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![毕业设计(论文)-多晶硅铸锭石英坩埚和氮化硅涂层的研究[管理资料]](https://img.taocdn.com/s1/m/185b710e04a1b0717ed5ddad.png)
多晶硅铸锭石英坩埚和氮化硅涂层的研究摘要在多晶硅生产工艺中作为多晶硅铸锭关键的辅助材料石英坩埚和氮化硅，辅材内的杂质含量不仅影响着多晶硅的少子寿命，而且会影响着硅锭的脱模效果。
原则上讲，使用纯度越高的辅材其铸锭质量就越好，但在实际生产中过高追求质量往往会增大投入，企业真正追求的是投入产出比。
本文主要研究不同辅材对铸造多晶硅锭性能的影响，一方面对铸锭辅材生产厂家的产品开发或产品升级具有一定的指导意义，另一方面提示多晶硅铸锭厂家应根据不同辅材开发不同的工艺，有助于生产高质量的多晶硅锭，同时也降低了生产成本，提高企业生产效益。
本工作利用微波光电导衰减仪(μ-PCD)、红外扫描仪(SIRM)等测试方法对铸造多晶硅中的杂质阴影以及少子寿命的分布特征进行了系统的研究。
研究发现，氮化硅颗粒比表面积大，不利于硅锭的顺利脱模。
使用不同厂家的石英坩埚、氮化硅铸锭，硅锭的底部红区长度存在明显不同，硅锭的少子寿命和顶部红区长度也存在明显差异。
这就要求在工艺生产中，根据产品质量及制造成本的要求，针对不同厂家的石英坩埚和氮化硅，通过实验优化出投入产出比最小的辅材组合，对降低铸锭厂家制造成本，提高企业竞争力有很大的帮助。
关键词：多晶硅铸造，杂质，石英坩埚，氮化硅，少子寿命Study on Quartz Crucible and Silicon Nitride Coatingfor Casting Polycrystalline siliconABSTRACTIn the polysilicon production process,as much crystal ingot casting key auxiliary materials quartz crucible and Si3N4,the content of impurities not only affects the minority carrier lifetime of silicon ingot,also affects patterns effect of silicon principle,the higher purity speak the complementary material using,the better the quality of its silicon ingots,but in actual production high quality t ends to increase investment pursuit,to enterprise the input-output paper mainly studies different complementary material of casting polycrystalline silicon ingots,on the one hand, the influence on the performance of the bubble complementary material manufacturer in the product development or product upgrades has certain directive significance,on the other hand ,many crystal ingot casting factory should develop different technology according to different auxiliary materials,helps to manufacture high quality polycrystalline silicon ingot, also reduces production cost, improves production efficiency.In this work,the shade of impurities in casting polycrystalline silicon as well as their impacts on the minority carrier lifetime in mc-si ingots have been systematically studied by means of