硅晶体的光致衰减效应研究

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1、Deren Yang杨德仁浙江大学硅材料国家重点实验室硅晶体的光致衰减效应研究硅晶体的光致衰减效应研究第6届太阳硅材料及光伏发电研讨会Deren Yang一、起因和研究历史硅太阳电池衰减现象最早在1973年被发现H. Fischer and W. Pschunder, Proceedings of the 10th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Palo Alto, CA （IEEE, New York, 1973）, p. 404直到1997年，真实起因才被揭示与Bs和Oi相关J. Schmidt, A. G. Aberle, and R

2、. Hezel, Proceedings of the 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Anaheim, CA （IEEE, New York, 1997）, p. 13.Deren Yang形成条件光照加正偏压暗条件下加热J.Schmidt, et al.,Appl.Phys.Lett.73,2167(1998)避光下200 处理可恢复，但是可逆的Deren Yang缺陷浓度J.Schmidt, et al.,Phys. Rev. B 69, 024107 (2004)缺陷浓度大致与Bs成正比，与Oi成平方关系Deren Yang

3、两个间隙氧原子形成O2i二聚体，O2i扩散很快，与Bs形成Bs-O2i复合体J.Schmidt, et al.,Phys. Rev. B 69, 024107 (2004)缺陷模型Deren Yang缺陷电学特征J. Schmidt and A. Cuevas, J. Appl. Phys. 86, 3175 （1999） Schmidt 等人通过调节少子的注入水平测试寿命，推测缺陷能级在Ev+0.35到Ec-0.45ev之间 Rein等人获得缺陷能级在Ec-0.41ev, 电子和空穴的俘获截面比是9.3S.Rein and S.W.Glunz, Appl. Phys. Lett. 82, 1

4、054 (2003)迄今，DLTS无法检测到其缺陷能级Deren Yang形成过程两个阶段：快衰减和慢衰减K. Bothe and J. Schmidt, J. Appl. Phys. 99, 013701 ( 2006 )可能两种不同结构的Bs-O2iDeren Yang减少衰减措施材料的选择减少氧浓度减少或替代硼MCZ或FZ成本的增加掺Ga电阻率分布不均匀掺P的n型硅与现有电池工艺不兼容Deren Yang热处理工艺450 处理高温处理J.Schmidt, et al.,Phys. Rev. B 69, 024107 (2004)常规&快速热处理可减少缺陷浓度2-3倍，并可应用到电池工艺（

5、扩磷）Deren Yang二、最新研究进展永久性消除A.Herguth, G. Schubert, M. Kaes and G. Hahn，Proc. 4thWCPEC, Waikoloa, 2006, p. 940-943光照下衰减加热下光照恢复Deren YangA. Herguth, G.Schubert, M. Kaes and G. Hahn, 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 3-7 September 2007, Milan, ItalyDeren Yang恢复后在电池工作条件下不再衰减200 光照室温下光照B

6、ianca Lim, Sonja Hermann, Karsten Bothe, Jan Schmidt, and Rolf Brendel，Appl. Phys. Lett. 93, 162102 (2008)Deren Yang补偿S. Dubois, N. Enjalbert, and J. P. Garandet,Appl. Phys. Lett. 93, 103510 （2008）p补偿多晶硅减缓光衰减Deren YangD. Macdonald, F. Rougieux, A. Cuevas, B. Lim, J. Schmidt, M. Di Sabatino,and L. J.

7、 Geerligs, J. Appl. Phys. 105, 093704 （2009）补偿单晶硅的缺陷浓度与p0=NA-ND正比，即补偿部分的B不参与反应Deren Yang但是在加热光照下恢复时，所有的B均参与反应Bianca Lim, An Liu, Daniel Macdonald, Karsten Bothe, and Jan Schmidt, Appl. Phys. Lett. 95, 232109 (2009)Deren YangCu沾污的影响p-CZH. Savin, M. Yli-Koski, and A. Haarahiltunen, Appl. Phys. Lett. 9

