太阳能多晶硅锭中硬质夹杂及其形成

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1、万方数据第32卷第1期2008年2月南昌大学学报(理科版)JournalofNanchangUniversity(NaturalScience)V01．32No．1Feb．2008文章编号：1006一0464(2008)01—0034—04太阳能多晶硅锭中硬质夹杂及其形成毛文行，邓太平，杜国平，周浪’(南昌大学材料科学与工程学院／NCU—LDK太阳能研究中心，江西南昌330031)摘要：多晶硅锭中常出现的硬质夹杂是造成硅片线切割生产中断线的主要原因之一，同时影响到太阳能电池片的质量。我们采用扫描电镜一特征x射线能谱仪、3D数码显微镜、傅立叶红外光谱等手段对定向凝固多晶硅断面、抛光面、溶解沉淀以

2、及硅片中的游离碳含量进行了分析。结果表明，硅锭顶表层出现大量SiC和si，N4夹杂，其数量随深度迅速减小；硅锭内部SiC十分稀少，尺寸也一般很小，但有时会出现大颗粒(一100fl,m)。硅片中游离碳含量远低予形成SiC所需临界平衡C浓度。就以上结果对SiC形成原因进行了讨论，并提出了减少SiC夹杂的建议措施。关键词：多晶硅；夹杂；SiC中图分类号：TM914．4文献标识码：A太阳能电池可能成为理想的可再生替代能源而得到各国重视。近几年各国相继出台鼓励政策，使得光伏产业迅猛发展。在1995—2005的10年里增长了17倍，最近5年的平均增长速度超过30％。太阳能电池中晶体硅太阳能电池占整个太阳能

3、电池产量的90％，并且在未来的几年内晶硅电池仍然会是主流。而晶硅太阳能电池产量的近70％又是多晶硅太阳能电池⋯。多晶硅太阳能电池片是以高纯硅原料通过熔融后定向凝固成多晶硅锭，然后进行线切割制得。多晶硅锭中硬质夹杂物的出现是个具有普遍性的问题。已知的一些国内外多晶硅片生产厂家都有关于硅锭中出现夹杂而导致硅片表面出现脊纹而报废的报告，甚至由于硬质夹杂而造成包括断线停机、硅块报废等损失的反映。因此，研究考察多晶硅碇中的夹杂性质、分布及其形成原因很有必要，这是控制其形成从而减小由其造成的损失的基础。本文报道我们就此进行的初步研究。1实验方法从太阳能多晶硅锭定向凝固生产现场采集多晶硅锭顶部和中部样品，对

4、其断面或磨面进行显微观察分析。我们还对硅样进行了溶解沉淀分析，意在将硅全部溶解后取出不能溶解的夹杂颗粒进行分析。将样品依次放人丙酮、I号清洗液(H2SO。：H202=5：1)、Ⅱ号清洗液中(NH40H：H202：H20=1：l：5)和Ⅲ号清洗液中(HCl：H202：H20=1：1：5)中清洗，彻底除去表面油脂及其它附着物旧o；然后置入溶解液(HF：HNO，=1：3体积比)中溶解，因生成物中含NO：气体，反应需在通风柜中进行。待反应完毕过滤得不溶物，用去离子水清洗6次以上，烘干待测。实验中所用c3H60(丙酮)，H2S04，H202，NH3·H：O，HCl，HN03，HF等均为分析纯，H：O为自

5、制去离子水。用KeyenceVHX一100型3D高景深显微镜进行显微观察；用配备了特征x射线能谱仪的HI—TACHS一3000N型扫描电镜进行显微形貌和成份分析；用Nicolet380型傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)分析硅样品中固溶碳含量。2结果与讨论2．1原位夹杂物相分析图1a,b示出硅锭顶层取样的横截面磨面与断面扫描电镜照片。图la为背散射电子像。背散射电子像能够提供样品表面成份分布信息——每个点的亮度与该点处材料的平均原子量相关，平均原子量越大则亮度越高。可以看到图中呈现尺寸在100p,m以上的夹杂颗粒，其平均原子量低于基体材料Si。图1b为断面的二次电子形貌像，可看到除块状夹杂外，

6、还有一种明显不同的棒状夹杂。图2为断收稿日期：2007—09—15基金项目：江西省教育厅研究生创新基金资助项目(YC07A035)作者简介：毛文行(1977一)，男，硕士生．宰通讯作者：周浪(1962一)，男，教授，博士生导师．E—mail：lzhou@ncu．edu．∞万方数据第1期毛文行等：太阳能多晶硅锭中硬质夹杂及其形成·35·面上出现的两种夹杂的特征x射线能谱，结果显示块状夹杂中含C，而棒状夹杂中含N。注意由于C、N这类轻元素特征x射线的探测效率比si的要低得多，c、N的含量要比能谱图上看起来的高得多，校正计算的结果显示它们的原子百分数与si相当。根据Si—C体系的平衡热力学性质∞]，

7、我们推断这两种夹杂相分别为SiC和Si，N。化合物。这与S0ilandAK等H1的报道相符合。图1多晶硅锭顶层取样扫描电镜照片图2图lb中所示块状夹杂(a)与棒状夹杂(b)的特征X射线能谱距离硅锭顶面20mm以下的硅锭内部，夹杂十分稀疏，难于找到。图3示出两颗分别在磨面和断面上找到的夹杂，粒径为一30¨m，能谱分析证实它们为SiC。图3中部硅夹杂物的扫描电镜照片及能谱图对多个多晶硅碇表层和中部硅片