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1、高光電轉(zhuǎn)換效率,無衰減的太高光電轉(zhuǎn)換效率,無衰減的太陽電池硅單晶的研制陽電池硅單晶的研制 曾世銘曾世銘1馮馮1,蔣建華,蔣建華1,蔡岳峰,蔡岳峰1,汪義川汪義川2,李劍李劍2,黃治國,黃治國21常州美晶太陽能材料有限公司,江蘇。常州美晶太陽能材料有限公司,江蘇。2尚德電力控股有限公司,江蘇,無錫。尚德電力控股有限公司,江蘇,無錫。 報告內(nèi)容n1.1.概述概述 n2.2.工藝原理工藝原理n3.3.單晶拉制實(shí)驗(yàn)單晶拉制實(shí)驗(yàn)n4.4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果, ,討論以及結(jié)論討論以及結(jié)論 n5.結(jié)語結(jié)語1.概述 近年來,太陽電池工業(yè)的迅猛發(fā)展致使制備單晶硅的原材料供應(yīng)十近年來,太陽電池工業(yè)的迅猛發(fā)展致使制備
2、單晶硅的原材料供應(yīng)十分緊張,加之大部分的硅單晶生產(chǎn)廠家是新參與者,不太了解硅的分緊張,加之大部分的硅單晶生產(chǎn)廠家是新參與者,不太了解硅的質(zhì)量與太陽電池性能之間的關(guān)系,因而饑不擇食地購入了大量的垃質(zhì)量與太陽電池性能之間的關(guān)系,因而饑不擇食地購入了大量的垃圾原料諸如:極低阻的重?fù)焦枇希粓宓琢?;薄鍍膜片,彩片;電池圾原料諸如:極低阻的重?fù)焦枇?;堝底料;薄鍍膜片,彩片;電池廢片等雜料,誤認(rèn)為可通過型號補(bǔ)償以及化學(xué)物理法處理后,只要廢片等雜料,誤認(rèn)為可通過型號補(bǔ)償以及化學(xué)物理法處理后,只要湊合太陽電池所需型號和電阻率的要求,拉成單晶,甚至連少子壽湊合太陽電池所需型號和電阻率的要求,拉成單晶,甚至連少子壽
3、命都不測,就提供給用戶制作太陽電池,必然造成電池的轉(zhuǎn)換效率命都不測,就提供給用戶制作太陽電池,必然造成電池的轉(zhuǎn)換效率不高,不穩(wěn)定,經(jīng)光照后效率大為衰減的問題。近年來,國內(nèi)外的不高,不穩(wěn)定,經(jīng)光照后效率大為衰減的問題。近年來,國內(nèi)外的科學(xué)家和資料紛紛報道,應(yīng)著重于關(guān)注原材料的純度,特別是壽命科學(xué)家和資料紛紛報道,應(yīng)著重于關(guān)注原材料的純度,特別是壽命殺手的重金屬,貴金屬的含量;氧的控制及硼氧復(fù)合體;拉晶過殺手的重金屬,貴金屬的含量;氧的控制及硼氧復(fù)合體;拉晶過程中的工藝控制等方面的問題。程中的工藝控制等方面的問題。 n 施正榮博士,楊德仁教授和施正榮博士,楊德仁教授和Ines Rutsachman
4、 等人指出解決轉(zhuǎn)等人指出解決轉(zhuǎn)換效率低的關(guān)鍵是原料的純度以及采用以下三個方法:換效率低的關(guān)鍵是原料的純度以及采用以下三個方法:1.可降低和控制單晶氧含量的磁場直拉法(可降低和控制單晶氧含量的磁場直拉法(MCZ法)。法)。2.用鎵或銦元素取代硼作為用鎵或銦元素取代硼作為P型摻雜劑的拉晶方法。型摻雜劑的拉晶方法。3.采用磷合金作為采用磷合金作為N型摻雜劑的拉晶方法。型摻雜劑的拉晶方法。n對這三種方法的普遍認(rèn)知是:對這三種方法的普遍認(rèn)知是:MCZMCZ法雖能控制和降低單晶中的氧法雖能控制和降低單晶中的氧含量,但是需要配置磁場設(shè)備并提供其激磁電源,必然增加成本。含量,但是需要配置磁場設(shè)備并提供其激磁電
