Получение мультикремния методом направленной кристаллизации

Наибольшее распространение имеет метод, который проводится в среде инертного газа. В современных установках (рис.14) масса загрузки в тигель может составлять от 300…450, и до 800 кг [15].

Рис.14: Схема процесса получения мультикремния методом Бриджмена и фотография получаемого на производстве блока мультикремния.

Расплавление кремния осуществляется в прямоугольных кварцевых тиглях с толщиной стенок ~30 мм . Внутренняя поверхность тиглей покрывается слоем нитрида кремния толщиной ~300 мкм. Кварцевый тигель используют на одну плавку. Покрытие нитридом кремния внутренней поверхности тигля позволяет на порядок снизить концентрацию металлических примесей в слитке мультикремния и повысить в нем время жизни неравновесных носителей заряда. Кристаллизацию расплава осуществляют с малой скоростью (0,25…0,33 мм/мин). При кристаллизации поверхность раздела твердой и жидкой фаз (фронт кристаллизации) поддерживается выпуклой в сторону расплава, чтобы избежать нежелательной («паразитной») кристаллизации от стенок тигля, а также образования пустот и раковин в объеме слитка. Процесс производят в проточной среде аргона. Выращенный слиток охлаждают в ростовой камере до температуры ~570К и затем вместе с кварцевым тиглем, с использованием специальных захватных устройств, выгружают на воздух, где охлаждают до комнатной температуры. Поверхность слитка со всех сторон обрезают на ~30 мм (области с максимальным содержанием примесей). Затем осуществляют раскрой слитка на блоки заданного сечения (156*156 мм) и резку блоков на пластины толщиной 200±20 мкм.

Схематически устройство установки для производстваизображено на рис. 11, а ее технические характеристики и некоторые качественные параметры производимого мультикремния представлены в табл. 3.

Рис.11. Схема промышленной установки для производства кремния методом направленной кристаллизации (методом Бриджмена).

Поскольку практически все известные примесные элементы в кремнии имеют коэффициенты распределения меньше единицы, их оттеснение в жидкую фазу происходит достаточно эффективно, в отдельных случаях кристаллизационную очистку могут производить многократно. В табл. 4 приведены величины концентрации примесей в мультикремний после одно-, двух и трехкратной перекристаллизации.

Самый высокий полученный КПД фотоэлементов из мультикремния составляет 16,5% (достигнут на установке в Норвегии) [33].

Использование мультикристаллического кремния признано [30-33] наиболее целесообразным по соображениям: стоимость – качество. Однако этот материал нуждается в дальнейшем усовершенствовании. Выход годного из одного слитка (240 кг, 16 блоков) в ряде случаев зафиксирован на уровне 25…30 %. Причины брака – протяженная область n-типа в верхней части

Таблица 3.

Параметры производимого мультикремния [15].

Параметр (показатель)	Размерность	Численное значение
Масса слитка, кг	кг
Высота слитка, мм	мм
Поверхность слитка, мм2	мм2
Высота блока, мм	мм
Количество блоков в слитке, шт	шт
Площадь пластины, мм2	мм2
Толщина пластины, мкм	мкм	200±20
Толщина реза, мкм	мкм
Выход при проволочной резке, %	%
Диффузионная длина, мкм	мкм	30...50
Удельное электрическое сопротивление, Ом*см	Ом*см	0,5-3
Концентрация кислорода, см-3	см-3	10^18
Концентрация углерода, см-3	см-3	10^17
Длительность цикла, ч	ч

Таблица 4.

Изменение концентрации примесей в случае многократной кристаллизации раствора кремния [15].

Количество перекристал-лизаций	Концентрация примесей, 10-3%
Al	Fe	Ca	Mg	Ti	Mn	V	Cr	Ni	Mo	Cu	B	P
	40.0	26.0	7.0	1.0	1.2	8.0	5.0	1.3	5.0	2.0	13.0	10.5
	39.3	25.8	6.9	1.0	1.1	8.0	5.0	1.2	5.0	2.0	13.0	10.5
	39.1	25.4	6.8	0.9	1.0	7.8	5.0	1.1	4.9	2.0	12.8	10.5

слитка, малая область p-типа с удельным электрическим сопротивлением 0,5…3,0 Ом*см и τннз> 8…10 мкс (рис. 12а,б), наличие включений углерода в виде «линз» карбида кремния, различное расположение, размер кристаллитов для центральных и периферийных блоков и др. Неоднородность состава блока мультикремния (удельного сопротивления и времени жизни неосновных носителей заряда) показана на рис. 12 и 13 [15].

Нестабильность свойств мультикремния во времени, обусловленная присутствием существенно больших концентраций примесей и структурных дефектов, чем у монокристаллов, также является причиной «деградации характеристик ФЭП, обусловленной светом» (LID) [8,9]. Параметр LID с недавнего времени входит в число основных, гарантируемых производителями, качественных параметров кремния «солнечного качества». Большинство аналитиков [10…12] сходятся во мнении, что доля мультикристаллического кремния в технологии наземных ФЭП по мере сближения стоимости электроэнергии, производимой традиционными и альтернативными методами, будет возрастать. Наряду с постоянным совершенствованием технологии и конструкции ФЭП, развитие солнечной энергетики будет сопровождаться и ростом потребления более дешевых сортов кремния.

Проектная часть