Keywords Crystallographic orientati

Keywords

Crystallographic orientation; Polycrystalline silicon; Grain boundary; Grain boundary engineering; Grain size distribution

1. Introduction

Multicrystalline silicon (mc-Si) is the dominating absorber material for solar cells [1]. It is produced in industry by directional solidification of a silicon melt contained in a Si3N4 coated SiO2 crucible. During the last years many processes were developed in order to influence the initial grain structure of the mc-Si ingots grown by directional solidification with the aim to reduce the crystal defect density. The first attempts were made to reduce the total grain boundary length of the wafer. The so-called dendritic growth method [2], [3] and [4] uses a high initial undercooling of the silicon melt to initiate the solidification process. The resulting grain structure near the bottom shows an increased grain size, as well as an increased fraction of ∑3 grain boundaries. The initial grains reveal a preferred {112} orientation parallel to the ingot solidification front. This special grain structure leads to a lower crystal defect density compared to the formerly used conventional mc-Si [5] and [6]. For establishing this grain structure a high undercooling is necessary at the beginning of the process. The development of such a process, with high repeatability to control the growth direction of the dendrites properly, is very challenging because highly dislocated regions will form when the dendrites grow away from the crucible bottom at wider angles [5]. Therefore, this technique is not used in industrial mass production.

Currently, the so-called high performance (hp) mc-Si [7] has entered the market. For this process a not back melted silicon nucleation layer is used on the crucible bottom. Such a nucleation technique results in a specific initial grain structure which is characterized by a uniform small grain size, a homogenous grain orientation distribution and a high fraction of random grain boundaries [7] and [8]. The obtained high fraction of random grain boundaries in combination with the small sized grain structure near the seeding position seems to be favourable to supress the formation of large dislocation clusters [7], [9] and [10] over the ingot height. Yang et al. [7] and Zhu et al. [11] showed clearly that the solar cell efficiency is increased by 0.5% absolute using these fine-grained wafers instead of conventional mc-Si material.

Until now only a few grain structure (grain size, grain orientation and grain boundary types) investigations were published. Most of them were performed on small regions (few cm2) of laboratory samples [8] and [9] without any clear quantification of the favourable grain size-, grain orientation-, and grain boundary type distribution due to the lack of statistics.

The aim of this work was a systematic and statistical relevant grain structure analysis for differently grown industrial mc-Si bricks. The grain structure results were correlated with the area fraction of electrical active defects and the solar cell efficiency of the investigated wafers, in order to quantify the most important grain structure features, which were relevant to obtain high quality mc-Si wafer material.

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

คำสำคัญ

ปฐมนิเทศ Crystallographic; ซิลิคอน polycrystalline; ขอบเกรน; วิศวกรรมขอบเกรน; ข้าวกระจายขนาด

1 บทนำ

multicrystalline ซิลิคอน (MC-Si) เป็นวัสดุที่มีอำนาจเหนือโช้คสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ [1] มันถูกผลิตในอุตสาหกรรมโดยการแข็งตัวของทิศทางละลายซิลิกอนที่มีอยู่ในเคลือบ Si3N4 SiO2 เบ้าหลอม ในช่วงปีที่ผ่านมาหลายกระบวนการที่ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อที่จะมีอิทธิพลต่อโครงสร้างข้าวเริ่มต้นของ MC-Si หลอมเติบโตขึ้นโดยการแข็งตัวทิศทางโดยมีจุดประสงค์เพื่อลดความหนาแน่นของคริสตัลข้อบกพร่อง ความพยายามครั้งแรกที่ถูกสร้างขึ้นมาเพื่อลดความยาวขอบเกรนรวมของเวเฟอร์ ที่เรียกว่าวิธีการเจริญเติบโต dendritic [2], [3] [4] ใช้ความหนาวเริ่มต้นสูงของซิลิกอนละลายเพื่อเริ่มต้นกระบวนการแข็งตัว โครงสร้างข้าวส่งผลให้อยู่ด้านล่างแสดงให้เห็นขนาดของเมล็ดข้าวที่เพิ่มขึ้นเช่นเดียวกับส่วนที่เพิ่มขึ้นของΣ3ข้าวเขตแดน ธัญพืชเริ่มต้นเปิดเผยแนะนำ {112} วางแนวขนานไปกับด้านหน้าโลหะแข็งตัว โครงสร้างข้าวพิเศษนี้จะนำไปสู่ความหนาแน่นของข้อบกพร่องคริสตัลที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับก่อนใช้ทั่วไป MC-Si [5] และ [6] สำหรับการสร้างโครงสร้างของเมล็ดข้าวนี้หนาวสูงเป็นสิ่งจำเป็นที่จุดเริ่มต้นของกระบวนการ การพัฒนากระบวนการดังกล่าวที่มีการทำซ้ำสูงเพื่อควบคุมทิศทางการเจริญเติบโตของ dendrites ถูกต้องเป็นสิ่งที่ท้าทายมากเพราะภูมิภาคเคล็ดสูงจะฟอร์มเมื่อ dendrites เติบโตห่างจากด้านล่างเบ้าหลอมในมุมที่กว้างขึ้น [5] ดังนั้นเทคนิคนี้ไม่ได้ถูกใช้ในการผลิตมวลอุตสาหกรรม.

