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硅晶體的制備與表征技術探究

2018-05-31 16:38:51 大云網  點擊量: 評論 (0)
本文嘗試對鑄錠多晶、鑄錠單晶和高效多晶的晶體微結構、缺陷分布及生長機理等進行系統對比,分析晶體生長方式對晶體微結構的作用規律。對現有及潛在的晶硅表征技術,本文亦進行了詳細的討論。

PL技術以其無損、快速的特點,為研究者們探測硅片體內的結構提供了豐富的信息。比如,前文提到的在2011年以前晶體硅生長技術研究方向為大晶粒的研究誤區,很大程度上是因為當時業內缺乏PL這類快速的無損檢測技術所造成的。如何去量化各種缺陷,建立一種類似少子壽命的硅片質量評價指標,是相關研究者們一直努力的方向。筆者認為,需要充分結合電池技術的貢獻,考慮吸雜和鈍化對不同缺陷弱化作用,來給予各種缺陷一個綜合的評價指標。

公式(2)

公式(2)中,xi代表某個種類的缺陷(或復合中心),Ri代表考慮了電池吸雜和鈍化后的缺陷復合能力權重,Ci代表某個種類缺陷的數量,Defect_index代表自定義的缺陷因子,是無量綱值。因為電池工藝的變化,公式(2)中的各個參數也可能會相應進行調整,以達到評價因子與電池效率(特別是Uoc)之間的最佳關聯關系。

圖(4)相同200片硅片制備成電池的轉換效率分別與裸硅片少子壽命(a)和PL缺陷密度值(b)的關系圖

筆者曾對200片硅片的裸片少子壽命和PL缺陷因子進行了檢測,并制備成電池測試了電池效率,其對比結果如圖(4)所示。相比裸片少子壽命,從PL圖片中提煉出的缺陷密度值能更好地關聯電池效率。

3.2 硅片的晶向檢測技術

表(2)各種晶向檢測技術特征的歸納比較不同于單晶硅片單一的<100>晶向,多晶硅片的晶向是雜亂無章的。但研究者們對晶向與晶體缺陷生長之間關系的研究從來沒有停止過,Fujiwara和Nakajima[13]曾報道了通過控制<112>和<110>晶向能有效調控晶體生長初始階段的微結構。但長期以來,受制于晶向檢測技術的限制,該方面的研究工作很難系統開展起來。

表(2)匯總歸納了幾種已有的晶向檢測技術及其特征,X射線衍射、中子衍射、選區電子衍射均因檢測區域太小或受系統消光規律的限制,很難應用于晶向隨機且樣品尺寸較大的多晶硅片晶向檢測,背散射衍射技術雖然能觀察幾個平方厘米的晶向分布,但制樣復雜,難以推廣應用。

FraunhoferTHM和IISB研究所在2014年推出了一種勞埃法的X射線衍射技術,能對大尺寸的多晶硅片進行晶粒分布面掃描,是該探測領域的一大突破,但該技術存在檢測時間長(2~4h/pc)的缺點。最后一種光學反射方法是天合光能自主研發的可做晶向面掃的技術,對比已有的X射線衍射和背散射電子衍射等,該方法具有耗時短、樣品處理簡單、測試面積大等優點,非常適用于工業級的多晶硅晶向分析。

圖(5)是采用該方法針對一張多晶硅片晶向面掃描的結果。所有種類的晶向,按照彼此晶向夾角的差異,被人為地歸并為7個大類,并用不同的顏色標示,各個晶向所占的面積比例得以定量的量化。

圖(5)采用光學反射法測試得到的多晶硅片(10×10 cm)晶向面掃描圖

4. 總結和展望

在科學研究者們的不懈努力下,各種新型的光伏電池結構和制備技術不斷涌現,但無論是能革命硅晶體電池的Perovskite電池,還是CIGS、GaAs等薄膜電池,抑或是大幅減少硅用量的硅薄膜電池,短時間內都無法撼動以晶體硅為基體的傳統光伏電池的主流地位,其他電池會因為其高效或柔性等特點應用于特殊場合,作為晶硅電池的補充而長期存在。

對晶體硅這條奔騰不息的主流,其發展動態則很難進行預測。四年前,類單晶一度被看好,行業內很少有人預測到類單晶的消失,同樣,也很少有人預測到高效多晶的到來,產業的發展受到眾多復雜因素(技術、設備、成本、市場等)的制約。未來晶體硅的發展方向是單晶、多晶還是類單晶?是P型還是N型?全依賴于晶硅如何與PERC、HIT或IBC等電池結構進行有效匹配,如何能獲得更高功率更強可靠性的組件,以及如何為終端用戶提供更高的發電量。

但從短期看,有兩點可以確定:(1)高效多晶由于其比類單晶和鑄錠多晶更低的位錯密度,將會持續有廣闊的市場,其不斷優化的工藝,還有進一步提升硅片質量的前景;(2)在線多晶硅表征技術和設備的開發,將為多晶電池和組件制造帶來效益,是科學研究者們努力的方向。

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責任編輯:蔣桂云

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