铸造多晶硅中杂质对少子寿命的影响

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。

从少子寿命的分布图中，可以看出硅锭两端的低寿命区域，对应着过高的间隙铁、氧浓度，因而可以认为高浓度的间隙铁、氧原子形成了有效复合中心，从而导致了硅锭两端低少子寿命区域的出现。