ปัจจุบันที่เรียกว่ามีประสิทธิภาพสูง (HP) MC-ศรี [7] ได้เข้าตลาด สำหรับกระบวนการนี้ชั้นซิลิคอนนิวเคลียสไม่ละลายกลับมาใช้ในด้านล่างเบ้าหลอม ผลดังกล่าวเป็นเทคนิคนิวเคลียสในโครงสร้างข้าวระดับเริ่มต้นซึ่งเป็นที่โดดเด่นด้วยขนาดสม่ำเสมอขนาดเล็กเมล็ดพืช, การวางแนวทางการกระจายเม็ดเป็นเนื้อเดียวกันและส่วนสูงของข้าวเขตแดนสุ่ม [7] และ [8] ที่ได้รับส่วนสูงของข้าวเขตแดนสุ่มในการรวมกันกับโครงสร้างของเมล็ดข้าวขนาดเล็กที่อยู่ใกล้กับตำแหน่งการเพาะดูเหมือนว่าจะเอื้อต่อการปราบปรามการก่อตัวของกลุ่มเคลื่อนที่ขนาดใหญ่ [7] [9] และ [10] มากกว่าความสูงลิ่มที่ ยาง, et al [7] และจู้ et al, [11] แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์จะเพิ่มขึ้น 0.5% แน่นอนโดยใช้เวเฟอร์เม็ดเล็กเหล่านี้แทนของวัสดุ MC-Si ธรรมดา.

จนถึงขณะนี้มีเพียงโครงสร้างข้าวไม่กี่ (ขนาดเม็ดปฐมนิเทศเมล็ดพืชและขอบเกรนชนิด) สืบสวน การตีพิมพ์ ส่วนใหญ่ของพวกเขาได้ดำเนินการในภูมิภาคขนาดเล็ก (ไม่กี่ cm2) ของกลุ่มตัวอย่างในห้องปฏิบัติการ [8] และ [9] โดยไม่ต้องปริมาณที่ชัดเจนใด ๆ ของ size- ดีเมล็ด orientation- ข้าวและการกระจายเมล็ดพืชชนิดเขตแดนเนื่องจากการขาดของสถิติ.

จุดมุ่งหมายของงานนี้คือการวิเคราะห์โครงสร้างข้าวเป็นระบบและสถิติที่เกี่ยวข้องสำหรับการเจริญเติบโตที่แตกต่างกันในอุตสาหกรรมอิฐ MC-Si ผลโครงสร้างข้าวมีความสัมพันธ์กับส่วนพื้นที่ของข้อบกพร่องที่ใช้งานไฟฟ้าและประสิทธิภาพการใช้เซลล์แสงอาทิตย์เวเฟอร์การตรวจสอบในการสั่งซื้อที่จะหาจำนวนที่สำคัญที่สุดคุณสมบัติโครงสร้างข้าวซึ่งมีความเกี่ยวข้องเพื่อให้ได้วัสดุที่มีคุณภาพสูงเวเฟอร์ MC-Si

