日研究太陽能電池用硅晶體新培育方法

    鋰電世界  日本東北大學金屬材料研究所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，研究出了太陽能電池用硅晶體的新培育方法，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始向一個方向凝固、生長來制造。此時，在坩堝底部鋪上單晶硅的籽晶，便可獲得單晶硅錠。為了與以往通過CZ法制造的單晶硅相區別，這種單晶硅被稱為類單晶硅。
    抑制多晶化的機理。坩堝近旁的擴大圖。Σ3晶界與Σ5晶界反應變成Σ15晶界，可由此使多晶區域停止向坩堝中央推進。
    目前使用的太陽能電池用基板中，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換效率進一步提高的材料。不過，在通過硅融液用籽晶培育類單晶硅的過程中，與坩堝接觸的部分會產生大量方向與籽晶不同的結晶粒，會出現多晶體占有部分擴大的多晶化問題。為了解決這一問題，此次通過復合籽晶來形成人造晶界，利用這一晶界來抑制不需要的多晶區域的擴大。
    分別從利用原有技術及新技術培育的類單晶硅錠中切割出來的晶圓的截面照片。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能電池使用的硅錠外周部。
    研究小組首先發現，導致多晶化的、坩堝壁產生的結晶粒大多是被稱為Σ3的晶界。該Σ3晶界通常相對于硅錠生長方向傾斜產生，因此在生長的同時會向硅錠的中央部分推進，使這一多晶部分的面積擴大。
此次研究出的方法利用復合的種晶沿坩堝壁形成名為Σ5的晶界。該Σ5晶界在硅錠生長階段會沿著生長方向筆直伸長。然后，與坩堝壁生產的Σ3晶界反應，形成Σ15晶界。Σ15晶界也會沿著生長方向伸長，因此，在該晶界形成時，就能抑制多晶顆粒的擴大。
    關于基于這一機理的10厘米見方硅錠，研究小組成功培育出了多晶化得到抑制的硅錠。一般而言，從坩堝壁長出的數厘米的部分無法用作太陽能電池晶圓，因此目前多結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能電池多晶硅生產線，并且無需對制造工序進行調整，可迅速便捷地采用。研究小組今后將努力降低類單晶硅的位錯（結晶缺陷）密度，以實現轉換效率可與單晶硅匹敵的晶體。位錯缺陷大多從晶界發生，因此，研究小組今后還將推進晶界方面的研究，實現可有效抑制位錯發生的晶界。