投料量和拉速對(duì)N型直拉單晶硅氧碳含量及電性能的影響

尹東坡

【摘 要】研究了投料量和拉速對(duì)N型直拉單晶硅頭部氧碳含量和漩渦缺陷的影響，并對(duì)漩渦缺陷和氧含量對(duì)少子壽命及電池性能的影響進(jìn)行了分析。頭部氧含量隨著投料量增加而升高，隨著拉速提高而降低，碳含量與投料量和拉速的關(guān)系不大。投料量增加將會(huì)引起漩渦缺陷的增加，而提高拉速對(duì)其具有抑制作用。漩渦缺陷和高氧含量誘發(fā)的二次缺陷均會(huì)降低單晶硅少子壽命，增加電池低效段比例。

【關(guān)鍵詞】直拉單晶硅；投料量；拉速；氧碳含量；電性能

隨著對(duì)太陽(yáng)能電池需求的不斷增加，光伏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，為了使N型單晶電池能夠滿足市場(chǎng)需求，保證轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)必須不斷降低成本。為此，保證N型單晶硅內(nèi)在品質(zhì)并進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本是必然趨勢(shì)，而擴(kuò)大晶體直徑、加大投料量則是降低成本的重要手段。本文采用直拉法生產(chǎn)8寸N型單晶硅，對(duì)投料量和拉速改變后氧碳含量、少子壽命及電池性能進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)氧碳含量和內(nèi)部缺陷與硅棒電性能的關(guān)系進(jìn)行了分析。

1.試驗(yàn)部分

1.1基本試驗(yàn)條件

采用TDR-100型單晶爐，22寸熱場(chǎng)，共進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)，前3次投料量分別使用120kg、130kg、140kg，等徑前200mm平均拉速為0.9mm/min，命名為CZ120、CZ130、CZ140-1。后兩次實(shí)驗(yàn)投料量使用140kg，等徑前200mm平均拉速分別為1.0mm/min和1.1mm/min，命名為CZ140-2、CZ140-3。

1.2取樣及分析測(cè)試

晶棒破段后，使用Sinton instruments測(cè)試儀測(cè)試晶棒頭部少子壽命；取每根樣品頭部2mm硅片進(jìn)行化學(xué)拋光和清洗，使用Thermo Nicolet FT-IR spectrometer測(cè)試氧碳含量，使用BT Imaging LIS-P1測(cè)試硅片PL圖；切片厚度200μm，取晶棒頭部200mm硅片（約530片）在單晶電池線制作電池并進(jìn)行性能測(cè)試，取不同電池效率范圍樣片進(jìn)行PL測(cè)試。

2.結(jié)果和討論

2.1投料量及拉速對(duì)氧碳含量的影響

所示隨著投料量從120kg增加到140kg，頭部氧含量逐漸從25.1ppma上升到31.2ppma，而拉速?gòu)?.9mm/min增加到1.1mm/min，氧含量從31.2ppma下降至28.8ppma。

晶棒中氧含量主要受到氧產(chǎn)生和輸送控制，CZ120、CZ130、CZ140-1除投料量外其他工藝參數(shù)不變，單位體積內(nèi)氧產(chǎn)生量變化不大，所以氧含量增加主要受熱對(duì)流影響。熱對(duì)流主要是熔體中溫度差產(chǎn)生，熱熔體沿坩堝壁上升，到坩堝中心下降[1]。

等徑初期，熔體較多，拉速提升對(duì)熔體對(duì)流影響不大。但拉速提升后，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入單晶棒的氧含量減少，所以從CZ140-1到CZ140-3氧含量逐漸下降。

碳主要來(lái)自多晶硅原料、晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)的剩余氣體以及石英坩堝與石墨器件的反應(yīng)。高溫石英坩堝與石墨加熱器件反應(yīng)，生成SiO和CO，其中CO氣體不易揮發(fā)，大多進(jìn)入硅熔體與熔硅反應(yīng)，產(chǎn)生單質(zhì)碳和SiO，而SiO大部分從熔體表面揮發(fā)，碳則留在熔硅中，最終進(jìn)入晶體硅。

試驗(yàn)中使用原料均為高純?cè)枇锨彝读狭亢屠俚母淖儗?duì)加熱器功率影響不明顯，由于碳分凝系數(shù)較低，實(shí)驗(yàn)中頭部碳含量均保持在較低的水平，范圍在0.4-0.6ppma。

2.2投料量及拉速對(duì)少子壽命影響

隨著投料量增加少子壽命逐漸降低，由CZ120的2570μs大幅降至CZ140-1的787μs，降低69%。而隨著拉速的增加少子壽命逐漸增加，CZ140-3提升至2184μs。試驗(yàn)棒頭部出現(xiàn)較嚴(yán)重的漩渦，而對(duì)比片（硅棒400mm左右樣片）漩渦不太明顯。

等徑初期由于熔體對(duì)流較強(qiáng)且轉(zhuǎn)肩后溫度不夠穩(wěn)定，造成生長(zhǎng)界面溫度波動(dòng)較大，并且晶體是一邊旋轉(zhuǎn)一邊生長(zhǎng)，容易在晶體中形成呈條紋狀分布的微缺陷，即漩渦缺陷。隨著等徑過(guò)程的進(jìn)行，生長(zhǎng)界面溫度趨于平穩(wěn)且熔體高度降低、對(duì)流減弱，漩渦缺陷也相應(yīng)減弱，對(duì)比片漩渦條紋不明顯。

