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日本東北大學(xué)金屬材料研究所于2013年1月30日宣布，該研究所教授米永一郎及副教授沓掛健太朗等人組成的研究小組研究出了太陽(yáng)能電池用硅晶體的新的培育方法，成功培育出了類單晶硅。類單晶硅與多晶硅一樣，都是在坩堝中使硅融液從下部開(kāi)始向一個(gè)方向凝固、生長(zhǎng)來(lái)制造。這時(shí)，在坩堝底部鋪上單晶硅的籽晶，便可獲得單晶硅錠。為了與以前通過(guò)CZ法制造的單晶硅相區(qū)別，這種單晶硅被稱為類單晶硅。
目前使用的太陽(yáng)能電池用基板中，多晶硅約占50％，單晶硅約占40％，而類單晶硅則被視為有望使轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高的材料。不過(guò)，在通過(guò)硅融液用籽晶培育類單晶硅的過(guò)程中，與坩堝接觸的部分會(huì)產(chǎn)生大量方向與籽晶不同的結(jié)晶粒，會(huì)出現(xiàn)多晶體占有部分?jǐn)U大的多晶化問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，此次通過(guò)復(fù)合籽晶來(lái)形成人造晶界，利用這一晶界來(lái)抑制不需要的多晶區(qū)域的擴(kuò)大。
研究小組首先發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致多晶化的、坩堝壁產(chǎn)生的結(jié)晶粒大多是被稱為Σ3的晶界。該Σ3晶界通常相對(duì)于硅錠生長(zhǎng)方向傾斜產(chǎn)生，因此在生長(zhǎng)的同時(shí)會(huì)向硅錠的中央部分推進(jìn)，使這一多晶部分的面積擴(kuò)大。
此次研究出的方法利用復(fù)合的種晶沿坩堝壁形成名為Σ5的晶界。該Σ5晶界在硅錠生長(zhǎng)階段會(huì)沿著生長(zhǎng)方向筆直伸長(zhǎng)。然后，與坩堝壁生產(chǎn)的Σ3晶界反應(yīng)，形成Σ15晶界。Σ15晶界也會(huì)沿著生長(zhǎng)方向伸長(zhǎng)，因此，在該晶界形成時(shí)，就能抑制多晶顆粒的擴(kuò)大。
在基于這一機(jī)理的10cm見(jiàn)方硅錠方面，研究小組成功培育出了多晶化得到抑制的硅錠。一般而言，從坩堝壁長(zhǎng)出的數(shù)cm的部分無(wú)法用作太陽(yáng)能電池晶圓，因此目前多結(jié)化硅錠的類單晶晶圓的成品率僅為36％左右。但此次的方法將多晶化的范圍控制在了坩堝壁附近，因此可將成品率提高至近100％。另外，此次的方法可直接使用目前的太陽(yáng)能電池多晶硅生產(chǎn)線，并且無(wú)需對(duì)制造工序進(jìn)行調(diào)整，可迅速且輕松地導(dǎo)入。
研究小組今后將努力降低類單晶硅的位錯(cuò)（結(jié)晶缺陷）密度，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率可與單晶硅匹敵的晶體。位錯(cuò)缺陷大多從晶界發(fā)生，因此該研究小組今后還將推進(jìn)晶界方面的研究，實(shí)現(xiàn)可有效抑制位錯(cuò)發(fā)生的晶界。
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| 類單晶硅的生長(zhǎng)模式圖。左為原來(lái)的技術(shù)，右為新技術(shù)。（ | 抑制多晶化的機(jī)理。坩堝近旁的擴(kuò)大圖。Σ3晶界與Σ5晶界反應(yīng)變成Σ15晶界，可由此使多晶區(qū)域停止向坩堝中央推進(jìn)。 |
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| 分別從利用原來(lái)的技術(shù)以及新技術(shù)培育的類單晶硅錠中切割出來(lái)的晶圓的截面照片。除了人工晶界的形成之外，均在同一工序及條件下制造。多晶化的部分用黃色表示。右圖中的白虛線表示人工形成的Σ5晶界的位置。借助Σ5晶界，將多晶化限制在不作為太陽(yáng)能電池使用的硅錠外周部。 |
研究小組首先發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致多晶化的、坩堝壁產(chǎn)生的結(jié)晶粒大多是被稱為Σ3的晶界。該Σ3晶界通常相對(duì)于硅錠生長(zhǎng)方向傾斜產(chǎn)生，因此在生長(zhǎng)的同時(shí)會(huì)向硅錠的中央部分推進(jìn)，使這一多晶部分的面積擴(kuò)大。
此次研究出的方法利用復(fù)合的種晶沿坩堝壁形成名為Σ5的晶界。該Σ5晶界在硅錠生長(zhǎng)階段會(huì)沿著生長(zhǎng)方向筆直伸長(zhǎng)。然后，與坩堝壁生產(chǎn)的Σ3晶界反應(yīng)，形成Σ15晶界。Σ15晶界也會(huì)沿著生長(zhǎng)方向伸長(zhǎng)，因此，在該晶界形成時(shí)，就能抑制多晶顆粒的擴(kuò)大。
在基于這一機(jī)理的10cm見(jiàn)方硅錠方面，研究小組成功培育出了多晶化得到抑制的硅錠。一般而言，從坩堝壁長(zhǎng)出的數(shù)cm的部分無(wú)法用作太陽(yáng)能電池晶圓，因此目前多結(jié)化硅錠的類單晶晶圓的成品率僅為36％左右。但此次的方法將多晶化的范圍控制在了坩堝壁附近，因此可將成品率提高至近100％。另外，此次的方法可直接使用目前的太陽(yáng)能電池多晶硅生產(chǎn)線，并且無(wú)需對(duì)制造工序進(jìn)行調(diào)整，可迅速且輕松地導(dǎo)入。
研究小組今后將努力降低類單晶硅的位錯(cuò)（結(jié)晶缺陷）密度，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率可與單晶硅匹敵的晶體。位錯(cuò)缺陷大多從晶界發(fā)生，因此該研究小組今后還將推進(jìn)晶界方面的研究，實(shí)現(xiàn)可有效抑制位錯(cuò)發(fā)生的晶界。
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