镓晶体硅技术推广会————会议报告

会议报告

———尚德新型单晶硅提拉技术推广会议

一、会议情况介绍

2008年8月26日上午9点，国内30多家单晶硅供应商应尚德之邀聚会无锡，参加单晶硅棒提拉技术推广会议。其中包括江苏顺大、镇江环太、苏州阿特斯、江阴海润、南京晶威、洛阳单晶硅等省内外代表企业。

此次会议是尚德公司继去年12月中国光伏产业国际竞争力高峰论坛上，尚德公司副总经理张光春的报告（《太阳能电池和组件的电性能光致衰减的实例与分析》）的基础上，对于掺镓单晶硅太阳能电池的研究进展的进一步推进。尚德CEO施正荣建议硅片企业共同研究掺镓单晶硅太阳能电池，一起推进行业进步，并且提出到2008年底实现掺镓代替掺硼p型硅的设想。尚德拟在此次会议两个月之后，再组织一次会议，就掺镓单晶硅的提拉技术展开行业内的技术交流和讨论。

二、会议主要内容

在推广会上，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（如：GE公司的组件早期衰减率控制在不超过3%）。掺镓太阳能电池可以解决P型Cz硅电池的衰减问题。

然而由于镓的分凝系数较小（只有0.008），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。而在本次会议，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。

三、技术及工艺分析

1、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（图1）。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。

图1：掺硼Cz硅太阳电池的光衰减和退火行为

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2 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。

图2：硼氧复合体引起的光衰减和退火行为物理机制示意图

（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（如图3），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，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（如图4），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。

图3：替位态的受主原子

图4：掺镓p型太阳嫩电池抗衰减原理

（3）掺镓太阳能电池的技术瓶颈

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，C L为熔硅中镓浓度，k为杂质分凝系数0.008。

Cs=k*C L *（1-g）k-1 （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。

2、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。

3、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。

采用高纯镓为掺杂原料，通过优化拉晶工艺，可得到纵向电阻率变化不大，能够用于太阳电池的掺镓单晶棒。表1是掺镓单晶单晶纵向电阻率变化与掺硼单晶纵向电阻率变化比较。从表1可以看出，掺镓单晶的轴向电阻率分布比掺硼的宽一些，但是85％的单晶重量仍然位于0.5－2.0 欧姆厘米的范围内，掺镓单晶硅是可以规模化生产的。

表 1 单晶棒纵向电阻率变化

结晶百分数掺硼单晶电阻率

Ω*cm 掺镓单晶电阻率

Ω*cm

～0％ 2.0 2.0

10％ 1.97 1.9

20％ 1.93 1.6

30％ 1.89 1.45

40％ 1.83 1.25

50％ 1.78 1.05

60％ 1.70 0.85

70％ 1.60 0.67

80％ 1.48 0.50

90％ 1.30 0.27

(2) 电池效率

研究表明电阻率为0.2-0.5Ω*cm，0.5-0.9Ω*cm ，0.9-1.9 Ω*cm 的三组掺镓电池片都具有较高的性能。如表2. 送外检测结果表明，这些电池片的电池效率可达17.4%，17.5%。

表2：掺镓电池片性能参数表