《太陽能電池的硅晶體生長》的寫作目的是為了向讀者介紹應(yīng)用于太陽能電池的各類硅晶體生長機理、模擬、工藝及特性。本書首先論述了制備硅原料的冶金級硅方法、西門子法和冶金法,然后討論了生產(chǎn)單晶硅棒的切克勞斯基法和區(qū)熔法、生長多晶硅鑄錠的定向凝固法、鑄造單晶硅技術(shù)以及多晶硅鑄錠的亞晶界問題,再論述了可以替代硅片的帶硅和球形硅技術(shù),接著解釋了制備晶體硅薄膜太陽能電池的液相外延法、氣相外延法、閃光燈退火、鋁誘導(dǎo)層交換,*后提供制備太陽能級硅需要的熱化學(xué)數(shù)據(jù)庫和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫!短柲茈姵氐墓杈w生長》可以作為一本參考書,適合物理系、材料系、化學(xué)系、光學(xué)系、電子工程系、動力與能源系或其他相關(guān)專業(yè)的本科生、研究生和教師,學(xué)習研究太陽能硅晶體生長技術(shù)。本書也可以作為太陽能研究機構(gòu)科學(xué)家或太陽能企業(yè)工程師的參考資料,為研究、開發(fā)、生產(chǎn)各種硅晶體提供幫助。
即使對于多晶硅硅片(multicrystalline Si wafer),其宏觀特性也可以在晶體生長過程中,通過控制其微觀結(jié)構(gòu)加以改變。
前言
21世紀的人類不但要面對日益嚴重的全球氣候變暖,還要試圖解決石化資源的逐漸耗竭問題。在未來一個世紀中,大多數(shù)自然資源將被耗盡,特別是石油、天然氣和鈾礦將出現(xiàn)不可避免的短缺。如今,人們認識到應(yīng)該加快研究開發(fā)可再生能源技術(shù),并且大規(guī)模發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)。
太陽能是一種終極自然資源。雖然30%的太陽能(solar energy)被地球反射,我們還可以充分地利用70%的太陽能。2000年全世界能源需求量約9 000百萬噸石油當量(million tonnes oil equivalent,MTOE),而可使用的太陽能是其數(shù)千倍。即使在2050年,用太陽能只供應(yīng)全世界能源需求的10%,我們也必須連續(xù)40年每年生產(chǎn)40GW的太陽能電池(solar cell),這要求每年400 000噸的硅原料(silicon feedstock)。我們相信這是一個可以實現(xiàn)的目標,因為這相當于將全世界2005年的硅原料產(chǎn)量增加12倍。為了實現(xiàn)在2050年太陽能占全球能源使用量10%這個目標,我們需要發(fā)展數(shù)種關(guān)鍵材料,考慮各種材料的生命周期,建立清潔能源循環(huán)。在數(shù)種關(guān)鍵材料中,Si無疑是最重要的,因為現(xiàn)在90%的太陽能電池都基于Si,而其發(fā)展趨勢將是大規(guī)模的。
為了推動高轉(zhuǎn)換效率晶體硅太陽能電池(crystalline silicon solar cell)的發(fā)展,日本東北大學(xué)(Tohoku University)的材料研究學(xué)院(Institute for Materials Research,IMR)分別在2004年和2005年組織了2次國內(nèi)研討會,從材料科學(xué)(materials science)的角度探討太陽能電池的硅晶體生長。隨后,IMR和日本學(xué)術(shù)振興會(Japan Society for the Promotion of Science,JSPS)的晶體生長科學(xué)技術(shù)(Science and Technology of Crystal Growth)第161號委員會在2006年10月2~3日共同組織了第一屆晶體硅太陽能電池科學(xué)技術(shù)國際研討會(International Workshop on Science and Technology of Crystalline Si Solar Cells,CSSC)。