非金屬材料專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文）外文翻譯太陽能級多晶硅長晶速率和雜質(zhì)分布

1、太陽能級多晶硅的長晶速率和雜質(zhì)分布摘要 在工業(yè)規(guī)模的多晶鑄錠爐中，定向凝固法鑄造多晶硅的長晶速率是由固液界面位置變化情況決定的。兩個實驗讓硅從底部以接近平直的固液界面垂直向上生長，凝固完后以不同的速率冷卻。發(fā)現(xiàn)410-6 米/秒的平均凝固速率和從坩堝底部溫度的計算值相吻合。檢測多晶硅錠生長方向上的碳氧分布和少子壽命。在兩塊多晶硅錠中，碳的分布是很相似的，它在多晶硅錠中間位置的濃度大約都是4ppma。緩慢冷卻時發(fā)現(xiàn)多晶硅錠中有更高的氧濃度。這是由于涂層質(zhì)量差增加了坩堝中氧向熔硅中的擴(kuò)散導(dǎo)致的結(jié)果?？焖倮鋮s的多晶硅錠的少子壽命被發(fā)現(xiàn)是大約10m，然而緩慢冷卻的少子壽命只有2m.緩慢冷卻具有較低的少

2、子壽命可能是由鐵從坩堝向熔體中擴(kuò)散導(dǎo)致的結(jié)果。 2005年b.v出版社版權(quán)所有關(guān)鍵詞：定向凝固，多晶硅，凝固速率，雜質(zhì)分，少子壽命1簡介 多晶硅是太陽能電池制造中最常用的材料，它占到全球太陽能光伏組件的50%以上。定向凝固法是鑄造太陽能級多晶硅的常用方法。它的原理是硅料熔化后把熱量從坩堝底部抽出，進(jìn)而形成接近平直的固液界面從底部開始凝固。大部分雜質(zhì)被分離到硅錠頂部，并且最后的晶體結(jié)構(gòu)主要是平行于晶體生長方向的大柱狀晶粒。 太陽能級多晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率一般在12%15%這個范圍。光電轉(zhuǎn)換效率主要是由位錯間少數(shù)載流子的復(fù)合以及晶粒內(nèi)的缺陷例如雜質(zhì)、小的原子集團(tuán)或者沉淀限制的。由于單純位錯間的復(fù)合被

3、認(rèn)為是相對較弱的，這也就暗示了這些區(qū)域的金屬雜質(zhì)和沉淀是增強(qiáng)再結(jié)晶能力的原由。 眾所周知，多晶硅凝固過程嚴(yán)重影響著電池片的光電轉(zhuǎn)換效率。多晶硅的凝固決定著材料的結(jié)構(gòu)，而且快速冷卻凝固被認(rèn)為影響著硅錠的位錯密度，固液界面的曲率可能影響著晶體的形態(tài)和雜質(zhì)在硅錠中的位置。碳和氧還有氮是多晶硅中主要的雜質(zhì)。碳主要來源于熔爐中的隔熱和加熱器件，而氧主要來源于石英坩堝向熔體的擴(kuò)散。本文介紹的實驗是為了確定在工業(yè)布里奇曼熔爐中定向凝固法鑄造多晶硅的長晶速率，并且確立冷卻速率對由位錯密度影響的少數(shù)載流子壽命的影響。長晶速率也可以由坩堝下方熱電偶的溫度測量值去計算。對這兩項實驗的多晶硅錠進(jìn)行了表征以確定多晶硅錠

4、生長方向上的碳氧分布。2 實驗流程2.1 凝固過程 實驗是在挪威理工大學(xué)的一爐鑄造12千克多晶硅感應(yīng)電磁爐中進(jìn)行的。鑄造出的多晶硅錠加工成直徑25厘米，高度10厘米的圓柱體。在一個用氮化硅涂層的石英坩堝內(nèi)加入硼獲得p型的多晶硅。氮化硅涂層的主要目的是防止在凝固過程中熔硅粘到石英坩堝上，并且使從坩堝向熔硅中的氧擴(kuò)散最小化。硅是從底部以接進(jìn)平直的固液界面生長的。熔化多晶硅和控制結(jié)晶的溫度是由位于底部和四周的加熱器提供的。多晶硅的結(jié)晶是溫度降低的同時伴隨著石英坩堝底部的散熱器的緩慢打開。散熱器是由在隔熱筒里面的水冷回路構(gòu)成的。從而增加從多晶硅熔體的熱量散失。生長過程中每間隔20分鐘3個石英棒被插入熔

