日研究太陽(yáng)能電池用硅晶體新培育方法

    鋰電世界  日本東北大學(xué)金屬材料研究所2013年1月30日宣布，該研究所教授米永一郎及副教授沓掛健太朗等人組成的研究小組，研究出了太陽(yáng)能電池用硅晶體的新培育方法，成功培育出了類(lèi)單晶硅。類(lèi)單晶硅與多晶硅一樣，都是在坩堝中使硅融液從下部開(kāi)始向一個(gè)方向凝固、生長(zhǎng)來(lái)制造。此時(shí)，在坩堝底部鋪上單晶硅的籽晶，便可獲得單晶硅錠。為了與以往通過(guò)CZ法制造的單晶硅相區(qū)別，這種單晶硅被稱(chēng)為類(lèi)單晶硅。
    抑制多晶化的機(jī)理。坩堝近旁的擴(kuò)大圖。Σ3晶界與Σ5晶界反應(yīng)變成Σ15晶界，可由此使多晶區(qū)域停止向坩堝中央推進(jìn)。
    目前使用的太陽(yáng)能電池用基板中，多晶硅約占50％，單晶硅約占40％，而類(lèi)單晶硅則被視為有望使轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高的材料。不過(guò)，在通過(guò)硅融液用籽晶培育類(lèi)單晶硅的過(guò)程中，與坩堝接觸的部分會(huì)產(chǎn)生大量方向與籽晶不同的結(jié)晶粒，會(huì)出現(xiàn)多晶體占有部分?jǐn)U大的多晶化問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，此次通過(guò)復(fù)合籽晶來(lái)形成人造晶界，利用這一晶界來(lái)抑制不需要的多晶區(qū)域的擴(kuò)大。
    分別從利用原有技術(shù)及新技術(shù)培育的類(lèi)單晶硅錠中切割出來(lái)的晶圓的截面照片。除了人工晶界的形成之外，均在同一工序及條件下制造。多晶化的部分用黃色表示。右圖中的白虛線表示人工形成的Σ5晶界的位置。借助Σ5晶界，將多晶化限制在不作為太陽(yáng)能電池使用的硅錠外周部。
    研究小組首先發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致多晶化的、坩堝壁產(chǎn)生的結(jié)晶粒大多是被稱(chēng)為Σ3的晶界。該Σ3晶界通常相對(duì)于硅錠生長(zhǎng)方向傾斜產(chǎn)生，因此在生長(zhǎng)的同時(shí)會(huì)向硅錠的中央部分推進(jìn)，使這一多晶部分的面積擴(kuò)大。
此次研究出的方法利用復(fù)合的種晶沿坩堝壁形成名為Σ5的晶界。該Σ5晶界在硅錠生長(zhǎng)階段會(huì)沿著生長(zhǎng)方向筆直伸長(zhǎng)。然后，與坩堝壁生產(chǎn)的Σ3晶界反應(yīng)，形成Σ15晶界。Σ15晶界也會(huì)沿著生長(zhǎng)方向伸長(zhǎng)，因此，在該晶界形成時(shí)，就能抑制多晶顆粒的擴(kuò)大。
    關(guān)于基于這一機(jī)理的10厘米見(jiàn)方硅錠，研究小組成功培育出了多晶化得到抑制的硅錠。一般而言，從坩堝壁長(zhǎng)出的數(shù)厘米的部分無(wú)法用作太陽(yáng)能電池晶圓，因此目前多結(jié)化硅錠的類(lèi)單晶晶圓的成品率僅為36％左右。但此次的方法將多晶化的范圍控制在了坩堝壁附近，因此可將成品率提高至近100％。另外，此次的方法可直接使用目前的太陽(yáng)能電池多晶硅生產(chǎn)線，并且無(wú)需對(duì)制造工序進(jìn)行調(diào)整，可迅速便捷地采用。研究小組今后將努力降低類(lèi)單晶硅的位錯(cuò)（結(jié)晶缺陷）密度，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率可與單晶硅匹敵的晶體。位錯(cuò)缺陷大多從晶界發(fā)生，因此，研究小組今后還將推進(jìn)晶界方面的研究，實(shí)現(xiàn)可有效抑制位錯(cuò)發(fā)生的晶界。