8、5, 152111( 2009)Cu的引入加剧了光衰减Deren Yangn-FZH. Savin, M. Yli-Koski, and A. Haarahiltunen, Appl. Phys. Lett. 95, 152111( 2009)没有B和O,仅有Cu也会引起光衰减Deren YangAs grown 800/16 +1000/4050100150200250300350800oC/16h+1000oC/4h800oC/16hFractureStrength(MPa)As grownCz GCz国家发明专利：ZL2003 1 0108003.9 ，ZL 01 1 39098.020

9、0610154949.2Ge钉扎位错，增加机械强度三、掺锗晶体硅的应用Deren Yang掺B单晶硅中掺GeGe的浓度分布Ge在硅中有效分凝系数是0.560.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.02.0x10184.0x10186.0x10188.0x1018Germanium Concentration (cm-3)Solidified FractionDeren Yang0.020.030.040.050.06HeadG19TailMiddleNormalized Defect Concentration Nt* (1/s)CZGCZG18光强50mW/cm248 小时dNt* 1/

10、1/ 0= 样品: 太阳能级掺B-CZ, GCZ (Ge1018, 51019)光致衰减0d光照前寿命光照后寿命Deren YangLocation (cm) Oi (1017cm-3) Cs (1017cm-3)CZ GCZ CZ GCZ CZ GCZHead 2.6 2.6 11.6 11.3 0.6 0.7 Middle 2.2 2.4 10.7 10.4 1.0 0.8Tail 2.1 2.3 10.1 9.8 1.1 1.0CZ 和GCZ (G19) 样品的, Oi and CsCZ和GCZ的头中尾部位，（即Bs ）和Oi 基本相同Deren Yang缺陷的产生和消除0 100 20

11、0 300 400 50020406080100120140Effective Lifetime (s)Time (min)CZGCZ383KLocation (cm) Oi (1017cm-3) Cs (1017cm-3)CZ GCZ CZ GCZ CZ GCZHead 2.6 2.6 11.6 11.3 0.6 0.7卤灯光强30mw/cm2Deren Yang0 200 400 600 8004080120160CZGCZEffective Lifetime (s)Time (min)383K避光下热处理Deren Yang缺陷生成的动力学0 40 80 120 1600.0000.00

12、50.0100.0150.0200.02590 oC100 oC105 oC115 oCNormalizedDefect Concentration Nt* (1/s)Time (min)GCZBs+ O2iBs-O2i光照不同温度* *( )1 exp( ( ) )Nt Nt t Rgen T t= Deren Yang2.55 2.60 2.65 2.70 2.75-5.0-4.5-4.0-3.5-3.0CZGCZln (Rgen)1000/T (1/K)E(CZ) =0.4E(GCZ) =0.620.03ev0.05evEg=0.4ev, J. Schmidt and K. Bothe,

13、 Phys. Rev. B 69, 024107 (2004).Eg=0.4750.035ev, K. Bothe and J. Schmidt, J. Appl. Phys. 99, 013701(2006)90-1200( ) exp( )BEgenRgen T kkT=Ge的引入增加了Bs-O2i生成激活能Deren Yang缺陷消除动力学0 20 40 60 80 100 120 1400.000.010.020.030.04CZNormalized DefectConcentration Nt* (1/s)Time (min)110 oC120 oC130 oC140 oC150 o

14、C0 40 80 120 160 2000.000.020.040.06110 oC120 oC130 oC140 oC150 oCNormalized DefectConcentration Nt* (1/s)Time (min)GCZ*(0)exp( ()Nt Nt t Rann T t= =Bs-O2iBs+ O2i避光下不同温度Deren Yang2.35 2.40 2.45 2.50 2.55 2.60 2.65-4-3-2-101E(CZ) =1.36 0.03evGCZCZ ln(Rann)1000/T (1/K)E(GCZ) =1.54evEa=1.3ev, J. Schmid

15、t and K. Bothe, Phys. Rev. B 69, 024107 (2004).Ea=1.320.05ev, K. Bothe and J. Schmidt, J. Appl. Phys. 99, 013701(2006)Ea=1.32ev, S. Rein, T. Rehrl, W. Warta, S. W. Glunz, and G. Willeke, Proceedings of the 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Munich, Germany ( WIP, Munich, 2001), p. 1555-1560.0( ) exp( )BEannRann T kkT=Ge的引入也增加了B