5、體的不同的位置，以識別固液界面的位置。這使控制多晶硅凝固速率和固液界面的曲率成為了可能。在第一項研究中，定向凝固完成后迅速關(guān)閉電源，導(dǎo)致在1.8小時內(nèi)使加熱器的溫度由1713k到1373k的迅速降低。在第二項實驗中，凝固完成后控制冷卻速率為323k/h進(jìn)行冷卻。在溫度為1373k時關(guān)閉電源。 2.2 特征描述 對從每一爐取出的樣品進(jìn)行進(jìn)一步的分析。多晶硅中心部分保留用作試樣的加工（10cm10cm），并且對多晶硅中心外的5cm進(jìn)行進(jìn)一步的檢測。圖片1顯示的是檢測的樣品。首先將一個兩厘米厚的樣品切割然后經(jīng)過進(jìn)一步的加工成厚度約為2毫米的樣品。樣品的高度和多晶硅錠的高度是等價的，因此對多晶硅錠的性

6、能隨生長方向的變化進(jìn)行了研究。切割過程中去除樣品底部的部分。傅立葉變換紅外光譜儀用來測量多晶硅錠中的碳氧含量。傅立葉變換紅外光譜儀可測量替代位氧濃度和間隙氧濃度分別從0.1ppma和0.2ppma到它們在硅中的最大溶解度。這些測量是在個表面拋光的2mm厚的樣品上進(jìn)行的，并用標(biāo)準(zhǔn)的測量在來兩個多晶硅錠的生長方向進(jìn)行碳氧含量的測量。準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)衰減儀被用來測量多晶硅錠中的少子壽命，這些測量是在2cm厚的樣品上進(jìn)行的。圖1.從上面觀察用于進(jìn)一步分析多晶硅錠試樣的位置。表1.熱量分別在硅（si，s），坩堝（cr），石墨（g）中的熱傳導(dǎo)3. 結(jié)果3.1 凝固假設(shè)熱量是從坩堝底部輻射出去的，則凝固的界面位

7、置可以通過一個樣品的熱傳導(dǎo)模型計算出來。 當(dāng)假設(shè)所有的界面具有相同的區(qū)域a（圖2）在固體硅，石英坩堝以及坩堝底部石墨絕緣材料的熱傳導(dǎo)可以用表1來表示。圖2. 系統(tǒng)的溫度和厚度變化曲線圖3. 凝固高度的計算值和測量值隨時間的變化曲線聯(lián)立公式（1）（3）并且假設(shè)qsi,s=qcr=qg=q,可以得出下面的公式在凝固過程中假定熱傳導(dǎo)系數(shù)是不同的，冷卻溫度tp是用熱電偶測量的。經(jīng)過結(jié)晶的固態(tài)硅的熱傳導(dǎo)可以表達(dá)為 h是硅的熱焓，si是硅的密度，msi是硅的摩爾質(zhì)量,v是硅的長晶速率，假設(shè)公式4=公式5，則下面的公式可以計算出多晶硅的長晶速率在假設(shè)熔體沒有過熱的情況下公式6是忽略第二種情況的簡化，tsh=

8、0。在公式6中。石英坩堝的導(dǎo)熱系數(shù)是不定的，并且kcr是不變的。它也表明了熱傳導(dǎo)系數(shù)是由坩堝涂層厚度和密度決定的事實。因此，在兩種不同的傳導(dǎo)計算中很難量化kcr和長晶速率。當(dāng)假設(shè)坩堝的熱傳導(dǎo)系數(shù)是1.2w/m時計算的晶體生長高度與凝固過程的測量值是相符合的，如圖3所所測得的凝固程度隨時間的變化在兩個實驗中是很相似的，表明系統(tǒng)熱力學(xué)條件穩(wěn)定、重現(xiàn)性好。平均速率410-6米/秒是計算出的測量值。 在這兩項實驗中多晶硅錠生長過程的界面曲率都是中心到兩側(cè)大約5mm高度差別的凸形界面。圖4.依據(jù)scheil公式計算出的在多晶硅錠生長方向的碳含量分布 3.2 碳氧含量 如圖4，由于氧的偏析和在凝固過程超過

9、它在硅中的溶解度使氧的含量在晶體生長方向上是增加的。這導(dǎo)致sic的沉淀，并且使這兩個多晶硅錠的碳含量測量值偏離真實的碳濃度，這是由于傅立葉變換紅外光譜只能測量替代位的碳濃度。這兩個多晶硅錠的碳分布是很相似的，在硅錠中心部位的濃度大約都是4ppma。假定碳的分凝系數(shù)是 0.058，則碳的濃度可以通過scheil方程計算出來。假設(shè)一開始碳的濃度為1.7ppma，實測的碳濃度和用scheil公式描繪出的濃度分布剖面圖是相吻合的。 氧的分布情況是由3種機(jī)制決定：坩堝向熔體中的氧擴(kuò)散，定向凝固的排雜效應(yīng)，與從熔體表面的蒸發(fā)效應(yīng)。在兩塊多晶硅錠中都是底部的氧濃度相當(dāng)高并且從底部到頂部是減少的，如圖5所示。

