太阳电池材料.docVIP

第11章 太阳电池材料 1.目前，单晶硅的直拉法生长已是单晶硅制备的主要技术，也是太阳电池用单晶硅的主要制备方法。 直拉单晶炉的最外层是保温层，里面是石墨加热 器；在炉体下部有一石墨托，固定在支架上，可以上 下移动和旋转，在石墨托上放置圆柱形的石墨坩埚， 在石墨坩埚中置有石英坩埚，在坩埚的上方，悬空放 置籽晶轴，同样可以自由上下移动和转动。所有的石 墨件和石英件都是高纯材料，以防止对单晶硅的污染。 在晶体生长时，通常通入低压的氢气作为保护气，有 时也可以用氮气，或氮气和氢气的混合气作为直拉晶 体硅生长的保护气。 2.直拉单晶硅的制备工艺一般包括:多晶硅的装料 和熔化、种晶、缩颈、放肩、等径和收尾。 装料：首先将高纯多品硅粉碎至适当的大小，并在 硝酸和氢氟酸的混合酸液中清洗外表面硅原料以除去 可能的金属等杂质，然后放入高纯的石英坩埚中。对于 高档多晶，可以不用粉碎和清洗而直接应用。在装料时， 要注意多晶硅放置的位置，不能使石英坩埚底部有过多 的空隙。 种晶：多晶硅熔化后，需要保温一段时间，使熔硅的 温度和流动达到稳定，然后再进行晶体生长。在硅晶体 生长时，首先将单晶籽晶固定在旋转的籽晶轴上，然后 将籽晶缓缓下降，距液面数毫米处暂停片刻，使籽晶温度尽量接近熔硅温度，以减少可能的热冲击；接着将籽晶轻轻浸入熔硅，使头部首先少量溶解、然后和熔硅形成一个固液界面；随后籽晶逐步上升，与籽晶相连并离开固液界面的硅温度降低，形成单晶硅，此阶段称为“种晶”。籽晶制备后，需化学抛光，除去表面损伤和可能的金属污染。 缩颈：去除了表面机械损伤的无位错籽晶，虽然本身不会再新生长的晶体硅中引入位错，但是在籽晶刚碰到液面时，由于热振动可能在晶体中产生位错，这些位错甚至能够延伸到整个晶体。“缩颈”技术的出现，使得可以生长出无位错的单晶硅。 “种晶”完成以后，籽晶应快速向上提升，晶体生长速度加快，新结晶的单晶硅的直径将比籽晶的直径小，可达到3mm左右，其长度约为此时晶体直径的6-10倍，称为“缩颈”阶段。但是，缩颈时单晶硅的直径和长度受到所要生长单晶硅总重量的限制，如果重量很大，缩颈时的单晶硅的直径就不能很细。 随着晶体硅的直径增大，晶体硅的重量也不断增加，如果晶体硅的直径达到400mm，其重量可达到410多千克。在这种情况下，籽晶能否承受晶体重量而不断裂称为人们关心的问题。尤其是采用“缩颈”技术以后，其籽晶半径最小处只有3mm。最近，有研究者提出利用重掺硼单晶或掺锗的重掺硼单晶作为籽晶，由于重掺硼可以抑制种晶过程中位错的产生和增值，可以采用“无缩颈”技术，同样可以生长位错直拉单晶硅。但这种技术在生产中还未得到证实和应用。 放肩：在“缩颈”完成之后，晶体硅的生长速度大大放慢，此时晶体硅的直径急速增大，从籽晶的直径增大到所需要的直径，形成一个近180°的夹角。此阶段称为“放肩”。 等径：当放肩达到预定晶体直径时，晶体生长速度加快，并保持几乎固定的速度，使晶体保持固定的直径生长。此阶段称为为“等径”。 晶体硅等径生长时，在保持硅晶体直径不变的同时，要注意保持单晶硅的无位错生长。有两个重要因素可能影响晶体硅无位错生长：晶体硅径向的热应力和单晶炉内的细小颗粒。在晶体硅生长时，坩埚的边缘和坩埚的中央存在温度差，有一定的温度梯度，使得生长出的单晶硅的边缘和中央也存在混温度差。 收尾：在晶体硅生长结束时，晶体硅的生长速度再次加快，同时升高硅熔体的温度，使得晶体硅的直径不断缩小，形成一个圆锥形，最终晶体离开液面，单晶硅生长完成，最后的这个阶段称为“收尾”。 单晶硅生长完成时，如果晶体硅突然脱离硅熔体液面，其中断处受到很大的热应力，超过硅中位错产生的临界应力，导致大量位错在界面处产生，同时位错向上部单晶部分方向延伸，延伸的距离一般能达到一个直径。因此，在晶体硅生长结束时，要逐渐缩小晶体硅的直径，直至很小的一点，然后脱离液面，完成单晶硅生长。 硅晶片加工过程：切断(割断〕、滚圆(切方块)、切片和化学腐蚀。 切断又称割断，是指在晶体生长完成后，沿着垂直晶体生长的方向切去晶体硅头尾无用的部分，即头部的籽晶和放肩部分的收尾部分。 滚圆：无论是直拉单晶硅还是区熔单晶硅，由于晶体硅体生长时的热振动、热冲击等原因，晶体表面都不是非常平滑的，也就是说整根单晶硅的直径有一定偏差起伏；而且晶体生长完成后的单晶硅棒表面存在扁平棱线，需要进一步加工，使得整根单晶硅棒的直径达到统一，以便在今后的材料和器件加工工艺中操作。滚圆(切方块)会在晶体硅的表面造成严重的机诫损伤，甚至有微裂纹，而这些损伤会在其后的切片过程中引起硅片的崩边和微裂纹，因此，在滚圆(切方块)后一般要进行化学腐蚀，去除滚圆(切方块)的机械损伤。 切片：在单晶硅滚圆（切方块）工序完成后，需要对单晶硅棒切片。太阳