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高温退火降低多晶硅太阳能电池材料中位错密度

我们提出并证明了一种可以消除影响多晶硅太阳能电池性能的微错缺陷的方法，它适合晶片或者是铸锭。通过高温退火并控制气氛和实践温度关系，可以使质量低劣的多晶硅中位错密度降低至少95%.,位错密度的降低符合由kuhlmann和（发明者，物理学家，社会学家，伦敦，九月，（A 64,140(1951)）和Nes（43，2189（1995））发明的依温度变化的图表。当退火温度〉1170℃进行高温退火可以使位错沿着晶粒的滑移面自由移动，以至于位错在几分钟内消失。

当前多晶硅太阳能电池生产占全球太阳能电池生产将近50%的份额。遗憾的是，低寿命少数载流子得不均分布区域是多晶硅太阳能电池材料的一个重要缺点。因为生产太阳能电池的各部分都是电连接的，运作的区域制约着整个仪器的运转，并且制约着高效仪器系统的执行程序。工业生产多晶硅太阳能电池转化率在14.5-16.5%，但是通过消除低劣的区域和改善高效率系统可以使转化率范围在18-22%。这样的效率加上生产多晶硅太阳能电池的低成本，在可以达到的条件下可以进行大规模的生产并具有市场竞争力。

结构缺陷像晶界和位错，是导致多晶硅太阳能电池出现坏区域的主要原因之一，因为他们会造成硅片中有大量碎硅片存在，经历中的位错对少数载流子的重组影响显著。怀区域中位错密度在104-106之间。这种高位错密度可以显著降低整个电池的转化率，因为它们作为沉淀沿着等量环形模型消耗材料中好区域的能量。

为了提高多晶硅太阳能电池的性能，我们必须研制出一种可以降低位错影响的制造方法。传统上首先进行吸杂或者是钝化，着重降低位错的电活性。尽管如此，现在的结果显示表明这些技术只能达到部分成功。当多晶硅太阳能电池工作区域中存在高福及状态时，就连带有个别重组现象的位错也会对少数载流子寿命有很大的影响。

我们尝试另外一种方法：消除铸锭或者硅片中的位错。热处理来降低钢中位错密度是金属工人很早就运用于实践的方法，这给了我们灵感：对多晶硅太阳能镜片进行高温退火处理。用中等温度，高于材料从脆性到人性的转变温度（对硅：530-660℃,取决于掺杂剂浓度和曲率）。，这

时，位时位错可以沿某一滑移面自由移动。当温度增至高于转变温度T

错可以沿滑移面自由移动。在Takenchi和Argon以前的工作经验中说明：对于硅来说，要达到这种效果必须保证退火温度高于1000℃.一旦发生攀移，位错可以通过一些途径从材料中消除，包括外扩散到表面两两抵消。这些过程受扩散限制，因此可以通过适当的因此，在高于转变温度进行一定时间的热处理可以使多晶硅太阳能晶片中的位错消失。在这儿，我们给出一个概念的论证，多晶硅晶片在高于T

进行热处理，位错密度有了显著的下降。

在这项研究中，柱状多晶硅太阳能晶片被广泛应用，因为它具有极好的晶体结构：长的，晶体生长沿一个方向增殖的均匀晶粒。即使晶粒之间的位错密度有明显差别，但晶粒内部的位错密度是均匀的。当沿着晶相生长方向垂直切柱状多晶硅锭时，长的晶粒被分成两部分，结果沿着两个试样切面边缘出的晶体结构和位错密度是一样的。把两个试样中一个作为参照，另外一个进行加工处理。研究中所用到的多有镜片的两面

都用等离子体增强化学气相沉积法镀Si

3N

4

膜，以减轻高温杂质影响。

把样品装在坩埚中放入到莫来石（Al

4Si

3

）管炉中，然后加热温度大

概呈20℃/min线性增加，这取决于最后的退火温度。

图.1 光学显微镜展现了高温退火可以降低位错密度的可能性，来自同一硅锭中的两个相邻的硅片是位错密度腐蚀展现出了位错腐蚀坑，顶部的硅片采用1366℃处理6小时（a），随着位错的进行，采取的一个完整的热处理方式，（b）未经退火处理的底部硅片，这是从同一硅锭上腐蚀后得到的参照硅片。

所有样品用一定温度退火一定时间。由于时间温度关系是非线性会有位错的生成和滑移，，谨慎的按冷却表中温度时间关系线性下降至900℃，这时候温度低于T

，冷却速率应该设定在大约7℃/min，然后按此思路冷却至900℃，此后可以稍微减低速率。

用湿法化学腐蚀可以去除退火试样和参照试样上的涂层。先用体积比为9：0：1（硝酸：醋酸：氢氟酸）的混合物清洗，然后用在sopori器皿中搅动30S，然后在9：0：1的混合物中冷却。这个流程会形成小（直径<5μm）孔，并且小孔位于位错横穿硅片的表面。试样通过可视显微镜观察并通过图像软件查出位错。

带状多晶硅试样在1366℃退火6小时会明显减少位错，同时一些现行特征的迁移可能是挛晶或亚晶界。图1（a）和图2（a）中显示位错密度

比参照试样(图1（b ）)减低了至少95%。1233℃进行中温退火6小时的试样（图2（b ））使得一些位错消失，但是并达不到在1366℃的退火试样（图2（a ））中的标准。在1100℃退火6小时的试样与未退火处理的参照试样相差很小，如果有差别的话，就是位错的滑移或消失。

图3表中试样在各种情况下退火处理和他们相对应的位错密度下降百分数可以表示为：

位错密度的减少量=。

ρρ-1 ρ是最终（退火处理后）位错密度，ρ0是初始（未退火）位错密度，

不同初始位错密度的试样在不同时间和温度下退火可以得到反应参数，这个参数对于位错密度减少具有很重要的作用，由Kulmanna 提出的用于冶金等经验公式并由Nes 的精确描述说明位错密度降低是和温度时间有很大的关系。

)1ln(A

B -1t B +≅κρρ。（2） 图.2.是来自三个带硅的样品，分别在（a ）1366℃，(b)1233℃,(c)1100℃退火处理6小时后的图像，较低的硅片，是材料腐蚀后切下的在常温下未经退火处理的试样做参照，1366℃下退火处理很明现降低位错密度，但是在1100℃就基本上

没什么效果。

K B 是波兹曼常数，T 是温度，t 是时间，A 和B 是常数。表3中退火时

间只是表示平稳的保温时间，我温度高于T 0能使总时间延长20-30分钟，

我们的公式也做相应的调整，增加20分钟，尽管这个公式和表3中的实验数据相吻合表达式（2）其实是一个非线性的表达，这个表达式是由Kulmanna 提出并由Nes 做了进一步的发展：位错可以成对湮灭，因此位错密度的降低（1-）自然成为初始密度的一个可变量。特别注意的是这个公式不能详细的解释相关杂质的影响（像），所以，不同类型试样存在一些差别，并且杂质缺陷将会加强散射，这个因素加上1-取决于p0的影响会造成表3中的错误。

影响位错密度降低的最大因素是温度，如图3表达式（2），甚至1366℃退火10分钟时的位错密度降低很多。尽管冷却前进行高温保温阶段对于铸锭中结晶位错密度降低有影响，但是对于晶片和。比面积越大越能促