10、導(dǎo)致硅錠下面部分濃度高的原因是從坩堝向熔體中的氧擴(kuò)散。由于凝固過程減小了石英坩堝和熔體的接觸面，并且在固體硅中緩慢的氧擴(kuò)散提供了較少的空位。在凝固過程中氧從熔體的表面蒸發(fā)并且這種蒸發(fā)效應(yīng)是一個恒定的常數(shù)。因此在多晶硅的生長方向上氧將是一個減少的趨勢。緩慢冷卻的多晶硅錠具有高的氧濃度的主要是由較差坩堝涂層質(zhì)量引起較多的氧擴(kuò)散到硅中引起的。圖5. 氧含量沿多晶硅錠生長方向的分布曲線圖6. 少子壽命估算值沿多晶硅錠生長方向的分布曲線3.3壽命測試用于估算界面再結(jié)晶的時間的少數(shù)載流子壽命如圖6所示。采用緩慢冷卻的多晶硅錠的少數(shù)載流子壽命是快速冷卻多晶硅錠少數(shù)載流子壽命的五分之一。4. 討論采用石英棒測

11、試固液界面的位置可能會增加熔體中的氧濃度。這些實驗也證明了涂層對氧濃度的巨大影響。凝固完成后通過目測多晶硅錠顯示多晶硅錠周圍的坩堝碎片具有很高的氧濃度，如圖7所示。這表明在實驗過程中坩堝和熔硅之間有直接接觸，導(dǎo)致了多晶硅錠中的氧濃度等級的提高。 傅立葉變換紅外光譜儀的測試值是由樣品的電阻率決定的。對于電阻率為1歐姆到3歐姆之間的p型半導(dǎo)體適合用傅立葉變換紅外光譜測試。這個偏差在一定程度上影響著結(jié)果，但雜質(zhì)分布情況和在兩個多晶硅錠之間的比較提供有價值的信息?？焖倮鋮s和緩慢冷卻的樣品的少子壽命測試值存在著很大的差異。最高的少子壽命是在緩慢冷卻的多晶硅錠中發(fā)現(xiàn)的。這是和預(yù)期的快速冷卻速度將會產(chǎn)生更多

12、的應(yīng)力進(jìn)而產(chǎn)生更多的位錯是相反的。比較圖5和圖6我們會發(fā)現(xiàn)，如果不顧多晶硅錠頂部幾乎一樣的氧濃度，它們的少子壽命的偏差是不同的。然而，緩慢冷卻的多晶硅錠的較低的電子壽命并不是由高的氧濃度的導(dǎo)致的。這些實驗中用的石英坩堝一般含有0.1%的fe3o4,并且表明鐵對多晶硅錠的少子壽命有很大程度上的影響。緩慢冷卻的多晶硅錠具有較低的少子壽命的一個原因也許是因為較多氧從石英坩堝中擴(kuò)散到硅中。同樣，較差的涂層質(zhì)量導(dǎo)致更多的氧從坩堝中擴(kuò)散到熔體，從而使多晶硅錠具有較低的少子壽命。在兩個多晶硅錠中的氧含量的檢測應(yīng)該進(jìn)行來確定這一點。在實驗中，多晶硅凝固后設(shè)定冷卻速率為常用值473k/h，但是實際的冷卻速率會有

13、所降低，原因是系統(tǒng)中的熱量不可能那么快的排出。當(dāng)在1373k的溫度下退火1小時可降低多晶硅錠中位錯密度。實驗用一種更加標(biāo)準(zhǔn)的冷卻曲線比較了用快速冷卻鑄造的多晶硅錠和緩慢冷卻鑄造多晶硅錠的少子壽命，它看起來凝固后快速的冷卻速度并不會降低電子壽命。然而，進(jìn)一步的實驗需進(jìn)行來支持這一理論。圖7. 較差坩堝涂層引起的粘鍋5 結(jié)論 用于太陽能電池片制造的硅是用定向凝固法生長的。在多晶鑄錠爐中有著穩(wěn)定的熱力學(xué)條件的情況下，兩個實驗中多晶硅長晶高度隨時間變化的函數(shù)是很相似的。平均凝固速率確定是大約是410-6米/秒，這個速率與從坩堝底部的溫度測量值的計算吻合的較好。凝固過程中固液界面的曲率是稍凸的。在多晶硅錠的生長方向上發(fā)現(xiàn)碳含量是逐漸增加的，這是由于氧的分凝引起的。并且在多晶硅錠的中間部分碳的濃度為4ppma。在兩個多晶硅錠中的碳分布是很相似的。在緩慢的冷卻的多晶硅錠中發(fā)現(xiàn)具有比快速冷卻的多晶硅錠更高的氧濃度。這是由于較差涂層增加從坩堝向熔體的氧擴(kuò)散導(dǎo)致的。從坩堝底部的氧擴(kuò)散使多晶硅錠的底部具有較高的濃度，從而減少了硅錠頂部氧從熔體表面的蒸發(fā)的濃度。快速冷卻的多晶硅錠的少子壽命的測量值大約是10s。緩慢冷卻的材料具有較低的少子壽