5、源,必然增加成本。而第二種方法中由于鎵和銦的分凝系數(shù)問題,使單晶頭尾間的軸而第二種方法中由于鎵和銦的分凝系數(shù)問題,使單晶頭尾間的軸向電阻率變化太大,使得實(shí)施起來很復(fù)雜,不利于工業(yè)化生產(chǎn)。向電阻率變化太大,使得實(shí)施起來很復(fù)雜,不利于工業(yè)化生產(chǎn)。使用磷摻雜的使用磷摻雜的N N型單晶,必須要改變電池制作工藝。型單晶,必須要改變電池制作工藝。 經(jīng)過探討,經(jīng)過探討,我們還是選定了摻鎵的單晶拉制工藝。我們還是選定了摻鎵的單晶拉制工藝。2. 工藝原理n 眾所周知鎵的分凝系數(shù)是眾所周知鎵的分凝系數(shù)是8 X 103,而銦的是,而銦的是4 X 104,的確大大小于硼的分凝系數(shù),的確大大小于硼的分凝系數(shù)8 X 10
6、1。 表面表面看來摻鎵或銦的硅單晶軸向電阻率控制必然比摻硼的看來摻鎵或銦的硅單晶軸向電阻率控制必然比摻硼的難度大些,也復(fù)雜些。但是太陽電池對單晶電阻率的難度大些,也復(fù)雜些。但是太陽電池對單晶電阻率的數(shù)值和分布范圍要求比較寬松,例如數(shù)值和分布范圍要求比較寬松,例如0.56.0歐姆厘歐姆厘米。因此這就不會成為問題。米。因此這就不會成為問題。 n分凝公式:分凝公式: C = KC( 1 X )K-1式中:式中:C 單晶中雜質(zhì)濃度單晶中雜質(zhì)濃度 K 雜質(zhì)分凝系數(shù)雜質(zhì)分凝系數(shù) C硅熔體中雜質(zhì)的原始濃度硅熔體中雜質(zhì)的原始濃度 X 從硅熔體中拉制出的單晶重量占熔體重量從硅熔體中拉制出的單晶重量占熔體重量的百
7、分比的百分比n套用分凝公式將摻硼單晶和摻鎵單晶的軸向電阻率分套用分凝公式將摻硼單晶和摻鎵單晶的軸向電阻率分布數(shù)據(jù)經(jīng)布數(shù)據(jù)經(jīng)n計算后列于下表:(目標(biāo)電阻率為計算后列于下表:(目標(biāo)電阻率為2歐姆厘米)歐姆厘米)n結(jié)晶百分?jǐn)?shù)結(jié)晶百分?jǐn)?shù) 摻硼單晶電阻率摻硼單晶電阻率 摻鎵單晶電阻率摻鎵單晶電阻率n 0 2.0 歐姆厘米歐姆厘米 2.0歐姆厘米歐姆厘米n 10 1.97歐姆厘米歐姆厘米 1.9歐姆厘米歐姆厘米n 20 1.93歐姆厘米歐姆厘米 1.6歐姆厘米歐姆厘米n 30 1.89歐姆厘米歐姆厘米 1.45歐姆厘米歐姆厘米n 40 1.83歐姆厘米歐姆厘米 1.25歐姆厘米歐姆厘米n 50 1.78歐
8、姆厘米歐姆厘米 1.05歐姆厘米歐姆厘米n 60 1.70歐姆厘米歐姆厘米 0.85歐姆厘米歐姆厘米n 70 1.60歐姆厘米歐姆厘米 0.67歐姆厘米歐姆厘米n 80 1.48歐姆厘米歐姆厘米 0.50歐姆厘米歐姆厘米n 90 1.30歐姆厘米歐姆厘米 0.27歐姆厘米歐姆厘米n從以上數(shù)據(jù)得知摻鎵單晶的軸向電阻率分布比摻硼的從以上數(shù)據(jù)得知摻鎵單晶的軸向電阻率分布比摻硼的寬一些,但是寬一些,但是85的單晶重量仍然位于的單晶重量仍然位于0.52.0歐姆歐姆厘米的范圍內(nèi),是可以規(guī)?;a(chǎn)這種硅單晶的。厘米的范圍內(nèi),是可以規(guī)?;a(chǎn)這種硅單晶的。3. 單晶拉制實(shí)驗(yàn)(1)實(shí)驗(yàn)用設(shè)備和檢測儀器:)實(shí)驗(yàn)用