Microwavephoto Conductive Decay(μ-PCD),Scanning Infrared Microscopy(SIRM).Study found that Si3N4 particle specific surface area,going against the silicon ingots demoulding the quartz crucibles and the silicon nitride from the different manufacturer,the length of red zone at the bottom of the silicon ingots is different minority carrier lifetime and the length of red zone at the top of the silicon ingots are also producing,according to the product quality and the manufacturing cost requirements for different manufacturer quartz crucible and nitride,it requires to optimize the smallest input-output ratio complementary material combination,toreduce manufacturing costs,to enhance the competitiveness of enterprises which have very great helpful.KEY WORDS: casting crystallization,impurities,silica crucible,silicon nitride，the minority carrier lifetime.目录第一章绪论 (1)§引言 (1)§铸锭多晶硅的发展状况 (1)§多晶硅铸锭石英坩埚及氮化硅涂层 (2)§二氧化硅和氮化硅的组织结构及使用性能 (3)§二氧化硅 (3)§氮化硅 (4)§铸造多晶硅中主要杂质及影响 (5)§硅中的氧 (5)§硅中的碳 (6)§硅中的氮 (6)§硅中的过渡金属 (6)§本文研究的主要目的和内容 (7)第二章实验方案及过程 (7)§实验方案设计 (8)§实验过程 (9)§样品制备 (9)§样品检测 (11)第三章实验结果与分析 (13)§硅锭外观 (13)§少子寿命检测 (14)§ IR检测 (16)§结果分析 (17)结论 (21)参考文献 (22)致谢 (24)第一章绪论§引言自1954年美国贝尔实验室成功研制出第一块单晶硅太阳能电池以来，经过全球科技和产业界的不懈努力，太阳能电池技术和产业得到了巨大发展。
铸造多晶硅中杂质对少子寿命的影响对于太阳电池材料，勺子寿命是衡量材料性能的一个重要参数。
多晶硅锭中存在高密度的缺陷和高浓度的杂质(氧、碳以及过渡族金属铁等)。
有研究表明，相比于晶界和位错，氧、铁等主要的杂质元素对硅锭中少子寿命的影响更大。
氧是铸造多晶硅材料中最主要的杂质元素之一，间隙氧通常不显电学活性，对少子寿命没有影响。
但在晶体生长或热处理时，在不同温度氧会形成热施主、新施主、氧沉淀，氧沉淀会吸引铁等金属元素。
另外铁也被认为铸造多晶硅中最常见的有害杂质之一。
P型硅中，铁通常与硼结合成铁-硼对，铁一硼对在室温下能稳定存在，但在200℃下热处理或者强光照可以使铁一硼对分解而形成间隙铁离子和硼离子，由于间隙铁离子和铁一硼对少数载流子复合能力的不同，使得处理前后少子寿命值出现变化，从而可以建立起间隙铁浓度对应少子寿命值变化之间的关系。
杂质在铸造多晶硅硅锭中的分布，与该杂质在硅中的分凝系数K有关。
在铸造多晶硅锭料由底部向顶部逐渐凝固时，如果杂质的分凝系数K<1，则凝固过程中，固相中的杂质不断地被带到熔体中，出现杂质向底部集中，越接近底部浓度越大，相反，如果分凝系数K>1，则杂质集中在顶部，越接近顶部浓度越大。
氧主要集中在硅锭头部，其浓度呈现从硅锭底部向顶部逐渐降低的趋势。
可以认为分凝机制对于氧在熔体硅中的传递和分布起主要作用。
间隙铁分布为：头部和尾部浓度较高，中间部分浓度较低，且分布较为均匀。
这与仅由分凝机制决定的间隙铁浓度分布，特别是在底部处产生了较大偏离。
硅锭底部处出现了较大的间隙铁浓度，由于铁在硅中具有较大的扩散系数，所以这可能是硅锭底部凝固完成后的冷却过程中，铁由坩埚或者氮化硅保护层向其进行固相扩散的结果。
