淺談太陽能矽晶片之品質檢驗方法

刊登日期:2012/5/24
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晶片生產方式
矽晶的生產方法是將石英礦經過碳還原得到冶金級矽(Metallurgical Grade Silicon),冶金級矽再經由西門子法提煉得到太陽能級矽(Solar Grade Silicon)。太陽能級矽經過晶體生長後切片即可得到矽晶片,而經由不同的長晶方法,可以得到不同種類的矽晶片,以Cz 法(Czochrilski Method)提拉所得到的晶片為單晶矽片,而經由多晶鑄造法(Casting Method)所得到的晶片為多晶矽片,圖一為單晶與多晶生產流程的示意圖。大致而言,單晶矽片製作出來的太陽電池,其能量轉換效率比多晶片高,這是因為多晶矽片有許多的晶界,這些晶界扮演著少數載子再復合中心(Recombination Center)的角色,造成能量轉換效率的降低。

少數載子壽命
晶片的少數載子壽命(Minority Carrier Lifetime;簡稱Lifetime)與能量轉換效率具有相當的關連性,影響Lifetime 的主要因素為雜質與晶格缺陷,雜質包含金屬雜質及氧沉積物(Precititates),而大部分的晶格缺陷都會影響Lifetime 。圖二為BP Solar 所生產的多晶錠在製作成電池後,其能量轉換效率與晶錠Lifetime 的關係,當晶錠Lifetime較低時,代表品質較低,可能是雜質含量高或是缺陷較多,此時製作出的電池往往效率都不高。

一般而言,矽晶錠生長完成後, Life-time 的分布有固定趨勢,以多晶錠為例,晶錠底部與頂部的Lifetime 通常比中間位置的低,頂部Lifetime 低是因為矽熔湯的雜質在晶體生長過程中,會隨著晶體的凝固而往上方累積,此過程稱為偏析(Segregation),因此晶錠頂部通常是雜質含量最高的地方,Lifetime 也相對最低。


圖六、µ-PCD法與PL法得到之Lifetime Mapping結果

雜質含量
晶片的雜質含量多寡直接影響電池的轉換效率,因此市售晶片的雜質含量都有其一定的規範,一般而言,金屬雜質總含量必須小於1 ppmw ,當然各種雜質個別的容許度不同, p-type 與n-type 晶片對相同雜質的容許度也不同,圖八為p-type 矽晶片對於各種雜質的容許度,由圖中可以看見p-type 晶片對於P 與Cu 的容許度最高,而對於Ta 或Mo 等之容許度最低,只要含量超過1012 atoms/cm3 ,就會讓能量轉換效率下降20%。對於市場主流的p-type 晶片,最可能出現的雜質是Fe 、Ni 與Cu ,其來源主要是坩堝及坩堝保護塗料(主要是氮化矽)的污染,圖九即為Fe 、Ni 與Cu 三種金屬雜質對於p-type 晶片Lifetime 的影響,然而這些金屬雜質因為偏析係數(Segregation Coefficient)較小,因此在長晶過程中就可以有效移除,即使還有部分殘留,也可以在後續的電池製程中藉由Gettering 進行移除。

晶界
晶界種類影響晶片的品質,過去許多研究團隊致力於晶界的研究,這是因為不同的晶界對於少數載子的再復合有不同的表現。當晶界種類為Σ3 或Σ9 時,晶界屬於電鈍性晶界,此時晶界由於是雙晶晶界(Twin Boundary),沒有Dangling Bond存在,因此不會有少數載子再復合的問題。圖十一是電鈍性晶界與一般晶界在量子效率(Quantum Efficiency)的影響比較,圖十一(a)掃描途徑穿越數個晶界,由於這些晶界都是電鈍性晶界,因此量子效率完全不受晶界的影響而下降。圖十一(b)是穿過一般晶界的量子效率量測,在晶界處因為Dangling Bond 的影響,可以看見量子效率很明顯的下降,可見晶界種類對於晶片最後製作成的太陽電池能量轉換效率有非常大的影響。因此如果多晶矽晶片的電鈍性晶界比例越高,理論上製作出來的電池效率也會越高。目前已知晶界方向可從多晶生長時的熱場來加以控制。

缺陷密度
缺陷密度(Etch-pit Density; EPD)一直以來影響晶片品質,而一般缺陷密度的量測方式是將晶片進行酸蝕刻,最後再利用顯微鏡來觀察,並計算單位面積所蝕刻出的孔洞密度,這就是過……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文


圖十六、PL 量測方法示意圖

作者:王珽玉 / 工研院綠能所
★本文節錄自「工業材料雜誌304、305期」,更多資料請見:
http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=10254
http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=10317


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