隨著投料量從120kg增加至140kg，熔體高度增加，如前面討論的格拉斯霍夫數(shù)增大，熔體自然對(duì)流增強(qiáng)。增強(qiáng)的自然對(duì)流造成固液生長(zhǎng)界面的溫度波動(dòng)更加劇烈，劇烈的溫度波動(dòng)更易使晶體內(nèi)部形成漩渦缺陷，進(jìn)而發(fā)展成為位錯(cuò)。位錯(cuò)對(duì)少子壽命有很大的影響，所以投料量增加后少子壽命逐漸降低。另外由于投料量提升后氧含量進(jìn)一步升高，氧容易與漩渦缺陷相互作用或以其他形式引起二次缺陷（如位錯(cuò)和堆垛層錯(cuò)），對(duì)少子壽命產(chǎn)生影響。

隨著拉速的增加，晶體界面附近的溫度梯度減少，熔體界面附近的溫度梯度也相應(yīng)減小，即界面附近溫度波動(dòng)減弱，漩渦缺陷被抑制。所以隨著拉速的增加，少子壽命逐漸升高。另外，拉速提高后氧含量的降低對(duì)少子壽命也有一定貢獻(xiàn)。

2.3 投料量及拉速對(duì)電池性能的影響

取各實(shí)驗(yàn)棒頭部前200mm進(jìn)行切片并跟蹤電池性能。定義電池效率小于17.5%為低效片。通過(guò)低效片數(shù)量可計(jì)算出晶棒中產(chǎn)生低效片的單晶硅棒長(zhǎng)度（從等徑頭部開始計(jì)算）。

即：低效長(zhǎng)度=低效片數(shù)量*槽距/合格率

其中槽距按照0.365mm計(jì)算，合格率按96%計(jì)算。

各實(shí)驗(yàn)單晶棒低效長(zhǎng)度隨著投料量從120kg增加至140kg，低效長(zhǎng)度從27mm增加至167mm；隨著拉速增加至1.1mm/min，低效長(zhǎng)度降低至57mm。低效率片（16.9%）中整片均存在較嚴(yán)重的條紋，尤其是中心部分，這是我們常說(shuō)的“黑心片“。中效率片（17.6%）外圍存在一定的條紋，而高效片（18.4%）中整片均為發(fā)現(xiàn)條紋。

如前面討論的，晶棒頭部均存在一定的漩渦缺陷，對(duì)硅片的少子壽命產(chǎn)生影響，這種影響將會(huì)延續(xù)到電池，造成電池產(chǎn)生“黑心片”。尤其是當(dāng)投料量增加后，由于溫度波動(dòng)產(chǎn)生的漩渦缺陷影響的范圍進(jìn)一步增加，電池中低效的比例急劇增加，投料量增加1.2倍，而低效長(zhǎng)度增加6.2倍。如果只增加投料量而不相應(yīng)改變工藝參數(shù)將對(duì)電池性能產(chǎn)生巨大影響。拉速提升后，低效長(zhǎng)度減小，這進(jìn)一步證實(shí)了前面討論的觀點(diǎn)，即拉速提升對(duì)漩渦缺陷產(chǎn)生抑制作用，使漩渦缺陷影響范圍減小。

根據(jù)V.V.Voronkov文獻(xiàn)，V/G存在臨界值，當(dāng)V/G大于臨界值時(shí)主要以空位缺陷為主，相反則以自間隙缺陷為主，氧容易在空位和自間隙缺陷交界處的一定范圍內(nèi)成核，后續(xù)進(jìn)一步發(fā)展成為環(huán)狀的氧化誘生堆垛層錯(cuò)（OISF），該過(guò)程主要受V/G和氧含量控制。中效片中“黑環(huán)”可能為OISF，該缺陷會(huì)影響少子壽命，進(jìn)而影響電池性能。由于頭部高的氧含量，OISF缺陷也應(yīng)存在與低效片中，但與漩渦缺陷都為環(huán)狀，不易分辨。這與前面討論的氧含量對(duì)少子壽命的影響是相一致的。

3.結(jié)論

隨著投料量從120kg提升至140kg，頭部氧含量提升1.24倍，拉速?gòu)?.9mm/min提升至1.1mm/min，氧含量降低7.7%，投料量和拉速的改變對(duì)碳含量影響不大。投料量增加將會(huì)引起漩渦缺陷的增加，而提高拉速對(duì)漩渦缺陷具有抑制作用。漩渦缺陷會(huì)降低硅棒少子壽命，增加硅棒低效長(zhǎng)度，在電池中產(chǎn)生“黑心片”。高的氧含量會(huì)誘生二次缺陷，如OISF，對(duì)少子壽命和電池效率產(chǎn)生不良影響。提高投料量并相應(yīng)提高拉速，降低成本的同時(shí)可保證后續(xù)電池性能穩(wěn)定。

【參考文獻(xiàn)】

[1]宇慧平等.數(shù)值模擬自然對(duì)流對(duì)直拉單晶硅的影響[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2006，（4）：695-701.

[2]闕端麟等.硅材料科學(xué)與技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2000.