （1）、晶棒的每炉投料量：80炉一般60kg； （2）、晶棒的直径：一般156mm；
（3）、晶棒头部电阻率：假设1.92.2Ω · ； cm
（4）、晶棒距头部一定长度：假设3001000mm； （5）、晶棒此长度上的电阻率：假设1.85 1.4Ω · cm； （6）、晶棒的头部间隙氧含量：假设22ppma；
挥发系数： 在一定时间、一定气压下，杂质从硅熔液 去除的速率。 可以这样理解： 挥发系数越大，杂质挥发的越快，熔液中 的杂质越少。
从上面的分凝系数和挥发系数中可以看 出，硼、磷、氧、铝等是比较难以去除的。 而这些元素又对电池片的质量起到较大的影 响作用，所以硼、磷、氧、铝成为阻碍物理 法5-6N硅大规模应用的最后的壁垒。攻克它， 将会是光伏发电的一个不小的革新。 但在应用5-6N硅上，必须对一些表像进 行研究，否则容易走入歧途。
பைடு நூலகம்
3、物理法生产5-6N多晶硅 工业硅湿法提纯吹气造渣电子束/ 等离子体吹拂定向凝固 目前物理法提纯的障碍：硼、磷、氧、铝 首先介绍分凝系数： 杂质原子从硅熔液中生长到硅晶体中的能 力。 可以这样理解： 分凝系数越小，杂质进入到硅晶体中的数 量就越少。剩余在硅熔液中的杂质就越多。
下图为各杂质在硅晶体生长中的近似分凝系数
如果在光照 后产生的载流子 使电阻率有很大 变化，则测出少 子寿命会有所增 加。 正如前人在 做了磷吸杂后测 量少子寿命，发 现有极大提高， 而电池片效率做 出来后却没有明 显变化。
引起少子寿命测量假象的因素还有氧的热施主状态。 究竟哪种方法测量少子寿命是比较可靠的呢？ 去除氧的热施主、补偿假象、表面抛光钝化后 的硅片，测量结果比较接近真实值。
间隙氧含量为22ppma时：
间隙氧含量为18ppma时：
间隙氧含量为22ppma和18ppma，发现18ppma的衰 减下降1.8%，电池片厂家的成本也就下降了1.8% ！ 不过对于CZ法单晶，其石英坩埚就是SiO2,控制氧含量
并不容易。目前的一些工艺有：控制埚转、晶转、硅料接触坩 埚面积、磁场法。
从分析中可以看出，掺镓与不掺镓的硅棒， 如果均采用IC埚底料生产（电阻率在5左右）， 成本会下降1-2%。 但在掺镓的工艺中，有一些技术并不好掌 握，从而导致掺镓工艺无法正常生产，降低其 优越性。严重的将出现严重的Isc下降的情况。 降低这一风险的关键在于对硅材料、掺镓工艺 进行深入的研究。比如：三相掺杂对电池片质 量影响的研究等。
硅片电阻率对电池片串联体电阻的影响
串联体电阻
1.09
1.03
0.97
0.92
0.86
0.80
0.74
0.69
0.63
0.57
0.51
0.46
0.40
0.34
0.29
0.23
0.17
0.11
0.06
0.5
硅片电阻率 Ω •cm
扩散、烧结工艺的优化可以抵消硅片电阻 率对串联电阻的影响。
到此，似乎已经得出了结果，但实际上问 题并没有结束，涉及到电阻率的问题本身又是 一个复杂的问题。比如硅材料的补偿、氧的热 施主都会引起电阻率的变化，使硅片IQC无法 把握住质量控制的主导权。这里，可以采取的 一种措施是：选择一个有实力的供应商，是对 质量最大的保障。明确供应商后，根据特殊问 题，指定特殊工艺，提高电池片质量，降低成 本。 降低衰减的另一种方法：掺镓 如下图：同一配料，不同的掺杂剂，所对应的 不同的质量。
二、硅材料中杂质的判断
电阻率 少子寿命 Ⅲ、Ⅴ族元素含量 深能级金属、缺陷含量 氧碳含量 各种元素含量
硅材料质量
FTIR氧碳 SIMS测试 1、电阻率 电阻率随温度的变化； 电阻率载流子多数载流子掺杂剂浓度； N型半导体与P型半导体之间的关系；
电子迁移率135O±100cm3/伏秒 空穴迁移率48O ±15 cm3/伏秒
由此可见，提高电阻率是电池片生产企业 降低成本的一个手段。但如果提高了电阻率会 不会对串联电阻产生较大的影响呢？
电池片串 联体电阻 mΩ •cm 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
10 9.5 9 8.5 8 7.5 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 1.14