事实上硅锭的底部最先开始凝固，通常整个凝固过程将持续数十小时，硅锭底部将有较长时间处于高温状态，因而使得固相扩散的现象有可能发生。
固相扩散的程度与凝固后硅锭的冷却速率以及各温度下的铁的扩散系数有关。
定向凝固制备铸造多晶硅的原理及应用综述摘要：阐述了介绍了定向凝固应用于硅材料的理论基础，论述了近年来定向凝固制备技术在杂质提纯和晶体生长的研究进展，提出了定向凝固制备铸造多晶硅研究现状和存在的问题。
展望今后的发展前景，认为新型的定向凝固技术制备出的硅锭在杂质含量、晶体结构方面均优于传统凝固技术，应积极改善定向凝固技术，以制备高品质的太阳能硅材料。
关键词定向凝固；铸造多晶硅；杂质和缺陷；转化效率晶体硅太阳能电池包括单晶电池和多晶电池2种，多晶电池的市场份额占到一半以上，商业化的多晶电池效率可以达到14%左右[1]。
实验条件下，多晶电池的最高转化效率达到20.30左右，多晶电池的效率虽然略低于单晶电池1%～2%，但多晶电池制造成本低、环境污染小，仍有很高的性价比和市场[2]。
近年来，由于技术改良、电池效率提高及生产成本下降等有利因素，因而大大促进了多晶电池应用技术的发展，也使业内专家学者给予了多晶电池制备技术更多研究和关注[3]。
影响多晶电池转换效率主要有2个方面：一是多晶硅铸锭的纯度，即使材料中含有少量的杂质，对电池的光电性能就有很大的影响[4]；二是尽量减少材料中各种缺陷，多晶硅铸锭中的晶界、位错与杂质聚集成载流子复合中心，大大的降低了多晶电池效率。
由以上表述可知，要提高多晶电池的效率，必须围绕提高材料纯度和降低材料缺陷的技术进行研究，而定向凝固技术正是制备硅晶体材料的典型应用。
定向凝固技术开始只用于传统的高温合金研制，经过几十年的发展，它已经是一种成熟的材料制备技术[5]。
定向凝固技术在多晶硅铸造主要是控制晶体生长和杂质提纯2方面的应用。
定向凝固技术可以很好地控制组织的晶面取向，消除横向晶界，获得大晶粒或单晶组织，提高材料的力学性能[6]。
同时，定向凝固可生成按照一定晶面取向、排列整齐的晶体结构,由于分凝系数的不同，杂质凝聚于晶界和铸锭上方，对材料起到提纯作用。
1. 基本原理多晶硅铸锭实际上就是由定向排列的柱状晶体组合形成，形成的理论基础就是定向凝固原理。
铸造合金中的晶格缺陷及其对性能的影响铸造合金是一种重要的材料，广泛应用于制造业中。
然而，在铸造过程中，晶格缺陷往往会出现，对材料的性能产生重要影响。
本文将探讨铸造合金中晶格缺陷的种类以及这些缺陷对材料性能的影响。
一、晶格缺陷的种类1. 点缺陷：点缺陷是指晶格中某些原子的位置不正常。
常见的点缺陷有晶格空位、替代原子和间隙原子。
晶格空位是指晶格中原子缺失的位置，会导致晶格的松弛和原子间距的改变。
替代原子是指在晶格中存在与晶体原子不同的原子，这种缺陷也会改变晶格的结构和性能。
间隙原子是指在晶格中存在额外的原子，这些原子通常会使晶格变得更加致密。
2. 线缺陷：线缺陷是指在晶体中存在间断的晶格原子排列。
最常见的线缺陷是晶体边界，即晶体内部不同晶粒的交界处。
晶体边界会影响材料的机械性能和导电性能。
此外，晶体内的位错线也是一种线缺陷，这些位错线会对晶体的强度和塑性产生重要影响。
3. 面缺陷：面缺陷是指晶体中存在的非理想的晶面。
晶体中的晶面可能会出现扭曲、凸起或凹陷等问题。
这些面缺陷会影响材料的表面性能，例如耐腐蚀性和光学性能。
二、晶格缺陷对性能的影响1. 机械性能：晶格缺陷会导致晶体内部的应力集中，从而影响材料的强度和塑性。
晶体边界和位错线是应力集中的主要来源，它们会削弱材料的结构。
此外，晶格缺陷还会影响材料的断裂韧性和疲劳寿命。
2. 导电性能：晶格缺陷会影响材料的导电性能。
晶格中存在的点缺陷可以改变电子的能带结构和电子迁移率。
例如，替代原子可以引入杂质能级，影响电子的导电行为。
晶格缺陷还会影响电子和离子的迁移速率，从而改变材料的电导率。
3. 光学性能：晶格缺陷对材料的光学性能也有显著影响。
晶格中的面缺陷可以散射光线，影响材料的透明度和折射率。
此外，晶格缺陷还可以影响材料的光吸收和发射特性，对光电器件的性能产生重要影响。
4. 热稳定性：晶格缺陷还会影响材料的热稳定性。
点缺陷和线缺陷在高温下容易发生变化，导致晶体结构的相变和晶格的失稳。
文章编号：2095－6835（2018）24－0007－06晶硅光衰LID/LeTID研究进展综述于琨，王占友，郑海陆，郭明州，李会玲，贺美亮（保定光为绿色能源科技公司，河北保定074000）摘要：晶硅光伏电池存在的衰减包括常规的光致衰减LID及温度辅助光衰LeTID。
介绍典型LID改进的三态模型；重点介绍了吸杂、金属杂质形态转化及氢含量与温度对LeTID的影响、高注入条件对LeTID影响及4态模型、商业化抑制LeTID的技术方案。