9、設(shè)備和檢測儀器:A.單晶爐:常州華盛天龍公司生產(chǎn)的單晶爐:常州華盛天龍公司生產(chǎn)的85型單晶爐,采用型單晶爐,采用18”石墨熱場和石墨熱場和18”石英坩堝,裝料量為石英坩堝,裝料量為60公斤硅。公斤硅。B.氧碳含量測試儀:氧碳含量測試儀:NICOLET6700型紅外光譜儀。型紅外光譜儀。C.少子壽命測試儀:少子壽命測試儀:WT1000型。型。D.電阻率測試儀:電阻率測試儀:BD86A型。型。E電阻率及型號分選儀:電阻率及型號分選儀:SRTT型。型。(2)硅原料,摻雜劑及單晶,晶片規(guī)格:)硅原料,摻雜劑及單晶,晶片規(guī)格:A. 硅原料:美國硅原料:美國MEMC多晶硅。多晶硅。B. 摻雜劑:摻雜劑:7
10、 N 的高純鎵。的高純鎵。C. 硅單晶:硅單晶:6”,P型,型,0.5 6.0 歐姆厘米,歐姆厘米,10微秒。微秒。D硅晶片:硅晶片:125 X 125 毫米,厚度毫米,厚度20010微米。微米。(3)拉晶實(shí)驗(yàn):)拉晶實(shí)驗(yàn): 將將60公斤硅多晶裝入石英坩堝中,采公斤硅多晶裝入石英坩堝中,采用減壓氬氣下拉晶,壓力用減壓氬氣下拉晶,壓力1300Pa.晶轉(zhuǎn)為晶轉(zhuǎn)為12 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分,分,堝轉(zhuǎn)為堝轉(zhuǎn)為8轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分,拉速為分,拉速為1.1毫米毫米/分分 0.6毫米毫米/分。分。連續(xù)開了連續(xù)開了4爐,拉出爐,拉出 4根完整單晶,長度均為根完整單晶,長度均為1200毫毫米左右。米左右。4根硅單晶的編號分別為:根硅
11、單晶的編號分別為:SGMJ/P06-3-35-6SD; SGMJ/P06-4-35-1SD; SGMJ/P06-4-35-2SD; SGMJ/P06-4-35-3SD;(4) 單晶測試:將單晶切斷,取頭尾片測量導(dǎo)電型號;單晶測試:將單晶切斷,取頭尾片測量導(dǎo)電型號;電阻率;電阻率; 少子壽命;氧碳含量等數(shù)據(jù)。少子壽命;氧碳含量等數(shù)據(jù)。(5)晶片加工:切方,滾磨及切片)晶片加工:切方,滾磨及切片 將物理檢測合格后的晶體加工成將物理檢測合格后的晶體加工成125 X 125 毫米毫米的準(zhǔn)方形的準(zhǔn)方形 厚度厚度20020 微米的晶片微米的晶片12790片,送到尚德公片,送到尚德公司進(jìn)行太陽電池制備以及有
12、關(guān)的電池轉(zhuǎn)換效率和光衰司進(jìn)行太陽電池制備以及有關(guān)的電池轉(zhuǎn)換效率和光衰減的實(shí)驗(yàn)。減的實(shí)驗(yàn)。4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果,討論以及結(jié)論n(1)單晶物理參數(shù)測試數(shù)據(jù):(壽命值為尚德公司提供)單晶物理參數(shù)測試數(shù)據(jù):(壽命值為尚德公司提供)晶體編號晶體編號 頭頭/尾電阻率尾電阻率 頭頭/尾氧含量尾氧含量 頭頭/尾碳含量尾碳含量 頭頭/尾壽命尾壽命 () ( X 1017) ( X 1016) (s)03-35-06 1.1/0.3 9.3/11.7 0.27/0.96 187/4904-35-01 1.6/0.3 9.3/10.0 0 / 0.16 255/3104-35-02 1.9/0.3 9.3/9.80 0.
