太阳电池用铸造多晶硅结构缺陷和杂质的研究

　　摘要：铸造多晶硅作为太阳能电池中的主要光伏材料，受到人们的广泛重视。但多晶硅
晶体在生长的过程中不可避免的存在各种缺陷，加之多晶硅中存在氧、碳等杂质，制约了多
晶硅电池的效率。因此，研究不同铸锭区域多晶硅材料的性能及其影响因素，是太阳电池与
硅材料研究的一个重要课题。

 

　　关键词：太阳电池铸造多晶硅结构缺陷杂质

 

　　

 

　　

1 引言 

　　在替代能源中，应用最广泛的是直接从太阳能得到电的太阳电池，而铸造多晶硅作为
最主要的光伏材料也引起人们的关注。但在铸造多晶硅晶体的生长过程中，不可避免的会有
坩埚的玷污、硅料中已有的各种杂质污染以及热应力导致的各种缺陷。铸造多晶硅中常见的
杂质主要是氧、碳及一些过渡金属，如铁、铬、镍、铜等。含有的晶体缺陷主要有晶界和位错两
种。这些杂质和缺陷会在禁带中引入缺陷能级，具有很强的复合活性。这就制约了多晶硅电
池的效率，使得多晶硅电池与单晶硅电池相比，效率较低。因此，研究不同铸锭区域多晶硅
材料的性能及其影响因素，是太阳电池与硅材料研究的一个重要课题。特别是关于铸锭边缘
低少子寿命区域的研究，对促进铸造多晶硅晶体生长，提高铸造多晶硅材料有效利用率有
着非常重要的作用。

 

　　

2 铸造多晶硅中的杂质及影响因素 

　　铸造多晶硅是通过对硅原料进行重熔铸锭而成。硅原料主要有两种：其一，半导体工业
制备单晶硅剩下的头尾料、锅底料以及没制备成功而产生的废料；其二，原生多晶硅与半导
体工业废料或高纯金属硅按一定比例混掺，这是由于光伏产业的高速发展导致半导体工业
边角废料生产的多晶硅远远不能满足需求，于是，有的企业便采取这种方式来获得生产电
池用的多晶硅。

 

　　

2.1 硅片的少子寿命及其影响因素 

　　在一定温度下，处于热平衡状态的半导体材料中的载流子浓度是一定的。这

 

　　种处于热平衡状态下的载流子则称为平衡载流子，其浓度，称为平衡载流子浓度。

 

　　通常用

no 和 po 来分别表示平衡电子浓度和空穴浓度。在非简并的情况下，他们 

　　的乘积满足

nop=ni,其中 ni 是本征载流子浓度。但是当这种平衡状态被外界作 

　　用所破坏时，半导体材料就处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡态。此

 

　　时的载流子浓度不再是

no 和 po，而是比创门多出一部分。这些比平衡状态多出 

　　来的载流子则称为非平衡载流子。例如在光照下，能量大于禁带宽度的光会激发

 

　　价带中的电子跃迁到导带中，从而产生非平衡载流子

△n 和△p,其中△n=△p。非平衡载

流子又分为非平衡多数载流子和非平衡少数载流子，如对于

P 型硅基光 

　　伏材料，多出来的空穴就是非平衡多数载流子，多出来的电子则是非平衡少数载

 

　　流子。

 

　　非平衡载流子并不能一直稳定地存活下去。当产生非平衡载流子的外界作用

 

　　撤去后，它们就会逐渐的衰减并消失，最终使得载流子的浓度回复到平衡时的值，

 

　　这一过程称为非平衡载流子的复合。非平衡载流子的衰减和消失并不是立即实现

 

　　的，而是需要一个过程。将非平衡载流子浓度减小到原值的

l/e 所经历的时间作 

　　为非平衡载流子的平均生存时间，即非平衡载流子的寿命，用

ⅹ表示。由于相对 

　　于非平衡多数载流子，非平衡少数载流子的影响处于主导的地位，因而非平衡载

 

　　流子的寿命常称为少数载流子寿命。

 

　　

2.2 铸造多晶硅中的原生杂质