现在，我们将刚才的条件适当变更： （1）、晶棒的每炉投料量：80炉一般60kg； （2）、晶棒的直径：一般156mm； （3）、晶棒头部电阻率：假设1.92.2Ω · ； cm （4）、晶棒距头部一定长度：假设3001000mm；
（5）、晶棒此长度上的电阻率：假设1.85
1.4Ω · cm； （6）、晶棒的头部间隙氧含量：假设22ppma；
如下图：
此硅棒其他各点的电阻率分布为：
注意晶棒尾部从P型转成N型，但硅棒总体来讲， 电阻率比较均匀。
此硅棒实际的硼含量对应的电阻率为：
硼的实际对应的电阻率是头部1.1，尾部0.7。
此硅棒对应位置切下的硅片制成电池 片后衰减的分布曲线为：
头部衰减可达5%,晶棒尾部的衰减没有进行修正。如 果此硅棒切片，则其对应电池片的衰减在4-5%，转 化成效率就是衰减后损失了0.85%，也就是16.8%的 效率衰减后只有15.95%！
2、少子寿命 非平衡状态少数载流子在导带平均停留的时间。 少子寿命与测量方法； 少子寿命与掺杂剂含量； 少子寿命与氧含量； 少子寿命与晶体位错； 少子寿命与表面结构；
3、FTIR测量的间隙氧与替位碳含量 真实氧含量=间隙氧含量+替位氧含量+氧沉淀 真实碳含量=间隙碳含量+替位碳含量+碳沉淀 氧含量对硅材料质量的影响； 碳含量对硅材料质量的影响；
总结： 我们只有认清了硅材料的性质， 才能在生产中有效的控制质量、降 低成本，为企业创造利益！ 对于硅材料，实践证明： 符合标准的肯定不是最好的。
今天就讲到这里，谢谢！
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则如下图：
此硅棒实际的硼含量对应的电阻率为：
此硅棒对应位置切下的硅片制成电池 片后衰减的分布曲线为：
头部衰减为2.8%, 如果此硅棒切片，则其对应电池 片的衰减在2-3%，转化成效率就是衰减后损失了 0.5%，也就是16.8%的效率衰减后有16.3%，较之前 的效率上升0.35%。电池片厂家成本节约2%.
五、研究的成果和方向
（1）、硅材料少子寿命的有效监控方法； （2）、硅材料三相掺杂技术的研究； （3）、光伏电池长波段响应增强的研究； （4）、衰减控制在1%以内技术的研究； （5）、效率18%以上单晶硅材料的研究； 以上是我们目前已经或者正在研究的一些 课题，有兴趣的同事，我们可以多多沟通，一 起探讨、研究。
替位碳含量 替位碳含量的增加，会引起暗电流的增加、硬质 点的增加。对于CZ法，按照试验数据，主要来自于硅 料中。
四、单晶硅片质量的判断
外观：尺寸、线痕、翘曲弯曲、厚度等 性能：电阻率、少子寿命、氧碳含量等 根据前面讨论的知识，我们知道对于性 能的这些表像的监控，其实是没有办法真正 控制的。最好的办法是有固定的有实力的合 作伙伴，这是控制质量、成本最好的办法。
硅材料质量分析与鉴别
石坚 2008年12月
一、多晶硅主要的生产工艺
1、改良西门子法
Si + 3HCl→SiHCl3 +H2 +Q SiHCl3 +H2 →Si + 3HCl - Q
氯化 还原
2、新硅烷热分解法 新硅烷热分解法分为两种, 一种在流化 床上分解硅烷( SiH4 ) 得到粒状多晶硅（如 MEMC), 另一种是用SiH4 为原料在西门子式 硅沉积炉内生长多晶硅棒。
4、SIMS测试
各种元素含量
测试数据多，准确度高，但测试设备昂贵， 测试费用较高，测试样品单一。
三、单晶硅材料质量的判断
下面将介绍通过单晶硅电阻率、少子寿命、 FTIR氧碳含量的测量来掌握单晶硅的质量。
如果我们在购买单晶硅棒或硅片时，得到以下 数据，就可以分析出晶棒的质量情况： （1）、晶棒的每炉投料量：80炉一般60kg； （2）、晶棒的直径：一般156mm； （3）、晶棒头部电阻率：假设1.9Ω · ； cm （4）、晶棒距头部一定长度：假设300mm； （5）、晶棒此长度上的电阻率：假设1.85 Ω· cm； （6）、晶棒的头部间隙氧含量：假设22ppma；
少子寿命
少子寿命的测量方法多种多样，有稳态法、准 稳态、瞬态等。 目前比较流行的是SEMILAB的WT系列采用微波 光电导衰减法（准稳态）测量少子寿命。
在少子寿命测试前，此方法必须建立在一个假 设的基础上---所有影响电阻率的载流子均与 真实的少子寿命有关---如违背此假设，将使 测量结果出现偏差。例子：磷钝化。