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坩埚和涂层质量对多晶硅太阳能电池性能的影响
摘要
通过对太阳能级硅的坩埚和不同纯度涂层在半工业规模的熔炉铸造中的研究我们发现了少数流子寿命对石英坩埚和氮化硅涂层质量的影响。一个高纯硅的坩埚和一个表层覆盖高纯硅的坩埚和氮化硅涂层的标准级硅坩埚进行了测试。一个涉及了多种氮化/氧化物的浓度变化的新的概念用来确保改善装载和传送的情况也已经被测试了。少数载流子寿命已经被用来评估和参考坩埚的多晶硅锭相比的多晶硅锭的质量。
人们已经发现坩埚和涂层的纯度对载流子的寿命有着重大的影响。高纯度的坩埚和涂层的多晶硅锭比参照坩埚和涂层的多晶硅锭多出一倍的寿命。只要二氧化硅层足够厚,在坩埚与氮化硅之间的高纯二氧化硅层也可能产生一个积极的影响。这种在氮化硅表层的二氧化硅层有很强的机械应力足以接触熔融坩埚而且这种氮化硅坩埚有利于装料将被应用到坩埚生产商中。这种涂层的氧溶解到熔体已经通过寿命和电池特征进行了研究和评估。

多晶硅太阳能电池通常由石英坩埚表层的氮化硅的高纯硅的定向凝固而成。多晶硅凝固的过程中最主要的问题就是要避免杂质进入到硅中,并且尽量减少物质在凝固和冷却过程中产生应力所造成的的位错。也就是众所周知的结构缺陷。(例如,位错和晶界)杂质之间的相互作用也会对太阳能电池的性能有着严重的影响[1,2]。
当硅在熔炉中定向凝固的时候会通过原料,炉内气氛,坩埚和坩埚涂层引入杂质。大部分的杂质在进入到熔体中后会被分离到固化硅锭的顶端。然而,杂质扩散到固体硅中时是非常难移除的,从而使坩埚和涂层成为重要的污染源。所以说涂层的目的就是禁止石英坩埚与硅反应造成的坩埚失败和减少杂质从坩埚到硅中的扩散。然而,坩埚和涂层自身可能就是污染源。氮化硅涂层是很脆的很容易在坩埚装料的过程中破裂。
本文中的一些问题是由挪威科技大学和维苏威大学合作共同研究的。比如坩埚和涂层纯度对硅的性能的影响已经进行了研究[3]。此外,一种新型的在氮化硅涂层的上面额外添加了二氧化硅层来接触熔体的坩埚已经通过了测试。这个二氧化硅层的目的是要形成一个高抵抗的涂层。这种已经被涂层并且将简化装料的坩埚随后可能会转交到硅片生产商手中[4]。

凝固实验是在一个半工业规模的Crystalox DS厂中进行的,250炉多晶硅定向凝固成12公斤直径250毫米高度约100毫米的圆柱形锭。加热和凝固顺序被描述在[3]处。在一系列的实验中,三种不同的坩埚是涂有100-150毫米的氮化硅层,都已经在盐酸/氢***酸溶液中清洗,用来将金属杂质的质量分数减少到百万分之一[3]。太阳能级硅的标准熔融石英坩埚作为参照物1,第二个坩埚是覆盖了高纯二氧化硅层和第三个坩埚直接是由高纯硅制成的。坩埚的杂质含量列于表1.
表一标准级硅坩埚(参照),高纯级坩埚,和高纯硅涂层(百万分之一质量)的杂质集中区域(所有数据均由维苏威提供)
表二涂层和坩埚的使用概述
纯UBE是在酸液中清洗的Si3N4[4]。“O添加”是浓缩氮化硅的专利氧。新历:新的标准,低铁级。附录:以前的标准。
在第二系列实验中,另外的三个凝固实验也进行了:一个参照实验(参照2)其坩埚覆盖了一层工业氮化硅(100-150毫米厚),另外2个坩埚用的是RTU坩埚(RTU1和RTU2)。这种即用型(RTU)的坩埚是跟参照实验坩埚相同质量的但是覆盖的是一层