掺锗直拉硅中的杂质缺陷及其光伏应用研究

【摘要】： 太阳能发电被认为是解决能源短缺最有效的途径之一,近10年来,其产业规模正以超过30%的速度增长。为了满足大规模的应用,传统晶体硅太阳电池面临着高转化效率,长使用寿命,低制造成本,尤其是薄片化带来的挑战。由于掺Ge能够增强硅片强度,抑制体内空洞型缺陷,促进直拉硅中氧沉淀以及内吸杂能力,特别是能够减少破片和翘曲,使得掺Ge直拉硅具有薄片太阳电池上有很好的应用前景。 本文在本研究组发明的微量掺锗直拉硅单晶生长的基础上,系统地研究了掺Ge直拉硅基于光伏应用的原生材料特性,以及在电池工艺过程中的杂质缺陷行为,不仅具有较强的理论研究意义,而且对实际电池制备和材料应用具有重要的指导作用。其主要创新成果如下: 系统研究了掺Ge直拉硅原生晶体的少子寿命及电学活性中心的分布规律。实验指出:掺Ge能够改变原生晶体中的电活性缺陷(包括热施主和Ge关复合体)的形成规律,并改变少子寿命沿晶体生长方向的分布。通过热施主的形成实验证实:低浓度和高浓度掺Ge都能抑制热施主的形成,随着Ge浓度升高抑制作用更加明显,高浓度掺Ge还能够改变热施主的电学特性,使热施主对应的红外吸收峰转变为吸收带;高温预处理能够改变热施主的形成速率,在低掺Ge直拉硅中,高温RTA分解原生氧沉淀后,热施主的形成能在短期内增强甚至超过普通直拉硅,在随后的热处理中增强效应迅速消失;另外,Ge关复合体对O_(2i)的俘获对抑制热施主形成起主要作用。 系统研究了掺Ge直拉硅原生晶体中BO复合体相关的光照寿命衰减现象。研究证实:掺Ge能够有效减少BO复合体的饱和密度,对硅片的少子寿命起到了稳定的作用。掺Ge不改变O_(2i)的迁移能,但在略高于室温的条件下,BO复合体的稳定性和分解速率和Ge掺杂有关。研究认为:Ge关复合体对O_(2i)的俘获,以及Ge对BO复合体结构的扰动,是减少光照衰减的主要原因。 研究了Fe和Cu沾污的掺Ge直拉硅单晶的少子寿命特征。掺Ge能够抑制FeB的分解和形成过程。在掺Ge直拉硅中,低温下Cu沾污后硅片的寿命较普通直拉硅样品低,但在高温下Cu沾污后的少子寿命高于普通直拉硅样品,被认为与掺Ge引起的原生空位型缺陷行为等影响有关。 系统研究了直拉单晶硅片的表面金字塔织构的结构转变和光学性质。研究发现:金字塔的长大是通过{111}表面原子的逐层剥离实现的,大的金字塔倾向于占据小金字塔的长大空间,因此会导致金字塔的分化和消失。根据几何光学计算,随机金字塔织构具有较低的反射率下限,800nm对应的反射率仅为0.083。实际金字塔的不规则表面和棱边,以及大量亚微米级的小金字塔都是造成反射率上升的原因。研究表明:硅片的微缺陷(BMD)能够影响金字塔织构的性能,高密度的BMD会促进金字塔的异质形核并抑制其均匀形核,导致金字塔分布稀疏和大小不均,密度达到10~7cm~(-3)以上的BMD能够明显增加织构硅片的反射率,使织构性能下降。研究进一步发现:掺杂浓度(10~(16)～5×10~(19)cm~(-3))的Ge对直拉硅在碱溶液中的腐蚀速率没有影响,当掺Ge原生硅片中的BMD密度小于10~7cm~(-3)时,掺Ge不改变原生直拉硅片的织构特性。 通过对比普通太阳电池,研究了掺Ge对直拉硅太阳电池性能的影响。5×10~(19)cm~(-3)浓度的Ge掺入直拉硅后,能够增加在硅禁带边缘的红外吸收和转化效率,从而提高太阳电池的短路电流,在BSR电池中增幅可达2%。掺Ge对电池的开压和填充引起并没有明显的影响。与此同时,I_(02)的减小和R_(sh)的增加得益于掺Ge对基体内二次缺陷的抑制,总体而言,掺Ge对太阳电池性能的影响不明显。 【关键词】：直拉硅 杂质 缺陷 掺锗 光伏 太阳电池
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TN304.12
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-15
• 第2章 文献综述15-47
• §2.1 引言15-16
• §2.2 太阳电池的基本理论16-22
• 2.2.1 光电流17
• 2.2.2 暗电流17-18
• 2.2.3 太阳电池的输出性能18-22
• §2.3 硅中锗(Ge)的行为22-24
• §2.4 硅中氧(O)的行为24-31
• 2.4.1 热施主27-29
• 2.4.2 硼氧(BO)复合体29-31