這個國際研討會作為一個論壇,為大學(xué)、研究機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)界的科學(xué)家和工程師提供了一個相聚的機會,可以從材料科學(xué)的角度共同探討晶體硅太陽能電池發(fā)展的最新成果和現(xiàn)有挑戰(zhàn)。CSSC-2于2007年12月7~9日在中國的廈門舉行,而CSSC-3于2009年6月3~5日在挪威的特隆赫姆(Trondheim)舉行。而且,IMR和JSPS第161號委員會于2008年5月21~24日在日本的仙臺(Sendai)的第4屆亞洲晶體生長和晶體技術(shù)會議(4thAsian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology,CGCT-4)上組織了太陽能電池和清潔能源技術(shù)(Solar Cells and Clean Energy Technology)專題討論會。本書的多數(shù)章節(jié)是基于這些會議和論壇的學(xué)術(shù)討論。編者衷心感謝CSSC和CGCT-4所有參與者對本書的貢獻。
現(xiàn)在有數(shù)本介紹太陽能電池總體方面的著作,但是其重點是器件物理學(xué)(device physics),而晶體生長技術(shù)方面的描述較少。甚至可能存在一些誤解,認為太陽能電池的晶體生長沒有進一步的改進空間。但是,這樣的觀點有欠妥當。即使對于多晶硅硅片(multicrystalline Si wafer),其宏觀特性也可以在晶體生長過程中,通過控制其微觀結(jié)構(gòu)加以改變。本書提供的基礎(chǔ)知識應(yīng)該可以為太陽能電池材料的新型晶體生長技術(shù)的未來發(fā)展做出貢獻。
中島一雄
宇佐美徳隆
高揚,2002年上海交通大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)學(xué)士,2004年美國光學(xué)排名前5的University of Central Florida物理學(xué)碩士,導(dǎo)師為互聯(lián)網(wǎng)光纖通訊用激光傳輸速度世界紀錄保持者;貒ぷ12年,主要供職于美資世界最大光纖通訊器件公司和美資太陽能咨詢公司等單位,對各種新型太陽能電池技術(shù)的發(fā)展都在實際工作中有深刻的理解,對太陽能多晶硅/硅片/電池/組件/逆變器/支架/儲能的研發(fā)/生產(chǎn)/質(zhì)量/設(shè)備/輔材也有較全面的認識。目前,獨立經(jīng)營太陽能咨詢外貿(mào)公司,主要服務(wù)于歐美亞洲的企業(yè)客戶,業(yè)績良好。
名詞縮寫表
參數(shù)符號表
1硅原料
1.1概論
1.1.1主要技術(shù)路線
1.1.2雜質(zhì)
1.2冶金級硅
1.3西門子法
1.4冶金法
1.4.1氧化去除硼
1.4.1.1鑄桶提純?nèi)墼?/p>
1.4.1.2熔渣特性
1.4.2與水蒸汽反應(yīng)去除硼
1.4.3真空處理去除磷
1.4.4凝固提純
1.4.5溶劑提純
1.4.6浸出去除雜質(zhì)
1.4.7電解/電化學(xué)純化
1.4.8沉淀去除夾雜
1.4.9過濾去除夾雜
參考文獻
2切克勞斯基法
2.1概論
2.2熱場設(shè)計
2.2.1功率和生長速率
2.2.2界面形狀和熱應(yīng)力
2.2.3氬氣消耗和石墨降解
2.2.4產(chǎn)額提升
2.3連續(xù)加料
2.3.1數(shù)次加料
2.3.2鍍膜坩堝
2.3.3大尺寸和連續(xù)生長
2.4改善晶體質(zhì)量
2.5小結(jié)
參考文獻
3區(qū)熔法
3.1概論
3.2原料棒
3.2.1西門子法和硅烷法
3.2.2切克勞斯基法
