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1、专业英语文献翻译专业英语文献翻译学 院： 冶金与能源工程学院专 业：动力工程姓 名：王通学 号： 2014702012 老 师：刘慧利、李丹高温退火对物理提纯多晶硅位错密度及其电学性能的影响徐华毕， 洪瑞江*， 沈辉中山大学太阳能系统研究所，光电技术与材料国家重点实验室，广州 510006联系人， E-mail: hongruij2010-03-29 收稿， 2010-06-12 接受国家自然科学基金(50802118)和粤港关键领域重点攻关项目(2008A011800004)资助摘要：对纯度约为99.999%的物理提纯多晶硅片进行不同高温退火工艺热处理，经机械抛光和表面刻蚀后再用扫描电子显微

2、镜(SEM)观察硅片内部位错密度变化情况，并通过WT2000 少子寿命测试仪和双电四探针测试仪测试其少子寿命和电阻率变化情况。结果表明，在11001400之间退火6 h 的情况下，随着退火温度的升高，物理提纯多晶硅片内部位错密度逐渐减小甚至消失，然而硅片少子寿命和电阻率等电学性能不但没有随着位错密度的减小而提高，反而呈现逐渐降低的趋势。这一现象说明对于杂质含量高的低纯度物理提纯多晶硅片来说，位错密度并不是影响材料对载流子复合性能高低的决定性因素，高含量的杂质以及杂质在晶体内部造成的微缺陷(包括间隙态或替位态杂质以及纳米级杂质沉淀)才是决定其少子寿命等电学性能的主要因素。关键词：物理提纯多晶硅高

3、温退火位错密度少子寿命近年来物理提纯硅材料(亦称冶金硅)由于其生产工艺相对简单且成本较低而逐渐受到光伏产业界的普遍关注，被视为将来最有可能取代传统改良西门子法生产的高纯硅太阳电池原材料13目前物理提纯硅材料生产成本已经降低到20 美元/千克以下，纯度达到99。999%(简称5N)，制备出的单晶太阳电池效率已达到13.3%以上。随着生产技术的进步和工艺的改善，其成本将进一步降低并且纯度也将进一步提高。由于富含大量的杂质 (杂质原子总浓度约为1018cm3 左右)，物理提纯硅所制备出的电池效率还比较低。因此，如何在纯度和成本均低于高纯硅(7N)的物理提纯硅材料上制备出效率尽可能高的太阳电池已成为当

4、前国内外研究的一个热点课题。物理提纯硅由于富含高浓度的杂质而存在大量的结构缺陷(包括位错和杂质沉淀等)，尤其是物理提纯多晶硅除了晶粒内存在大量结构缺陷之外不同晶粒之间还存在高密度的晶界。这些位错和晶界为各种杂质提供了沉积场所而成为强有力的载流子复合中心，从而降低了硅材料和太阳电池的性能46。在这些不同形式的结构缺陷与各种杂质相互作用形成载流子复合中心的过程中，晶体内位错密度的大小是否对载流子复合起到决定性作用一直是众说纷纭的话题。Hartman 等人7曾经报道高密度的位错即使是在“干净”(没有杂质沉积)的情况下也会对少子寿命起到很大的不利影响，1170以上的高温退火可以大幅度降低多晶硅片内部的

5、位错密度，进而降低位错对载流子的复合能力提高硅片的少子寿命。Ohshita等人8也曾报道多晶硅晶界并不是造成硅片和电池性能降低的主要因素，而在多晶硅片体内尤其是少子寿命较低区域呈现出的大量刻蚀坑(经Secco腐蚀液刻蚀后显示出的位错)作为载流子复合中心，对材料少子寿命起了决定性作用。针对硅片体内位错密度对少子寿命是否起决定性作用这一问题，本文在纯度约为5N 的物理提纯多晶硅片上进行11001400高温退火热处理实验，然后经过机械抛光，再用扫描电子显微镜(SEM)，WT2000 少子寿命仪和四探针测试仪分别观察和测试不同退火温度下硅片体内位错密度、少子寿命和电阻率的变化情况。1 材料和方法()