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

คำสำคัญทางปฐมนิเทศ ; Polycrystalline Silicon ; ขอบเกรน วิศวกรรมขอบเกรน การกระจายขนาดของเกรน1 . แนะนำซิลิคอน ( multicrystalline MC ศรี ) เป็นวัสดุสำหรับการดูดซับเซลล์แสงอาทิตย์ [ 1 ] มันถูกผลิตในอุตสาหกรรม โดยการทำให้ทิศทางของซิลิคอน ละลายอยู่ในซิลิกอนไนไตรด์เคลือบพ่นเบ้าหลอม ในช่วงปีที่ผ่านมาหลายกระบวนการได้ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อที่จะมีอิทธิพลต่อการเม็ดโครงสร้างของ MC ศรีแท่งโต โดยทิศทางการแข็งตัวที่มีจุดมุ่งหมายเพื่อลดข้อบกพร่องผลึกความหนาแน่น ความพยายามครั้งแรกถูกสร้างขึ้นมาเพื่อลดความยาวของเมล็ดทั้งหมดเขตแดนของเวเฟอร์ เรียกว่าวิธี [ การเจริญเติบโตเดนไดรติก 2 ] , [ 3 ] และ [ 4 ] ใช้ undercooling เริ่มต้นสูงของซิลิคอนหลอมเพื่อเริ่มต้นกระบวนการการแข็งตัว . ส่งผลให้เม็ดโครงสร้างที่อยู่ด้านล่างแสดงขนาดของเมล็ดเพิ่มขึ้น ตลอดจนการเพิ่มขึ้นของสัดส่วน∑ 3 เม็ดขอบเขต เม็ดแรกเผยต้องการ { 0 } วางขนานกับแท่งโลหะแข็งด้านหน้า โครงสร้างเม็ดพิเศษนี้นำไปสู่การลดความหนาแน่นคริสตัลบกพร่องเมื่อเทียบกับแบบเดิมที่ใช้ MC ศรี [ 5 ] [ 6 ] สำหรับการสร้างโครงสร้างเม็ดนี้ undercooling สูงเป็นสิ่งจำเป็นในการเริ่มต้นของกระบวนการ การพัฒนากระบวนการดังกล่าว ด้วยการสูงเพื่อควบคุมทิศทางการเจริญเติบโตของกุยช่ายอย่างถูกต้อง เป็นเรื่องที่ท้าทายมาก เพราะมีหลุดภูมิภาคจะฟอร์มเมื่อกุยช่ายเติบโตห่างจากก้นเบ้าที่มุมกว้าง [ 5 ] ดังนั้น เทคนิคนี้ไม่ได้ถูกใช้ในการผลิตอุตสาหกรรมในปัจจุบัน ประสิทธิภาพสูงที่เรียกว่า ( HP ) MC ศรี [ 7 ] มีเข้ามาในตลาด สำหรับกระบวนการที่ไม่ละลายกลับซิลิคอนขนาดชั้นนี้ใช้ก้นเบ้าหลอม เช่นเทคนิค nucleation ผลในเฉพาะเมล็ดเริ่มต้นโครงสร้างซึ่งเป็นลักษณะของขนาดเม็ดเล็กเม็ดวางจำหน่ายเครื่องแบบเป็น homogenous และเศษส่วนสูงสุ่มรอยเม็ด [ 7 ] และ [ 8 ] ได้สูง ส่วนขอบเขตเมล็ดสุ่มในการรวมกันกับขนาดเล็กขนาดเม็ดเมล็ดที่โครงสร้างใกล้ตำแหน่งดูเหมือนว่าจะดีที่จะปราบปรามการเคลื่อนกลุ่มใหญ่ [ 7 ] , [ 9 ] และ [ 10 ] มากกว่าโลหะสูง หยาง et al . [ 7 ] และ Zhu et al . [ 11 ] แสดงอย่างชัดเจนว่า เซลล์แสงอาทิตย์มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น 0.5% แน่นอนใช้เหล่านี้อย่างละเอียดเวเฟอร์แทนวัสดุศรี MC แบบปกติจนถึงตอนนี้เพียงไม่กี่ ( แนวโครงสร้างเม็ดเกรนและเมล็ดพืชชนิดเม็ดขอบเขต ) การตีพิมพ์เผยแพร่ ที่สุดของพวกเขาถูกแสดงบนพื้นที่ขนาดเล็ก ( 2-3 CM2 ) ตัวอย่าง [ 8 ] และ [ 9 ] ปฏิบัติการโดยไม่ต้องปริมาณที่ชัดเจนของเมล็ดข้าวที่ดีขนาด - ปฐมนิเทศ - ธัญพืชและเมล็ดพืชชนิดกระจายขอบเขตเนื่องจากไม่มีสถิติจุดประสงค์ของงานวิจัยนี้คือการวิเคราะห์ระบบและสถิติที่เกี่ยวข้อง โครงสร้างสำหรับปลูกเมล็ดแตกต่างกัน พิธีกร อุตสาหกรรมจังหวัด อิฐ ผลโครงสร้างเกรนมีความสัมพันธ์กับพื้นที่ส่วนของไฟฟ้าที่ใช้งานข้อบกพร่องและเซลล์แสงอาทิตย์ประสิทธิภาพของการตรวจสอบเวเฟอร์ เพื่อที่จะหาคุณสมบัติโครงสร้างเม็ดที่สำคัญที่สุดที่เกี่ยวข้องเพื่อให้ได้คุณภาพสูง พิธีกรชีเวเฟอร์ วัสดุ