13、26/0.54 448/2904-35-03 1.7/0.3 9.9/9.80 0.3 /0.56 207/48(2)晶片分類數(shù)據(jù)(尚德公司提供):)晶片分類數(shù)據(jù)(尚德公司提供):電阻率電阻率 0.2-0.5 0.5-0.9 0.9-1.6 (-) (-) (-)硅片數(shù)硅片數(shù)(片片)1974 5101 5715分布率分布率() 15.34 39.31 44.68太陽電池轉(zhuǎn)換效率及光衰減數(shù)據(jù)(尚德公司提供):太陽電池轉(zhuǎn)換效率及光衰減數(shù)據(jù)(尚德公司提供):電阻率(電阻率(-) 轉(zhuǎn)換效率()轉(zhuǎn)換效率() 光衰減率()光衰減率() 0.2 - 0.5 17.33 0.49 0.5 0.9 17.37
14、0.89 0.9 1.6 17.65 0.62 全部平均全部平均 17.57 0.67 注:光衰減率是在注:光衰減率是在4小時內(nèi),一個太陽光強(qiáng)下測試的。小時內(nèi),一個太陽光強(qiáng)下測試的。n 根據(jù)電池專家的意見,光衰減率根據(jù)電池專家的意見,光衰減率2屬于檢測誤差屬于檢測誤差范圍內(nèi),可視為無衰減。正如拉制無位錯單晶并非是范圍內(nèi),可視為無衰減。正如拉制無位錯單晶并非是零位錯的,而是位錯密度零位錯的,而是位錯密度300CM-2的單晶可視為無的單晶可視為無位錯的。位錯的。n結(jié)論結(jié)論: 從測試結(jié)果得知:用鎵代替硼作為摻雜劑來從測試結(jié)果得知:用鎵代替硼作為摻雜劑來拉制太陽電池單晶,可以提高電池的轉(zhuǎn)換效率和降低拉
15、制太陽電池單晶,可以提高電池的轉(zhuǎn)換效率和降低光衰減問題(因?yàn)楸苊饬伺鹧鯊?fù)合體嚴(yán)重影響光衰光衰減問題(因?yàn)楸苊饬伺鹧鯊?fù)合體嚴(yán)重影響光衰減率的深能級的產(chǎn)生)。從拉制單晶的角度來看,制減率的深能級的產(chǎn)生)。從拉制單晶的角度來看,制備難度并不大,值得在生產(chǎn)中推廣。備難度并不大,值得在生產(chǎn)中推廣。 5. 結(jié)語n1)除去使用)除去使用MEMC的多晶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)外,我們還使用的多晶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)外,我們還使用了國產(chǎn)多晶硅摻鎵的實(shí)驗(yàn)。共向尚德公司提供了了國產(chǎn)多晶硅摻鎵的實(shí)驗(yàn)。共向尚德公司提供了5514片片125 X 125mm的晶片,制成的太陽電池的轉(zhuǎn)換效的晶片,制成的太陽電池的轉(zhuǎn)換效率平均為率平均為17以上,經(jīng)以上,經(jīng)4小時一個太陽下光照后,其小時一個太陽下光照后,其衰減率平均為衰減率平均為1,也可視為高轉(zhuǎn)換效率,無衰減的。,也可視為高轉(zhuǎn)換效率,無衰減的。n2)近幾個月來我們用國產(chǎn)多晶,采用摻鎵工藝共向用)近幾個月來我們用國產(chǎn)多晶,采用摻鎵工藝共向用戶提供了近戶提供了近200萬片晶片,用戶反映良好。萬片晶片,用戶反映良好。n3)我們也使用)我們也使
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