投料量和拉速对N型直拉单晶硅氧碳含量及电性能的影响

尹东坡

【摘 要】研究了投料量和拉速对N型直拉单晶硅头部氧碳含量和漩涡缺陷的影响，并对漩涡缺陷和氧含量对少子寿命及电池性能的影响进行了分析。头部氧含量随着投料量增加而升高，随着拉速提高而降低，碳含量与投料量和拉速的关系不大。投料量增加将会引起漩涡缺陷的增加，而提高拉速对其具有抑制作用。漩涡缺陷和高氧含量诱发的二次缺陷均会降低单晶硅少子寿命，增加电池低效段比例。

【关键词】直拉单晶硅；投料量；拉速；氧碳含量；电性能

随着对太阳能电池需求的不断增加，光伏市场竞争日趋激烈，为了使N型单晶电池能够满足市场需求，保证转换效率的同时必须不断降低成本。为此，保证N型单晶硅内在品质并进一步降低生产成本是必然趋势，而扩大晶体直径、加大投料量则是降低成本的重要手段。本文采用直拉法生产8寸N型单晶硅，对投料量和拉速改变后氧碳含量、少子寿命及电池性能进行了测试，并对氧碳含量和内部缺陷与硅棒电性能的关系进行了分析。

1.试验部分

1.1基本试验条件

采用TDR-100型单晶炉，22寸热场，共进行5次实验，前3次投料量分别使用120kg、130kg、140kg，等径前200mm平均拉速为0.9mm/min，命名为CZ120、CZ130、CZ140-1。后两次实验投料量使用140kg，等径前200mm平均拉速分别为1.0mm/min和1.1mm/min，命名为CZ140-2、CZ140-3。

1.2取样及分析测试

晶棒破段后，使用Sinton instruments测试仪测试晶棒头部少子寿命；取每根样品头部2mm硅片进行化学抛光和清洗，使用Thermo Nicolet FT-IR spectrometer测试氧碳含量，使用BT Imaging LIS-P1测试硅片PL图；切片厚度200μm，取晶棒头部200mm硅片（约530片）在单晶电池线制作电池并进行性能测试，取不同电池效率范围样片进行PL测试。

2.结果和讨论

2.1投料量及拉速对氧碳含量的影响

所示随着投料量从120kg增加到140kg，头部氧含量逐渐从25.1ppma上升到31.2ppma，而拉速从0.9mm/min增加到1.1mm/min，氧含量从31.2ppma下降至28.8ppma。

晶棒中氧含量主要受到氧产生和输送控制，CZ120、CZ130、CZ140-1除投料量外其他工艺参数不变，单位体积内氧产生量变化不大，所以氧含量增加主要受热对流影响。热对流主要是熔体中温度差产生，热熔体沿坩埚壁上升，到坩埚中心下降[1]。

等径初期，熔体较多，拉速提升对熔体对流影响不大。但拉速提升后，单位时间内进入单晶棒的氧含量减少，所以从CZ140-1到CZ140-3氧含量逐渐下降。

碳主要来自多晶硅原料、晶体生长炉内的剩余气体以及石英坩埚与石墨器件的反应。高温石英坩埚与石墨加热器件反应，生成SiO和CO，其中CO气体不易挥发，大多进入硅熔体与熔硅反应，产生单质碳和SiO，而SiO大部分从熔体表面挥发，碳则留在熔硅中，最终进入晶体硅。

试验中使用原料均为高纯原硅料且投料量和拉速的改变对加热器功率影响不明显，由于碳分凝系数较低，实验中头部碳含量均保持在较低的水平，范围在0.4-0.6ppma。

2.2投料量及拉速对少子寿命影响

随着投料量增加少子寿命逐渐降低，由CZ120的2570μs大幅降至CZ140-1的787μs，降低69%。而随着拉速的增加少子寿命逐渐增加，CZ140-3提升至2184μs。试验棒头部出现较严重的漩涡，而对比片（硅棒400mm左右样片）漩涡不太明显。

