發(fā)布時間：2018-01-28 12:30

  本文關(guān)鍵詞： 多晶硅 太陽電池 金屬雜質(zhì) 晶界 位錯 磷吸雜 氫鈍化　出處：《浙江大學》2014年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：光伏發(fā)電是近年來發(fā)展最快的可再生能源技術(shù)之一,而晶體硅太陽電池占據(jù)了全球光伏市場90%以上的份額。硅材料尤其是多晶硅材料內(nèi)的金屬雜質(zhì)和缺陷對于硅片質(zhì)量及太陽電池的性能影響較大,是學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的重點和熱點問題之一。因此,研究硅中金屬雜質(zhì)與缺陷具有重要的理論意義和實際應(yīng)用背景,也是適應(yīng)硅太陽電池低成本、高效率的發(fā)展趨勢的必然要求。 本文在綜述前人研究成果的基礎(chǔ)上,利用少子壽命測試儀、電流-電壓／電容-電壓測試儀、光學顯微鏡等技術(shù),結(jié)合鑄造多晶硅生產(chǎn)實際中的問題,系統(tǒng)地研究了金屬雜質(zhì)與位錯的相互作用、金屬雜質(zhì)與晶界的相互作用及金屬雜質(zhì)對于對硅片和太陽電池電學性能的影響,取得了如下主要的創(chuàng)新成果： (1)研究了鑄造多晶硅邊緣區(qū)域(紅邊區(qū))低少數(shù)載流子壽命的起因及對太陽電池性能的影響。實驗發(fā)現(xiàn)：來自坩堝與坩堝涂層中間隙鐵雜質(zhì)的擴散是導致邊緣區(qū)域硅晶體少子壽命降低的主要原因；通過磷擴散吸雜,可以有效減少邊緣區(qū)域的間隙鐵濃度,從而提高該區(qū)域的有效載流子壽命；經(jīng)歷太陽電池制備工藝后,含邊緣區(qū)域的太陽電池片的性能可以得到大幅度改善,僅僅比普通電池片效率略低。 (2)研究了金屬雜質(zhì)對硅中晶界電學性能的影響。闡述了Fe、Cu、Ni、Cr、 Co、Mn幾種金屬沾污對于(110)/(100)大角晶界的電學性能參數(shù)的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)：在幾種金屬沾污后,晶界的能級分布均向深能級范圍移動,晶界態(tài)密度有不同程度的提高,載流子捕獲截面也有所增大,其中Fe雜質(zhì)對于晶界態(tài)密度的影響最大；隨著金屬沾污含量的增大,導致晶界的能級分布更深、晶界態(tài)密度增大；Cu/Ni在共沾污時晶界的缺陷能級分布比Cu與Ni單種金屬沾污導致的晶界能級位置更深,晶界態(tài)密度略有增大。實驗還指出：通過特定條件的熱處理,可以降低金屬沾污晶界的態(tài)密度及載流子捕獲截面；通過低溫退火調(diào)控晶界上金屬沉淀的尺寸及密度分布,進而可以調(diào)控晶界的電學性能、改善金屬沾污晶界的多晶硅器件性能；通過氫鈍化,晶界引入的能級分布在更窄的范圍,空穴捕獲截面也降低了兩個數(shù)量級左右,晶界態(tài)密度略有降低。 (3)研究了位錯對晶體硅電池性能的影響。結(jié)合普通鑄造多晶硅、高效鑄造多晶硅以及鑄造單晶硅,得到了位錯分布對于硅片質(zhì)量及太陽電池的性能影響。實驗發(fā)現(xiàn)：高效多晶硅由于具有更低的位錯密度,更均勻的晶粒分布,表現(xiàn)出均勻的少子壽命分布,電池效率高于普通多晶硅電池；鑄造準單晶硅材料硅錠中間的單晶區(qū)域不含有晶界,位錯密度較低,硅片性能最好、電池效率最高；而鑄造準單晶硅邊緣含有多晶和大量的位錯聚集體,缺陷密度極高,對少子壽命影響很大、電池效率也最低。實驗還說明：位錯密度與位錯分布的均勻性對于硅材料的質(zhì)量以及太陽電池的性能有著顯著地影響,位錯密度越高、位錯的聚集體越多,電池的效率越低。 (4)研究了硅中金屬雜質(zhì)的磷擴散吸雜效應(yīng)。實驗發(fā)現(xiàn)：對于n型硅晶界上的金雜質(zhì)沾污,磷擴散吸雜可以有效吸雜出晶界處的雜質(zhì),但吸雜效率受沾污程度影響；在低濃度沾污下,一步磷吸雜可以有效吸雜出晶界上的金雜質(zhì)；而在嚴重沾污下,兩步變溫磷吸雜更為有效。實驗證明：在普通工藝磷擴散樣品中,表面死層中會存在SiP沉淀,顯著增強載流子的復合及電池性能；增加后續(xù)退火以及改變擴磷工藝參數(shù)兩種方法可以通過消除SiP沉淀有效改善太陽電池的性能。
[Abstract]:Photovoltaic power generation is one of the renewable energy technology rapid development in recent years, while the crystalline silicon solar cells occupy more than 90% share of the global PV market. Especially the influence of polysilicon silicon material in the metal impurities and defects in silicon solar cell performance and quality greatly, is one of the most important and hot issues of concern in academia and industry. Therefore, study on silicon metal impurities and defects has important theoretical significance and practical application background, but also to the silicon solar cell with low cost, high efficiency of the inevitable requirement of the development trend.
Based on the review of previous research results, using the minoritycarrier lifetime tester, current voltage and capacitance voltage tester, optical microscope, combined with the actual production of polysilicon casting problems in the systematic study of the interaction of metal impurities and dislocations, metal impurity and grain boundary interactions and metal impurities the effect of silicon wafer and solar battery electrical performance, achieved the following major innovations:
(1) on the multicrystalline silicon edge region (red border) effect of low minority carrier lifetime and the cause of solar cell performance. The experimental results showed that: the diffusion of iron impurities from the crucible and the crucible coating gap is the main reason leading edge region of the silicon crystal lifetime decreased; the phosphorus diffusion gettering can effectively. To reduce the gap of iron concentration in edge areas, so as to improve the effective carrier lifetime in the region; through the preparation of solar cells, the performance of solar cell slice with edge areas can be improved greatly, only than the ordinary battery efficiency is slightly lower.