关键词：光衰；金属杂质；钝化层；高注入水平中图分类号：TM914文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2018.24.0071973年Fischer和Pschunde最先在掺硼直拉（Cz）硅电池观察到光照过程中引起的功率衰减现象，称为光致衰减（Light Induced Degradation，LID）。
1997年Schmidt等提出光衰是由替位硼和间隙氧在光照下生成了对少子具有较强复合能力的硼氧复合体造成[1]。
2004年Schmidt提出硼氧复合体（B S O2i）形成速率与硼浓度的平方成正比[2]，形成和分解过程对温度都较敏感，体现了热激活特性。
2006年Herguth 等[3]发现掺硼直拉硅电池在光照的同时给予加热，硼氧复合对发生再生（regeneration），可用三态模型解释[4]。
状态A、B、C分别表示硼氧对缺陷复合-失活态，复合-激活态及再生态。
状态C到B的反向反应是在过高的温度下从暗退火或光照退火中消除缺陷。
其他导致光衰原因是硼氧对和铁硼对共同作用的结果[5-7]，铜相关的缺陷能引起掺硼物理提纯硅片的光衰[8]。
1硼氧改进三态模型非平衡态载流子（少子）产生的方式包括：光注入、电注入、热激发（改变温度）、高能粒子辐照、掺杂、其他能量传递方式。
少子注入可使电池中部分氢变为电中性，升高温度增强氢的扩散，使得其对硼氧缺陷的钝化有效。
退火指经过某种方式实现硼氧复合对的分解。
多晶硅铸锭的晶体生长过程在真空熔炼过后，还要经过一个降温稳定，就进入定向凝固阶段。
这个过程既是多晶硅的晶体生长过程，也能够对回收料和冶金法多晶硅料中含有的杂质进行进一步的提纯。
（一）定向凝固和分凝现象硅液中的杂质在硅液从底部开始凝固的时候，杂质趋向于向液体中运动，而不会停留在固体中。
这个现象叫做分凝现象。
在固液界面稳定的时候，杂质在固体中的数量和在液体中的数量的比值，叫做分凝系数。
分凝系数小于1的杂质，在进行定向凝固的时候，都会趋向于向顶部富集。
富集的数量和程度，取决于分凝系数的多少。
一般来说，金属杂质的分凝系数都在10-3以下（铝大约是0.08），所以，定向凝固方式除杂，对于金属杂质比较有效；而硼和磷的分凝系数分别为0.8和0.36，因此，硼和磷的分凝现象就不是太明显。
在定向凝固提纯的同时，考虑硅的长晶工艺，使得定向凝固后的硅能够成为多晶硅锭而直接进行切片，这就是将提纯和铸锭统一在一个工艺流程中完成了。
这也是普罗的提纯铸锭炉的重要提纯手段。
由于含有杂质的硅料和高纯料的结晶和熔液的性质都不太一样，因此，提纯铸锭炉所采用的热场和纯粹铸锭炉的热场是有区别的。
普罗新能源公司目前采用自己研制的提纯铸锭一体化的专利设计，比较成功地解决了这个问题，使得真空熔炼和铸锭是在一次工艺里完成的，既较好地解决了提纯的问题，也圆满地完成了铸锭的要求。
（二）晶体生长过程定向凝固分为以下四个阶段，包括：晶胚形成、多晶生长、顶部收顶、退火冷却。
晶胚形成在熔炼过后，要把硅溶液的温度降低到1440℃左右，并保持一段时间，然后，使坩埚底部开始冷却，冷却到熔点以下6-10℃左右，即1404-1408℃左右。
RDS4.0型的炉体降低底部温度的方法是降低底部功率，和逐渐打开底部热开关的方式。
和常规铸锭炉的提升保温体和加热体方式相比，由于不存在四周先开始冷却然后才逐步到中央的过程，因此，底部温度要均匀得多。
铸锭时，底部红外测温的数据不完全是硅液底部的温度，因为，该测点和坩埚底部的硅液还隔了至少一层坩埚，因此，红外温度仅能参考，还是要根据每台炉子各自的经验数据。
太阳电池用铸造多晶硅结构缺陷和杂质的研究作者：周秉林来源：《城市建设理论研究》2013年第14期摘要：铸造多晶硅作为太阳能电池中的主要光伏材料，受到人们的广泛重视。
但多晶硅晶体在生长的过程中不可避免的存在各种缺陷，加之多晶硅中存在氧、碳等杂质，制约了多晶硅电池的效率。
因此，研究不同铸锭区域多晶硅材料的性能及其影响因素，是太阳电池与硅材料研究的一个重要课题。
关键词：太阳电池铸造多晶硅结构缺陷杂质中图分类号：TM911.1 文献标识码：A 文章编号：1引言在替代能源中，应用最广泛的是直接从太阳能得到电的太阳电池，而铸造多晶硅作为最主要的光伏材料也引起人们的关注。
但在铸造多晶硅晶体的生长过程中，不可避免的会有坩埚的玷污、硅料中已有的各种杂质污染以及热应力导致的各种缺陷。
铸造多晶硅中常见的杂质主要是氧、碳及一些过渡金属，如铁、铬、镍、铜等。
含有的晶体缺陷主要有晶界和位错两种。
这些杂质和缺陷会在禁带中引入缺陷能级，具有很强的复合活性。
