定向凝固提纯过程中冶金法多晶硅晶体缺陷动态演变及其电学性能研究

The solar grade silicon made by metallurgical route has potential application prospect. As solar cells materials, it has many crystal defects compared with polysilicon made by Siemens method. So study on crystal defects and electrical properties of solar grade silicon via metallurgical route is proposed in this project. Based on change the condition parameters such as solifacation rate, temperature gradient, melt-solid surface, impurities content and crucible material, the laws of impurity distribution and precipitation, the crystal defects and its types, the distribution characteristics of thermal stress and resistivity of metallurgical route solar grade silicon are systematically investigated. Combined with high temperature microscope technique, crystal defects are in situ studied. Formation, transformation and elimination of defects process and evolution discipline are studied directly. Regulation mechanism, restraining measures and electrical properties improvement are obtained. Relationship between the impurity distribution, crystal defects and defect types, distribution thermal stress and electrical properties of solar grade silicon via metallurgical route is built. So crystal preferred orientation growth and the grain boundary cleanliness control can be satisfied to find the measures of electrical properties improvement. Our work will lay the foundation for quality and electrical properties improvement of solar grade silicon via metallurgical route and promote the large-scale applications of polysilicon made by metallurgical route.

冶金法多晶硅作为太阳电池转换材料具有潜在的应用前景，与西门子法多晶硅相比，存在晶体缺陷相对较多等问题。基于此，本项目提出定向凝固提纯过程中冶金法多晶硅晶体缺陷动态演变及其电学性能研究。通过改变凝固速度、温度梯度、固液界面、杂质含量、容器材料等条件，系统研究冶金法多晶硅中杂质分布和沉淀规律、晶体缺陷类型及密度、热应力分布规律之间的关联及其对电学性能的影响；结合高温显微技术，开展晶体缺陷的原位动态研究，直观的研究冶金法多晶硅中晶体缺陷连续动态的形成、转变与消除过程及演变规律；研究定向凝固提纯过程中冶金法多晶硅晶体缺陷调控机制与抑制措施及电学性能改善机理，构建冶金法多晶硅从杂质分布到晶体缺陷再到热应力分布与其电学性能之间的相互关系及作用机制，实现晶体择优取向生长和洁净晶界形成，提供改善电学性能的方案，为定向凝固提纯过程中冶金法多晶硅的品质提升和电学性能提高奠定基础，促进冶金法多晶硅的大规模应用。

冶金法多晶硅作为太阳电池转换材料具有潜在的应用前景。对于晶体缺陷相对较多等问题，本项目提出对定向凝固提纯过程中冶金法多晶硅晶体缺陷动态演变及其电学性能研究。在定向凝固提纯对晶体缺陷影响机制的研究中，对定向凝固提纯中杂质在硅锭中浓度的分布情况开展了研究。其中Cu杂质浓度在顶部和底部差异达到40倍以上。对此定向凝固过程的数值模拟，发现硅锭底部应力达到70.65MPa。优化工艺后再次定向凝固提纯获得硅锭，结果表明， Cu杂质的含量均低于0.5ppmw，最高去除率达到97.4%，并且硅锭中部的平均少子寿命提高到了5.85μs以上，边部平均少子寿命提高到2.99μs以上，同一高度的硅片电阻率最大差异在0.2Ω•cm-1以内。同时数值模拟结果表明，硅锭最高的应力值也下降到30.99Mpa。.在对定向凝固提纯过程中凝固速度对冶金法多晶硅中晶体生长取向、晶体缺陷类型及其密度、以及电学性能的影响规律研究中。系统研究了冶金法多晶硅中杂质分布和沉淀规律、晶体生长取向、晶体缺陷类型及密度之间的相互影响规律及其与少子寿命和电阻率分布规律之间的内在关系。在1420℃的熔炼温度下，分别以5μm/s、10μm/s、15μm/s、20μm/s的下拉速率开展定向凝固实验研究。发现最优下拉速率为15μm/s，此时硅片整体位错密度较低，数值在5.5~7.98×103cm-2之间，少子寿命平均值在0.91~1.72μs之间，电阻率的波动范围在0.56~0.76Ω•cm之间。.将缺陷形成与转变的原位动态演变研究和晶体缺陷转变与消除的原位动态演变研究这两部分内容相结合，对晶界、位错等缺陷在高温下动态演变过程开展了原位、动态的研究工作。研究结果表明，在高温退火过程中，由晶界迁移引起晶粒尺寸变化，晶粒尺寸最大增加了36.08%。在1100℃保温120s的实验中，晶粒出现趋向（001）晶向优化的行为。热处理能使高Σ值（高于Σ27）晶界减少，其中Σ27a减少78.34%，Σ29b减少53.26%，Σ33a和Σ33b完全消失；低Σ值（Σ3-11）晶界增加，其中Σ9增加6.08%，Σ3增加0.13%，从而使硅片电学性能得到改善。