1、PDF外文：http:/ 出处： Materials Science and Engineering: A, 2005, 413: 545-549 太阳能级多晶硅的长晶速率和杂质分布 R Kvande, Mjs, B Ryningen 摘要 在工业规模的多晶铸锭 炉中，定向凝固法 铸造 多晶硅的长晶速率是由固液界面 位置 变化情况 决定的。两个实验让硅从底部 以 接近平 直 的 固液界面 垂直 向上 生长 ， 凝固完后以不同的速率冷却。 发现 4 10-6 米 /秒 的平均凝固速率 和 从 坩埚底部温度 的计算值相吻合。检测 多晶
2、 硅锭 生长方向上 的 碳氧分布和少子寿命。 在 两块多晶硅锭中，碳的分布是很相似的，它在多晶硅锭中间位置 的浓度大约都是 4ppma。 缓慢冷却时发现多晶硅锭中有更高的氧浓度。这是由于 涂层质量 差增加了坩埚中氧向 熔 硅中的扩散导致的结果。快速冷却的多晶硅锭的少子寿命被发现是大约 10m，然而缓慢冷却的少子寿命只有2m.缓慢冷却具有较低的 少子 寿命可能是由铁从坩埚向熔体中扩散导致的结果。 2005 年 B.V 出版社版权所有 关键词：定向凝固 ， 多晶硅 ， 凝固速率 ， 杂质分 ， 少子寿命 1 简介 &n
3、bsp; 多晶硅 是太阳能电池制造中最常用的材料，它占到全球太阳能光伏组件的 50%以上 。定向凝固法是铸造太阳能级多晶硅的常用方法。它的原理是硅料熔化后把热量从坩埚底部抽出，进而形成接近平 直 的固液界面从底部开始凝固。大部分杂质被分离到硅锭顶部，并且最后的晶体结构 主要是 平行于 晶体生长方向 的大柱状晶粒。 太阳能级多晶硅的光电转换效率一般在 12% 15%这个范围。光电转换效率主要是由位错 间 少数载流子的复合以及晶粒内的缺陷例如杂质、小的原子集团或者沉淀限制的。由于单纯位错间的复合被认为是相对较弱的，这也就暗示了这些区域的金属杂质和沉淀是增强再
4、结晶能力的原由。 众所周知，多晶硅凝固过程严 重影响着 电池片的光电转换效率。多晶硅的凝固决定着材料的结构，而且快速 冷却 凝固 被认为影响着 硅锭 的位错密度，2 固液界面的曲率可能影响着晶体的形态和杂质在 硅锭 中的位置。碳和氧还有氮是多晶硅中主要的杂质。碳主要来源于熔炉中的 隔 热和加热器件，而 氧 主要来源于石英坩埚向熔体的扩散。 本文介绍的实验是为了确定在工业布里奇曼熔炉中定向凝固 法铸造 多晶硅的长晶速率，并且确立 冷却速率对 由 位错密度影响的少数载流子寿命的影响。长晶速率也可以由坩埚下方 热电偶 的温度测量值去计算。 对 这两
5、项实验的 多晶硅锭 进行了表征 以 确定多晶硅锭 生长 方向上的碳氧 分布。 2 实验流程 2.1 凝固过程 实验是在挪威理工大学的一炉铸造 12 千克多晶硅感应 电磁 炉中进行的。铸造出的多晶硅 锭 加工成 直径 25 厘米，高度 10 厘米的圆柱体。在一个用氮化硅涂层的石英坩埚内 加入硼获得 p 型的 多晶硅。氮化硅涂层的主要目的是防止在凝固过程中熔硅粘 到石英坩埚上，并且使从坩埚向熔硅中的氧扩散最小 化 。硅是从底部以接进平 直 的固液界面 生长 的。熔化多晶硅和 控制结晶的温度是由位于底部和四周的加热器提供的。 多晶
6、硅的结晶是温度降低的同时伴随着石英坩埚底部的散热 器 的缓慢打开。散热器是由在隔热筒里面的 水冷回路构成的。 从而增加从多晶硅熔体的热量散失。 生长过程中 每 间隔 20 分钟 3 个石英棒 被插入 熔体的不同的位置，以识别固液界面的位置。这使控制 多晶硅 凝固速率 和 固液界面的曲率成为了可能。在第一项研究中，定向凝固完成后迅速关闭电源，导致在 1.8 小时内使加热器的温度 由 1713K 到 1373K 的迅速降低。 在第二项实验中，凝固完成后控制冷却速率为 323K/h 进行冷却。在温度为 1373K 时关闭电源。 2.2 特征描述 &
7、nbsp; 对从每一炉取出的样品进行 进一步 的分析。多晶硅中心部分保留用作试样的加工（ 10cm 10cm） ，并且对多晶硅中心外的 5cm 进行进一步的检测。图片 1 显示的是 检测的 样品。 首先将一个两厘米厚的样品切割然后经过 进一3 步 的加工 成 厚度约为 2 毫米 的样品 。 样品的高度和 多晶硅锭 的高度是等价的，因此对多晶硅锭的性能随生长方向的变化进行了研究。 切割过程中去除样品底部的部分 。 傅立叶变换红外光谱仪 用来测量多晶硅锭中的碳氧含量。 傅立叶变换红外光谱 仪可测量替代 位 氧浓度和间隙 氧 浓度分别从 0.1ppma 和 0.
8、2ppma 到它们在硅中的最大溶解度。 这些测量是在个表面 抛光 的 2mm 厚的样品上进行的，并用标准的测量在 来两个多晶硅锭的 生长 方向 进行碳氧含量的测量 。准稳态光电导衰减仪 被用来测量 多晶硅锭 中的 少 子寿命，这些测量是在 2cm 厚的样品上进行的。 图 1.从上面观察用于进一步分析多晶硅锭 试 样的位置。 表 1.热量分别 在 硅 （ Si， s） ，坩埚 （ cr） ，石墨 （ g） 中 的热传导 3. 结果 3.1 凝固 假设热量是从坩埚底部辐射出去的，则凝固的界面位置可以通过一个样品的热传导模型计算出来。 当假设所有的界面具有相同的区域 A（ 图 2） 在固体 硅，石英坩埚 以及坩埚底部石墨绝缘材料的热传导可以用表 1 来表示。 图 2. 系统的温度和 厚 度 变化 曲线 图 3. 凝固高度的 计算值和测量值随时间的变化 曲线 联立公式（ 1） （ 3）并且假设 Qsi,s=Qcr=Qg=Q,可以得出下面的公式 在凝固过程中假定热传导系数是不同的，冷却温度 Tp 是用热电偶测量的。经过结晶的固态硅的热传导可以表达为