这就制约了多晶硅电池的效率，使得多晶硅电池与单晶硅电池相比，效率较低。
因此，研究不同铸锭区域多晶硅材料的性能及其影响因素，是太阳电池与硅材料研究的一个重要课题。
特别是关于铸锭边缘低少子寿命区域的研究，对促进铸造多晶硅晶体生长，提高铸造多晶硅材料有效利用率有着非常重要的作用。
2 铸造多晶硅中的杂质及影响因素铸造多晶硅是通过对硅原料进行重熔铸锭而成。
硅原料主要有两种：其一，半导体工业制备单晶硅剩下的头尾料、锅底料以及没制备成功而产生的废料；其二，原生多晶硅与半导体工业废料或高纯金属硅按一定比例混掺，这是由于光伏产业的高速发展导致半导体工业边角废料生产的多晶硅远远不能满足需求，于是，有的企业便采取这种方式来获得生产电池用的多晶硅。
2.1 硅片的少子寿命及其影响因素在一定温度下，处于热平衡状态的半导体材料中的载流子浓度是一定的。
这种处于热平衡状态下的载流子则称为平衡载流子，其浓度，称为平衡载流子浓度。
多晶硅铸锭中的杂质和缺陷摘要铸造多晶硅目前已经成功取代直拉单晶硅而成为最主要的太阳能电池材料。
铸造多晶硅材料中高密度的杂质和结晶学缺陷(如晶界，位错，微缺陷等)是影响其太阳能电池转换效率的重要因素。
本文综合了多组关于铸造多晶硅中的原生杂质及缺陷以及少子寿命的分布特征研究文献得到的主要结论如下：硅锭底部及顶部区域内高浓度的铁、氧等杂质为影响少子寿命值的关键因素。
此外，通过择优腐蚀结合光学显微镜以及红外扫描仪研究硅中的缺陷形态及密度分布。
结果显示位错密度大体上呈现从硅锭底部向硅锭顶部逐渐增加的趋势。
关键词：铸造多晶硅，氧，碳，铁，位错，少子寿命Defects and Impurities in Cast-Grown PolycrystallineSilicon SubstratesABSTRACTC u r r e n t l y,c a s t m u l t i c r ys t a l l i n e s i l i c o n h a s r e p l a c e d m o n o c r ys t a l l i n e s i l i c o n a s t h e m a i n p h o t o v o l t a i c m a t e r i a l s.H i g h d e n s i t y o f i m p u r i t i e s，s u c h a s o x yg e n，c a r b o n a n d i r o n，a n d d e f e c t s，s u c h a s d i s l o c a t i o n s a n d g a i n b o u n d a r i e s，p l a y a c r u c i a l r o l e o n t h e d e g r a d a t i o n o f m c-s i s o l a r c e l l s p e r f o r m a n c e.In t h i s t h e s i s T h e m a i n r e s u l t s a r e a s f o l l o w s：T h e h i g h c o n c e n t r a t i o n o f i m p u r i t i e s s u c h a s i r o n a n d o x yg e n，w h i c h c a n i n d u c e e l e c t r i c a l l y a c t i v e r e c o m b i n a t i o n c e n t e r s，i s b e l i e v e d t o b e r e s p o n s i b l e f o r t h e1i f e t i m e r e d u c t i o n i n t h e t w o s i d e s o f t h e i n g o t．F u r t h e r，t h e d e f e c t s i n m c—s i w e r e o b s e r v e d b y b o t h O M c o m b i n e d w i t h s e l e c t i v e e t c h i n g a n d S IR M．