• §2.5 硅中金属的行为31-42
• 2.5.1 硅中的铁(Fe)32-37
• 2.5.2 硅中的铜(Cu)37-42
• §2.6 单晶硅片的碱腐蚀与织构42-45
• §2.7 评论及其存在的问题45-47
• 第3章 实验材料、设备及方案47-58
• §3.1 实验材料47-48
• §3.2 实验设备48-49
• §3.3 实验方案49-58
• 3.3.1 原生晶体少子寿命表征的实验方案49-50
• 3.3.2 掺Ge硅中热施主形成和表征的实验方案50-52
• 3.3.3 原生晶体光照少子寿命衰减实验方案52-53
• 3.3.4 原生晶体金属沾污实验方案53-56
• 3.3.5 硅片碱腐蚀织构的实验方案56-57
• 3.3.6 太阳电池制备与表征的实验方案57-58
• 第4章 掺Ge直拉硅的本征特性58-75
• §4.1 引言58-59
• §4.2 实验59
• §4.3 掺Ge对原生直拉硅中电学活性中心性能的影响59-65
• 4.3.1 掺Ge对原生直拉硅中的少子寿命分布59-61
• 4.3.2 掺Ge对原生氧关缺陷特性的影响61-64
• 4.3.3 掺Ge原生直拉硅中的复合中心分布规律64-65
• §4.4 掺Ge对直拉硅热处理过程中电学稳定性的影响65-73
• 4.4.1 掺Ge对热施主形成过程的影响65-67
• 4.4.2 高浓度掺Ge对直拉硅中的氧关热施主特性的影响67-69
• 4.4.3 高温预处理对直拉硅中氧关热施主形成规律的影响69-73
• §4.5 本章小结73-75
• 第5章 掺Ge直拉硅中BO复合体相关的光致寿命衰减研究75-87
• §5.1 引言75-76
• §5.2 实验76
• §5.3 掺Ge对直拉硅片光照寿命衰减的影响76-83
• 5.3.1 掺Ge对硅片寿命变化的影响76-78
• 5.3.2 掺Ge对不同温度下BO复合体形成过程的影响78-81
• 5.3.3 掺Ge对不同光照强度下BO复合体形成过程的影响81-83
• §5.4 掺Ge抑制直拉硅中BO关光照寿命衰减的机理研究83-86
• §5.5 本章小结86-87
• 第6章 掺Ge直拉硅中的Fe,Cu行为研究87-98
• §6.1 引言87-88
• §6.2 实验88
• §6.3 掺Ge对直拉硅中Fe沾污行为的影响88-94
• 6.3.1 掺Ge直拉硅CFA引入的Fe沾污特性88-90
• 6.3.2 掺Ge直拉硅中FeB复合体的形成和分解特性90-93
• 6.3.3 掺Ge对直拉硅中Fe沾污行为的影响机理93-94
• §6.4 掺Ge对直拉硅中Cu沾污行为的影响94-97
• 6.4.1 掺Ge直拉硅中的Cu沾污特性94-96
• 6.4.2 掺Ge对直拉硅中Cu沾污性能的影响机理96-97
• §6.5 本章小结97-98
• 第7章 直拉硅的湿化学织构性能及微量掺Ge的影响研究98-117
• §7.1 引言98-99
• §7.2 实验99
• §7.3 碱腐蚀织构的性能研究99-107
• 7.3.1 单晶硅片碱腐蚀织构过程中的结构转变99-103
• 7.3.2 随机金字塔表面的光学特性103-107
• §7.4 BMD对硅片碱腐蚀织构性能的影响107-113
• 7.4.1 BMD对金字塔织构形貌的影响107-112
• 7.4.2 BMD对织构片反射率的影响112-113
• §7.5 掺Ge对原生硅片碱腐蚀织构性能的影响113-115
• 7.5.1 掺Ge对硅片腐蚀速率的影响113-114
• 7.5.2 掺Ge对织构性能的影响114-115
• §7.6 本章小结115-117
• 第8章 掺Ge直拉硅太阳电池性能研究117-124
• §8.1 引言117-118
• §8.2 实验118-119
• §8.3 掺Ge对BSR电池性能的影响119-123
• 8.3.1 掺Ge对BSR电池输出性能的影响119-120
• 8.3.2 掺Ge对BSR电池光学特性的影响120-121
• 8.3.3 掺Ge对BSR电池器件参数的影响121-123
• §8.4 本章小结123-124
• 第9章 总结124-127
• 参考文献127-140
• 攻读学位期间发表的学术论文140-142
• 致谢142

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