(2) to study the effect of metal impurities on the electrical properties of grain boundaries in silicon are expounded. The Fe, Cu, Ni, Cr, Co, Mn for several metal contamination (110) / (100) effects of electrical performance parameters of grain boundary. Found in several kinds of metal contamination, the energy level distribution of grain boundary moving to the deep level range, the grain boundary density have different degrees of increase, the carrier capture cross section is increased, the Fe effect of impurity on the grain boundary density maximum; with the increase of the content of metal contamination, resulting in deeper level distribution of grain, grain density increased; grain boundary level deeper defect level distribution of Cu/Ni in the total contamination at the grain boundary the ratio of Cu and Ni single metal contamination caused by the grain boundary density increased slightly. The experiment also pointed out that: heat treatment by specific conditions, can reduce the density of States and the carrier of metal contamination of grain boundary trapping cross section by low temperature annealing; The size distribution and density of grain boundary precipitation of metal fire control, which can control the electrical properties of grain boundaries, improve the performance of polycrystalline silicon device metal contamination of grain boundaries; through hydrogen passivation, the energy distribution in the grain boundary into a narrower, hole capture cross section was reduced by two orders of magnitude, the grain boundary state density decreased slightly.
(3) studied the effect of dislocation on the performance of crystalline silicon solar cells. The combination of common casting polycrystalline silicon, polysilicon and monocrystalline silicon casting, casting, the dislocation distribution influence on the quality and performance of the silicon solar cell. It was found that the high dislocation density due to polysilicon is lower, the grain distribution is more uniform, showing the minoritycarrier lifetime uniform distribution, the battery efficiency is higher than that of common polysilicon battery; casting single crystal silicon ingot middle region quasi monocrystalline material does not contain grain, lower dislocation density, silicon performance best, battery efficiency is the highest; the casting of quasi monocrystalline polycrystalline and edge contains a large number of dislocation aggregates, defect density is very high, a great impact on the lifetime of the battery. Efficiency is the lowest. The experiment also shows that there is a significant influence of the uniformity of the performance and the dislocation density of the dislocation distribution for quality silicon materials and solar cells The higher the dislocation density, the more the dislocation aggregates, the lower the efficiency of the battery.
(4) the effect of metal impurities in silicon phosphorus diffusion gettering effect. It is found that the gold impurity contamination of N type silicon on grain boundary, phosphorus diffusion gettering can effectively gettering impurities at the grain boundaries, but the gettering efficiency of contaminated degree of influence; in the low concentration of contamination, a step of phosphorus gettering the gold impurity effectively gettering out on grain boundary; in serious contamination, two step temperature of phosphorus gettering is more effective. The experiment proves that in the process of ordinary phosphorus diffusion in the sample, the surface of the dead layer will exist in the SiP precipitation, significantly enhance the performance of the composite and battery carrier; two methods increase and subsequent annealing change the process parameters can be eliminated through the expansion of phosphorus precipitation can effectively improve the performance of SiP solar cells.

【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4

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