We f o u n d t h a t a s e x p e c t e d d u e t o t h e r a p i d c o o l i n g t h a t o c c u r s t h e r e a t t h e e n d o f t h e c a s t i n g p r o c e s sK E Y W O R D S：m c-S i,o x yg e n,c a r b o n,i r o n,d i s l o c a t i o n,m i n o r i t yc a r r i e r l i f e t i m e目录第一章绪论 (1)§ 1.1太阳能电池 (1)§ 1．2多晶体硅太阳电池 (2)§ 1．3多晶硅材料 (3)第二章多晶硅材料杂质及缺陷 (4)§2.1引言 (4)§ 2.2铸造多晶硅中的主要杂质 (4)§ 2.2.1 氧 (4)§ 2.2.2碳 (5)§ 2.2.3过渡族金属 (5)§ 2.3铸造多晶硅中的缺陷 (6)§ 2.3.1晶界 (6)§ 2.3.2位错 (7)§ 2.2.3应力 (10)§ 2.3多晶硅锭中杂质的分布特性 (10)§ 2-4 小结 (13)第三章铸造多晶硅的工艺研究 (14)§ 3.1 引言 (14)§ 3.2硅片的少子寿命及其影响因素 (14)§ 3.3磷扩散吸杂 (15)§3.3.1实验样品及过程 (16)§3.3.2实验结果与讨论 (16)§3.4钝化工艺 (17)§3.5小结 (18)总结 (19)参考文献 (20)致谢 (22)第一章绪论§ 1.1太阳能电池随着世界经济的发展，能源问题和环境问题显得越来越重要，直接关系到社会经济的可持续发展。
多晶硅受主杂质和施主杂质的概念一、多晶硅的基本概念多晶硅是一种由多个晶体颗粒组成的半导体材料，具有良好的导电性能和光电特性。
它被广泛应用于太阳能电池、集成电路等领域。
多晶硅的性能受到杂质的影响，其中主要包括主杂质和施主杂质。
二、主杂质的概念1. 主杂质是指对半导体材料电子结构有明显影响的杂质原子。
在多晶硅中，常见的主杂质包括磷、硼等元素。
这些主杂质在晶格中取代硅原子，导致晶格的电子结构产生变化，影响材料的导电性能和光电特性。
2. 不同的主杂质对多晶硅的影响各不相同。
以磷为例，它是一种施主杂质，可以提高多晶硅的导电性能，使其成为n型半导体材料。
而硼是一种主杂质，加入硼可以使多晶硅成为p型半导体材料。
三、施主杂质的概念1. 施主杂质是指对半导体材料导电性能有明显影响的杂质原子。
在多晶硅中，常见的施主杂质包括磷、砷等元素。
这些施主杂质可以提供额外的自由电子，增加半导体材料的导电性能。
2. 施主杂质的加入可以改变多晶硅的电子结构，使其成为n型半导体材料。
在太阳能电池制造中，常常利用磷作为施主杂质来提高多晶硅的导电性能，从而提高太阳能电池的转换效率。
四、多晶硅中主杂质和施主杂质的应用1. 在多晶硅太阳能电池中，通过控制主杂质和施主杂质的加入量和位置，可以调控太阳能电池的电子结构，提高其光电转换效率。
2. 在集成电路制造中，主杂质和施主杂质的加入可以调控晶体管的导电性能，从而实现集成电路的正常工作。
3. 主杂质和施主杂质的研究也对半导体材料的基础研究具有重要意义，有助于深入理解多晶硅的电子结构和光电特性。
五、结语通过对多晶硅中主杂质和施主杂质的概念进行了解和应用，可以更好地理解多晶硅材料的电子结构和导电性能。
对于太阳能电池、集成电路等半导体材料的应用具有重要意义，有助于材料性能的提升和产品的研发创新。
希望本文对读者对多晶硅中主杂质和施主杂质有所帮助。
多晶硅受主杂质和施主杂质的影响是一个非常重要的课题，它涉及到半导体材料的基本性质和应用。
铸造多晶硅中的金属杂质及其对硅片性能的影响摘要：关键词：多晶硅铸造多晶硅金属杂质正文：金属杂质特别是过渡金属杂质，在原生铸锭中的浓度般都低于1×10”cm 3，但是它们无论是以单个原子形式，或者以沉淀形式出现，都对太阳能电池的转换效率有重要的影响。
近期由于硅料中所含金属杂质超标，导致多个晶锭出现电阻率严重异常而整锭报废，另外还出现较多晶棒切片后的硅片电阻率出现较大波动，对公司的经济效益带来严重的影响。
下面对铸造多晶硅中金属杂质的性质及其对硅片性能的影响进行详细的分析，为多晶硅片的生产及异常硅片的处理提供一定的参考。
1.铸造多晶硅中金属杂质的来源铸造多晶硅中的金属杂质主要有Fe，Al，Ga，Cu，Co，Ni等，铸造多晶硅中金属杂质的来源主要有以下几个方面：A．原生硅料中含有一定量的金属杂质，这也是金属杂质的一个主要来源。
目前由于硅料异常紧缺，导致一些含杂质较多的硅料在市场上流通，造成铸出的晶锭出现问题的事故时有发生。
B．在硅料的清洗，铸锭及切片的整个过程中由于使用各种金属器件接触，导致金属杂质的引入。
这也是铸造多晶硅中金属杂质含量偏高的一个主要原因。
整个工艺流程中引入金属杂质的途径有很多，例如硅料清洗过程中清洗液的残留，晶锭转运过程中使用的不锈钢转运车，多晶硅棒破碎过程中所使用的铁锤等。