6、实验材料和仪器。本实验过程中所采用的物理提纯多晶硅片由上海普罗新能源有限公司提供，纯度约为5N。硅片中除碳(C) 和氧(O) 含量约为10171018 cm3 之外，其余的硼(B)、磷(P)、铁(Fe)、铝(Al)和钙(Ca)等一些主要金属杂质质量百分比含量如表1 所示(测试数据由硅片生产厂家提供)。实验中使用的主要仪器和设备有: 真空高温管式炉(GSL-1600X，合肥科晶材料技术有限公司)，SEM(EVO-LS，德国)，少子寿命仪(WT2000，匈牙利SEMILAB公司)，四探针测试仪(RTS-9，广州四探针科技有限公司)。() 实验方法。为了便于对比不同温度下退火工艺对硅片位错密度和电学

7、性能的影响，硅片样品均选用紧邻在一起的姊妹片，这样可以近似认为硅片在退火处理之前具有相同的物理结构、组成和性质，包括位错密度、晶界结构、少子寿命、电阻率以及杂质含量和分布等。选取物理提纯多晶硅相邻的姊妹片4 片，取其中1 片作为对比样品(原片)，另外3 片多晶分别在1160， 1260 和1360三个温度点下采用真空高温管式炉进行退火6 h，各退火工艺温度条件如图1 所示。高温退火过程中均采用氮气(N2)保护，退火后的样品和原片一起经过机械抛光清洗后再在Sirtl腐蚀液(HF:5MCrO3) 中刻蚀30 s 以便用SEM 观察硅片内部位错密度变化情况，然后借助WT2000 少子寿命仪测试少子寿

8、命并用四探针测试仪测量其电阻率。2 结果和分析2。1 位错密度的变化物理提纯多晶硅片分别在1160，1260，1360，在N2 保护的气氛下进行连续高温退火6 h，经过不同高温退火工艺处理的硅片和原片一起采用机械抛光后再用Sirtl腐蚀液刻蚀30 s，之后采用SEM 观察其位错密度变化情况。图2 则是多晶硅样品经过不同温度退火后某一具有代表性晶界处平均位错密度的统计结果，图3 则是对应温度下其表面刻蚀坑在放大2000 倍后所看到的SEM 对比照片。图1 高温退火温度条件(a) 1360; (b) 1160/1260图2 物理提纯多晶硅退火后平均位错密度变化情况图3 物理提纯多晶硅片不同温度下退

9、火后位错密度变化对比SEM照片(放大2000倍)(a)原片;(b)1160;(c)1260;(d)1360从图中可以看出:3 个多晶硅姊妹片分别经过不同温度退火后与原片相比，其刻蚀坑的密度均有不同程度的降低，且随着退火温度的升高呈逐渐减小的趋势。特别是当退火温度达到1360时，硅片上除了晶界仍然清晰可见图2 物理提纯多晶硅退火后平均位错密度变化情况表1 物理提纯多晶硅片主要杂质质量百分比含量杂质 B P Fe Al Ca Cu Ni Cr Pb含量(%) 0。00032 0。0005 0。0002 0。0003 0。0002 0。0001 0。0001 0。0001 7N)的硅料来说，晶体内部

10、晶界和位错密度往往是决定材料对载流子复合能力高低的主要因素，这种说法在Ehret等人18对电磁浇铸(EMC)硅材料的研究中得到了应证。3 结论通过对高杂质含量低纯度的物理提纯多晶硅片进行10001400高温退火实验可知: 随着退火温度的升高，硅片内部位错密度逐渐减小，与此同时，硅片少子寿命和电阻率也随之下降。这表明对于纯度约为5N 杂质含量较高的物理提纯硅来说，特别是多晶硅，晶体内部位错密度并不是决定材料对载流子复合性能高低的主要因素，决定材料复合性能高低的是高浓度杂质尤其是金属杂质在晶粒中的化学结构和状态及其在晶粒中的空间分布情况。因此，在物理提纯硅片制备成太阳能电池的过程中，采用合适的温度

11、进行退火处理，以期将某些有害杂质转化成复合性能更低的化学结构和状态是尤为必要的。参考文献1Gribov B G,Zinovev K V.Preparation of high-purity silicon for solar cells.Inorg Mater,2003,39: 6536622Mller A, Ghosh M,SonnenscheinR,et al. Silicon for photovoltaic applications. Mater SciEng B, 2006,134: 2572623Bathey B R,Cretealla M C. Review: Solar-gra

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