浅谈硅片缺陷的控制
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【摘要】太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点，近年发展势头迅猛。硅片作为太阳能电池的核心元件，其质量直接影响到太阳能电池的整体性能。本文介绍了硅片缺陷控制的技术措施。
【关键词】硅片；缺陷控制
引语
在光伏产业中，硅片的质量在很大程度上影响到成品太阳能电池的短路电流、和断路电压等参数，决定了太阳能电池的发电效率和使用寿命。在现有技术允许的范围内，最大限度地减少硅片中的缺陷，提高硅片的纯度和质量，是提升太阳能电池性能的必然途径。目前硅片的缺陷包括点缺陷和晶体原生凹坑缺陷以及金属杂质缺陷等。本文就这些硅片缺陷的控制阐述了一些观点。
1、硅片中点缺陷控制
硅中的点缺陷包括本征点缺陷和非本征点缺陷。其中，硅的本征点缺陷是指空位和自间隙原子；而硅中的杂质原子则是非本征点缺陷。所谓空位和自间隙原子，均是由于硅原子的热运动产生的。硅中的原子在热运动的作用下，脱离了晶格格点，游离在晶格间隙中间，就形成了自间隙原子；而因硅原子脱离而留下的空的格点，即是空位。很明显，硅的本征点缺陷的浓度主要受温度的影响。而硅的非本征点缺陷，也就是杂质原子缺陷是指杂质原子占据了硅晶体中的晶格位置。硅片的电学性能乃至成品率都在很大程度上受到金属杂质的影响。点缺陷的凝聚会生成更多更严重的缺陷。
对于SOI硅片中的点缺陷控制方法主要是注氧隔离（SIMOX）技术。即通过向高能状态下的硅片中注入高剂量的氧离子。然后将硅片进行退火处理以在硅片中形成连续的埋层，而埋层之上则形成单晶体硅层。该技术是利用氧离子与硅原子的化学反应产生的应力，向外发射硅片中的自间隙原子，并使得自间隙原子扩散到硅层表面，形成表面的原子。这种方法可以显著得降低硅片中自间隙原子和空位的浓度。
2、硅片中晶体原生凹坑缺陷的控制
硅片在清洗液中清洗后，可以发现有小的凹坑。这种来自于硅晶体内部的缺陷，即所谓晶体原生凹坑缺陷（COP）。太阳能电池板的性能与COP缺陷有着密切的关系。
目前的研究表面，COP缺陷是空位点缺陷聚集而成的，主要决定于拉晶速率V和固液交界的温度梯度G有关。当V/G等于某个临界值时，硅片中只会产生较低浓度的插入型原子和空位。空位的浓度会在V/G大于这个临界值时大幅增加；而如果V/G小于这个临界值，插入型原子的浓度会明显升高。另外，研究表明氧沉淀的形成也与原生COP的浓度有着紧密联系。
硅单晶的空位富集区是截面中心区域，而自间隙原子富集区则位于边缘区域。通过对拉晶速率和固液界面的轴向温度梯度进行适当的控制，可以实现对于空位富集区以及自间隙原子富集区大小的调整，从而实现降低硅中微缺陷浓度的目的。
目前相关科研人员对于硅片中原生凹坑缺陷的控制有着较多的研究，提出的方法也不尽相同，主要有如下几种：（1）利用氩或氢元素，在退火过程中消除晶体原生凹坑缺陷；（2）通过调整拉晶速率，或者温度梯度，来实现对于晶体原生凹坑缺陷的控制；（3）在硅晶体生长过程中掺入氮。
由于硅片中晶体原生凹坑缺陷在900～1100℃范围内生长最快。所以通过控制热场梯度的方式来使硅单晶在成长中迅速通过这一温度范围，可以有效降低晶体原生凹坑缺陷的数量和大小尺寸。实验证明，通过屏蔽热场对单晶辐射的方式以改善热场温度梯度，可以明显地减少硅片中COP缺陷的数量和大小。另外，采用减少上部保温的方法，也可以实现对于热场温度梯度的控制，从而达到控制COP缺陷的目的。而通过控制拉晶速率的方法来实现COP缺陷的减少，却难以取得较好的效果。这主要是因为拉晶速率的调整范围较小，不能够明显地缩短硅单晶通过900～1100℃温度范围的速度，进而也就不能有效遏制COP缺陷的生长。
3、硅片中金属杂质缺陷的控制
随着光伏产业的井喷式发展，为了改善太阳能电池的性能，人们对于半导体硅材料的纯度要求也直线上升。以前可以忽略不计的微小缺陷现在却对于太阳能电池片的性能有着决定性的影响。随着太阳能电池板的设计线宽向着亚四分之一微米级发展，硅片中的少量金属杂质已经严重影响到了整个太阳能电池的电学性能。在硅片的生长加工过程中引入少量杂质是在所难免的。为了提高硅片的质量，就必须要对硅片的金属杂质缺陷进行控制。
目前在太阳能电池生产工艺中对于金属杂质缺陷的控制方法主要是利用吸除工艺和引入氮杂质。传统的吸杂技术包括内吸杂和外吸杂两种。外吸杂的原理是利用在硅片背面引入位错等缺陷，或是形成重掺层，来吸引杂质和其他缺陷在应力区发生沉淀，从而实现吸除的目的。内吸杂则是利用在硅片中引入浓度较高的氧沉淀和诱生缺陷，将硅片中的金属杂质吸附到缺陷区。此外还有所谓的硅本征吸除（IG）技术。相比于其他吸除技术，本征吸除工艺的特点就在于它不是单纯的追求晶片的纯度，而是在保留硅晶体完整性的前提下，对于硅片中的缺陷加以控制和利用，而不是一概消除。
实验表明，在直拉硅中掺入氮杂质对于氧沉淀有着促进作用，同时也可以抑制硅片中的其他微型缺陷。在低温下退火时，氮元素会优先与间隙氧原子结合，形成N—O复合体，从而有效的抑制了其他杂质元素可能形成的缺陷的产生。
结语
半导体硅是光伏产业最重要的基础材料。人们对于高性能太阳能电池性能的迫切需求使得要光伏产业对于硅片质量的要求也越来越苛刻。硅片中的各种微型缺陷对于太阳能电池板性能的影响不容忽视。在这种形势下，研究采用怎样的工艺和技术对硅片的缺陷进行有效的控制，以获得更高质量的硅片和硅基材料，无疑有着重要的意义。
参考文献
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