2.过渡族金属在硅片中的扩散和溶解硅中金属杂质的引入可以在晶体生长过程中，或者在硅片的抛光、化学处理、离子注入、氧化或其他处理过程中首先在表面附着，随后后续的高温热处理过程中扩散进入硅基体。
A．金属杂质在硅锭中的分布在高温（>800℃）下，过渡族金属一般都有很快的扩散速度而溶解度则相对较小。
Cu、Ni为快速扩散杂质，在高温下，Cu、Ni的扩散速率甚至可以接近于液相时的扩散速率，达到10-4cm2/s 。
而其他的金属杂质，如Fe 、Cr 等为慢扩散杂质，一般比Cu 、Ni 的扩散速率慢一到两个数量级，但在高温下仍可以达到几十到几百微米每秒。
在经过定向凝固的多晶硅锭中，金属杂质的浓度分布呈现出两头高中间低的趋势B. 金属杂质在硅中的溶解度硅中金属杂质的溶解度可用下面的热力学动力学表达式表示：其中H ，S ，G 分别为焓（enthalpy ），熵（entropy ）和自由能（free energy ）。
Eb 为金属杂质与临界相间的束缚能；Ec 为金属杂质与硅形成化合物时，金属外层电子与硅外层电子的结合能； Es 为金属原子在硅晶胞中的弹性应变能。
5．3．1实验样品及过程实验样品为包含原始头部及尾部的长条形硅片，如上一节中图5-2．1。
将样品于200℃热处理十分钟左右，快速退火，用微波光电导衰减仪分别测量样品处理前后的少子寿命值，根据前后少子寿命的变化而计算出Fe 浓度，微秒具体关系式为：【Fe 】=K ·(1/；一1，Tm 。
)。
基冉K 。
一m=3．4xl 萨us ／c 隶。
5．3．2实验结果与讨论KT KT H K s KT G e C e e e Ceq /0///∆H -∆-∆∆-===EsEc Eb G +-=∆图5 3．1间隙铁浓度沿硅锭生长方向分布图由上图可以得知，间隙铁浓度沿硅锭长度方向的分布特征为：底部和顶部处浓度明显较高，数量级约为lO“泖一，中间部分浓度分布较为均匀，且其浓度基本上均低于5×10“删～。
由于铁的分凝系数远小于l“”，所以顶部处铁浓度较高可以理解为由铁在硅熔体中分凝所导致的结果，然而硅锭底部处较高的铁浓度则无法用分凝来解释。
由于铁在硅中具有较大的固相扩散系数，所以这可能是硅锭底部凝固完成后的冷却过程中，铁由坩埚或者氮化硅保护层中向硅锭底部进行固相扩散的结果。
事实上，由于硅锭底部最先开始凝固，而通常整个凝固过程将持续数十个小时，硅锭底部将有较长的时间处于高温状态，因此来自坩埚和涂层的金属杂质(主要为铁)通过固相扩散进入到晶体中的现象极有可能发生3.金属杂质对硅片性能的影响铸造多晶硅中金属杂质一般以间隙态替位态、复合体或沉淀形式存在，往往会引入额外的电子或空穴，导致硅片载流子浓度改变，还可能成为复合中心，大幅度降低少数载流子寿命。
另外，由于在多晶硅中含有境界、位错等大量缺陷，使得金属杂质很易于在这些缺陷处形成金属沉淀，对硅片的性能造成严重的破坏作用。
金属杂质在硅中会形成深能级，就是，距离导带和价带都很远的能级。
还是拿火车来比喻，站台是价带，火车是导带，站台与火车之间的间隙时禁带。
如果禁带很宽，一个人跳不过去，那么，就在中间垫一些“梅花桩”，大家应当可以踩着跳过去了，但假如间隙太大，只在火车与站台中间垫一个桩，而这个桩离两边还是很远，那么，加入有一个人站到了这个桩上，可能进退两难，既无法跳上火车，也无法跳回站台。
硅中金属杂质的情形与此相似，金属杂质会在硅中形成深能级，这些深能级距离导带和禁带都很远，所以不但这些杂质本身的能级对提高导电性没有什么关系，而且，一旦其它的浅能级（如磷或硼）载流子遇到这类深能级的杂质，反而会被“陷住”，更加不易发生跃迁，既难以跳到导带，也难以跳回价带，失去了载流子的作用。
这就是所谓深能级对载流子的复合作用，这些深能级杂质所在的位置，称为“深能级复合中心”。
复合中心的存在会降低少数载流子的寿命，从而降低太阳能电池的效率。
如果这种复合作用是在光照之下慢慢发生的，就会形成所谓的太阳能电池的光致衰减现象。
对金属杂质含量过高硅片的处理由于铸锭中古有晶界、位错等大量缺陷，使得金属杂质易于在这些缺陷处形成金属沉淀，在硅片的线锯工艺巾会带来巨大破坏。
有研究指出，在铸锭中，金属沉淀不足南于同溶度随温度的降低而造成，而是由于金属原子易于在晶体缺陷出沉淀。
由于Sic颗粒帝』金属杂质．如Fe，硬度较高，若较为严重，在线切割过程巾会造成断线，严重影响硅片的生产。
因此在线开方后．需通过妾[外检测仪检测硬点，进行截断处理，以保证硅片的出片率。
而一些轻微的硬点．在红外检测时未能发现，流人线切割工芝中，这样就会造成大量的硬点线痕，此类硅片只能作为等外品，进行回炉处理。
严重的就会造成断线。