等径初期由于熔体对流较强且转肩后温度不够稳定，造成生长界面温度波动较大，并且晶体是一边旋转一边生长，容易在晶体中形成呈条纹状分布的微缺陷，即漩涡缺陷。随着等径过程的进行，生长界面温度趋于平稳且熔体高度降低、对流减弱，漩涡缺陷也相应减弱，对比片漩涡条纹不明显。

随着投料量从120kg增加至140kg，熔体高度增加，如前面讨论的格拉斯霍夫数增大，熔体自然对流增强。增强的自然对流造成固液生长界面的温度波动更加剧烈，剧烈的温度波动更易使晶体内部形成漩涡缺陷，进而发展成为位错。位错对少子寿命有很大的影响，所以投料量增加后少子寿命逐渐降低。另外由于投料量提升后氧含量进一步升高，氧容易与漩涡缺陷相互作用或以其他形式引起二次缺陷（如位错和堆垛层错），对少子寿命产生影响。

随着拉速的增加，晶体界面附近的温度梯度减少，熔体界面附近的温度梯度也相应减小，即界面附近温度波动减弱，漩涡缺陷被抑制。所以随着拉速的增加，少子寿命逐渐升高。另外，拉速提高后氧含量的降低对少子寿命也有一定贡献。

2.3 投料量及拉速对电池性能的影响

取各实验棒头部前200mm进行切片并跟踪电池性能。定义电池效率小于17.5%为低效片。通过低效片数量可计算出晶棒中产生低效片的单晶硅棒长度（从等径头部开始计算）。

即：低效长度=低效片数量*槽距/合格率

其中槽距按照0.365mm计算，合格率按96%计算。

各实验单晶棒低效长度随着投料量从120kg增加至140kg，低效长度从27mm增加至167mm；随着拉速增加至1.1mm/min，低效长度降低至57mm。低效率片（16.9%）中整片均存在较严重的条纹，尤其是中心部分，这是我们常说的“黑心片“。中效率片（17.6%）外围存在一定的条纹，而高效片（18.4%）中整片均为发现条纹。

如前面讨论的，晶棒头部均存在一定的漩涡缺陷，对硅片的少子寿命产生影响，这种影响将会延续到电池，造成电池产生“黑心片”。尤其是当投料量增加后，由于温度波动产生的漩涡缺陷影响的范围进一步增加，电池中低效的比例急剧增加，投料量增加1.2倍，而低效长度增加6.2倍。如果只增加投料量而不相应改变工艺参数将对电池性能产生巨大影响。拉速提升后，低效长度减小，这进一步证实了前面讨论的观点，即拉速提升对漩涡缺陷产生抑制作用，使漩涡缺陷影响范围减小。

根据V.V.Voronkov文献，V/G存在临界值，当V/G大于临界值时主要以空位缺陷为主，相反则以自间隙缺陷为主，氧容易在空位和自间隙缺陷交界处的一定范围内成核，后续进一步发展成为环状的氧化诱生堆垛层错（OISF），该过程主要受V/G和氧含量控制。中效片中“黑环”可能为OISF，该缺陷会影响少子寿命，进而影响电池性能。由于头部高的氧含量，OISF缺陷也应存在与低效片中，但与漩涡缺陷都为环状，不易分辨。这与前面讨论的氧含量对少子寿命的影响是相一致的。

3.结论

随着投料量从120kg提升至140kg，头部氧含量提升1.24倍，拉速从0.9mm/min提升至1.1mm/min，氧含量降低7.7%，投料量和拉速的改变对碳含量影响不大。投料量增加将会引起漩涡缺陷的增加，而提高拉速对漩涡缺陷具有抑制作用。漩涡缺陷会降低硅棒少子寿命，增加硅棒低效长度，在电池中产生“黑心片”。高的氧含量会诱生二次缺陷，如OISF，对少子寿命和电池效率产生不良影响。提高投料量并相应提高拉速，降低成本的同时可保证后续电池性能稳定。

【参考文献】

[1]宇慧平等.数值模拟自然对流对直拉单晶硅的影响[J].人工晶体学报，2006，（4）：695-701.

[2]阙端麟等.硅材料科学与技术[M].杭州：浙江大学出版社，2000.