3.2.3顆粒狀原料
3.3區(qū)熔法的摻雜
3.4技術(shù)限制
3.5二次區(qū)熔法
3.6區(qū)熔法的潛力
3.7小結(jié)
參考文獻
4定向凝固法
4.1概論
4.2控制結(jié)晶過程
4.3晶體中的雜質(zhì)
4.4凝固的三維效應(yīng)
4.5小結(jié)
參考文獻
5鑄錠單晶硅
5.1概論
5.2小平面枝晶
5.3平行孿晶
5.4枝晶生長理論模型
參考文獻
6亞晶界
6.1概論
6.2亞晶界的結(jié)構(gòu)分析
6.3亞晶界的電學(xué)特性
6.4亞晶界的產(chǎn)生機理
6.5小結(jié)
參考文獻
7帶硅生長
7.1概論
7.2帶硅技術(shù)的各種類型
7.2.1第I類帶硅
7.2.1.1邊緣限制薄膜生長
7.2.1.2線帶
7.2.2第II類帶硅
7.2.2.1襯底帶硅生長
7.2.3技術(shù)比較
7.3材料特性和太陽能電池工藝
7.3.1耐火材料
7.3.2帶硅材料特性
7.3.2.1邊緣限制薄膜生長和線帶
7.3.2.2襯底帶硅生長
7.3.3帶硅太陽能電池
7.3.3.1帶硅的氫化
7.3.3.2太陽能電池工藝
7.4小結(jié)
參考文獻
8球形硅
8.1概論
8.2過冷熔體的晶體生長
8.3枝晶的分裂
8.4一步滴管法
8.5小結(jié)
參考文獻
9液相外延法
9.1概論
9.2生長動力學(xué)
9.3溶劑和襯底的優(yōu)化
9.3.1溶劑的選擇
9.3.2襯底表面的自生氧化物
9.4實驗結(jié)果
9.4.1外延層厚度和生長速率
9.4.2外延層的摻雜和電學(xué)特性
9.5多晶硅襯底上的生長
9.5.1太陽能電池特性
9.6低溫液相外延法
9.7異質(zhì)襯底液相外延法
9.8外延橫向過度生長
9.9高生產(chǎn)速率液相外延法
9.10小結(jié)
參考文獻
10氣相外延法
10.1概論
10.2理論分析
10.2.1流體力學(xué)
10.2.2生長動力學(xué)
10.2.2.1氣體中氣流和襯底上氣流
10.2.2.2生長速率
10.2.2.3邊界層模型
10.3實驗方法
10.3.1SiH2Cl2/H2系統(tǒng)
10.3.2外延層的摻雜
10.3.2.1摻雜水平
10.3.2.2摻雜分布
10.4外延生長設(shè)備
10.5小結(jié)
參考文獻
11閃光燈退火
11.1概論
11.2實驗設(shè)備
11.3熱擴散長度
11.4相變
11.5輻照度控制
11.6制備太陽能電池
11.7多晶硅薄膜的微結(jié)構(gòu)
11.8小結(jié)
參考文獻
12鋁誘導(dǎo)層交換
12.1概論
12.2總體技術(shù)
12.3動力學(xué)分析
12.4結(jié)構(gòu)特性和電學(xué)特性
12.5滲透膜的影響
12.6理論模型
12.7光伏應(yīng)用
12.8小結(jié)
參考文獻
13熱化學(xué)數(shù)據(jù)庫和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫
13.1概論
13.2熱化學(xué)數(shù)據(jù)庫
13.2.1熱力學(xué)描述
13.2.1.1元素和化學(xué)計量化合物
13.2.1.2溶液
13.2.1.3溶解度
13.2.1.4平衡分布系數(shù)
13.2.1.5退縮性溶解度
13.2.2典型實例
13.3動力學(xué)數(shù)據(jù)庫
13.3.1雜質(zhì)擴散率
13.3.2典型實例
13.4應(yīng)用熱化學(xué)數(shù)據(jù)庫和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫
13.4.1溶解度和分布系數(shù)
13.4.2表面張力
13.4.3多晶硅中雜質(zhì)的晶界分凝
13.4.4確定潔凈區(qū)寬度
13.5小結(jié)
參考文獻
英漢索引
漢英索引