这样就大大地影响了硅片的合格率，从而降低太阳电池的生产效率。
图2为硬点线痕硅片的照片。
，硬点硅棒一旦流人下一步切割【艺中，将会造成大量等外线痕硅片．降低硅片的一等片率。
，Macdonald等51利用中于活化分析技术，研究了符种金属杂质在铸锭中沿晶体牛长方向的分布。
金属杂质cu、Fe、co的浓度分别在上部和底部约10％以内的K域内蛀高，在中部的浓度较低。
在铸锭晶体上部，是晶体最后凝阿的区域。
由于硅中台属的分凝系数一般都远小于1．所以，最后凝固的这部分金属杂质浓度较高；而在铸锭底部，虽然根据分凝，其金属杂质维度应该较低．但是，由于这部分晶体紧靠石英坩埚，石英中的金属杂质会污染到这部分晶体，所以晶体底部的金属杂质谁度也较高。
由于有金属杂质的存在．导致硅棒金属杂质聚集的地方电阻率偏大，超出了硅片电阻率的合格范围，在制作电池时，降低电池的转换效率。
因此，钱开方工艺后，须用电导率仪测试每根晶棒头部，中部、尾部的电导率，对于电导率异常的品棒进行报废处理。
经过处理后再铸成多晶硅利用。
若没有检测出电导牢异常的现象，在电池车间，会出现方块电阻异常。
在线开方后工艺中．要将晶棒的头尾部截断．与金属杂质的诳度偏高也有密切联系，围金属杂质浓度高，使得这部分的电导率高于太阳电池晟佳电导率范围值．从而会太大影响电池的转换效率：在硅片，￡产中，避免将这类电导卓异常的硅片流人电池部门，须将晶棒头尾部进行截断处理。
由上图可以得知，间隙铁浓度沿硅锭长度方向的分布特征为：底部和顶部处浓度明显较高，数量级约为lO“泖一，中间部分浓度分布较为均匀，且其浓度基浙江大学硕士学位论文本上均低于5×10“删～。
由于铁的分凝系数远小于l“”，所以顶部处铁浓度较高可以理解为由铁在硅熔体中分凝所导致的结果，然而硅锭底部处较高的铁浓度则无法用分凝来解释。
由于铁在硅中具有较大的固相扩散系数，所以这可能是硅锭底部凝固完成后的冷却过程中，铁由坩埚或者氮化硅保护层中向硅锭底部进行固相扩散的结果。
事实上，由于硅锭底部最先开始凝固，而通常整个凝固过程将持续数十个小时，硅锭底部将有较长的时间处于高温状态，因此来自坩埚和涂层的金属杂质(主要为铁)通过固相扩散进入到晶体中的现象极有可能发生。
杨德仁教授在他的《太阳电池材料》一书中，曾对单晶硅和多晶硅中的金属杂质进行过分析。
分析得很是透彻。
但该书中的分析有一个前提，就是认为，硅中的金属杂质的原子浓度在每立方厘米10的15次方个左右，也就是说小于0.1 ppma. 所以，尽管书中的归纳和分析也是十分有价值的，但多少还是不太适应物理法多晶硅的金属杂质问题。
因为，UMG的金属杂质含量通常在几个ppm 以上，以原子浓度来说，都在每立方厘米10的16次方、甚至10的17次方以上。
其实，经过调查，针对UMG的金属杂质的表现，目前还没有一个统一的认识。
中山大学沈辉教授的一位博士研究生徐华毕在2008年9月20日的常州会议上，对国际上关于物理法多晶硅中的杂质问题的学术研究作了一个比较全面的汇总，可以说明这一点。
笔者认为，金属杂质的存在，才是所制成的太阳能电池会衰减的必要条件。
目前国际比较流行的看法是因为硼氧复合体的存在，但笔者对此不能苟同，个中理由将在与有关专家详尽分析后，另外撰文进行深入一点的分析。
金属杂质在硅中会形成深能级，就是，距离导带和价带都很远的能级。
还是拿火车来比喻，站台是价带，火车是导带，站台与火车之间的间隙时禁带。
如果禁带很宽，一个人跳不过去，那么，就在中间垫一些“梅花桩”，大家应当可以踩着跳过去了，但假如间隙太大，只在火车与站台中间垫一个桩，而这个桩离两边还是很远，那么，加入有一个人站到了这个桩上，可能进退两难，既无法跳上火车，也无法跳回站台。
硅中金属杂质的情形与此相似，金属杂质会在硅中形成深能级，这些深能级距离导带和禁带都很远，所以不但这些杂质本身的能级对提高导电性没有什么关系，而且，一旦其它的浅能级（如磷或硼）载流子遇到这类深能级的杂质，反而会被“陷住”，更加不易发生跃迁，既难以跳到导带，也难以跳回价带，失去了载流子的作用。
这就是所谓深能级对载流子的复合作用，这些深能级杂质所在的位置，称为“深能级复合中心”。
复合中心的存在会降低少数载流子的寿命，从而降低太阳能电池的效率。
如果这种复合作用是在光照之下慢慢发生的，就会形成所谓的太阳能电池的光致衰减现象。
除了光致衰减外，金属杂质如果过多，还会造成漏电流的增加。
在太阳能电池的PN结附近，有一个空间电荷区，这个电荷区的电流正常情况下，应当是光生电流，即受光照后，载流子跃迁产生的电流，但金属杂质过多时，因为金属杂质的原子外围的电子是自由电子，因此，会产生漏电流，这些漏电流过大时，可能导致PN结的导通。
