日本东北大学成功培育出用于太阳能电池的类单晶硅锭

日本东北大学金属材料研究所于2013年1月30日宣布，该研究所教授米永一郎及副教授沓挂健太朗等人组成的研究小组研究出了太阳能电池用硅晶体的新的培育方法，成功培育出了类单晶硅。类单晶硅与多晶硅一样，都是在坩埚中使硅融液从下部开始向一个方向凝固、生长来制造。这时，在坩埚底部铺上单晶硅的籽晶，便可获得单晶硅锭。为了与以前通过CZ法制造的单晶硅相区别，这种单晶硅被称为类单晶硅。 

类单晶硅的生长模式图。左为原来的技术，右为新技术。		抑制多晶化的机理。坩埚近旁的扩大图。Σ3晶界与Σ5晶界反应变成Σ15晶界，可由此使多晶区域停止向坩埚中央推进。

分别从利用原来的技术以及新技术培育的类单晶硅锭中切割出来的晶圆的截面照片。除了人工晶界的形成之外，均在同一工序及条件下制造。多晶化的部分用黄色表示。右图中的白虚线表示人工形成的Σ5晶界的位置。借助Σ5晶界，将多晶化限制在不作为太阳能电池使用的硅锭外周部。

       目前使用的太阳能电池用基板中，多晶硅约占50％，单晶硅约占40％，而类单晶硅则被视为有望使转换效率进一步提高的材料。不过，在通过硅融液用籽晶培育类单晶硅的过程中，与坩埚接触的部分会产生大量方向与籽晶不同的结晶粒，会出现多晶体占有部分扩大的多晶化问题。为了解决这一问题，此次通过复合籽晶来形成人造晶界，利用这一晶界来抑制不需要的多晶区域的扩大。 

       研究小组首先发现，导致多晶化的、坩埚壁产生的结晶粒大多是被称为Σ3的晶界。该Σ3晶界通常相对于硅锭生长方向倾斜产生，因此在生长的同时会向硅锭的中央部分推进，使这一多晶部分的面积扩大。 

       此次研究出的方法利用复合的种晶沿坩埚壁形成名为Σ5的晶界。该Σ5晶界在硅锭生长阶段会沿着生长方向笔直伸长。然后，与坩埚壁生产的Σ3晶界反应，形成Σ15晶界。Σ15晶界也会沿着生长方向伸长，因此，在该晶界形成时，就能抑制多晶颗粒的扩大。 

       在基于这一机理的10cm见方硅锭方面，研究小组成功培育出了多晶化得到抑制的硅锭。一般而言，从坩埚壁长出的数cm的部分无法用作太阳能电池晶圆，因此目前多结化硅锭的类单晶晶圆的成品率仅为36％左右。但此次的方法将多晶化的范围控制在了坩埚壁附近，因此可将成品率提高至近100％。另外，此次的方法可直接使用目前的太阳能电池多晶硅生产线，并且无需对制造工序进行调整，可迅速且轻松地导入。 

       研究小组今后将努力降低类单晶硅的位错（结晶缺陷）密度，以实现转换效率可与单晶硅匹敌的晶体。位错缺陷大多从晶界发生，因此该研究小组今后还将推进晶界方面的研究，实现可有效抑制位错发生的晶界。

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