硅晶体的制备与表征技术探究

PL技术以其无损、快速的特点，为研究者们探测硅片体内的结构提供了丰富的信息。比如，前文提到的在2011年以前晶体硅生长技术研究方向为大晶粒的研究误区，很大程度上是因为当时业内缺乏PL这类快速的无损检测技术所造成的。如何去量化各种缺陷，建立一种类似少子寿命的硅片质量评价指标，是相关研究者们一直努力的方向。笔者认为，需要充分结合电池技术的贡献，考虑吸杂和钝化对不同缺陷弱化作用，来给予各种缺陷一个综合的评价指标。

公式(2)

公式(2)中，xi代表某个种类的缺陷(或复合中心)，Ri代表考虑了电池吸杂和钝化后的缺陷复合能力权重，Ci代表某个种类缺陷的数量，Defect_index代表自定义的缺陷因子，是无量纲值。因为电池工艺的变化，公式(2)中的各个参数也可能会相应进行调整，以达到评价因子与电池效率(特别是Uoc)之间的最佳关联关系。

图(4)相同200片硅片制备成电池的转换效率分别与裸硅片少子寿命(a)和PL缺陷密度值(b)的关系图

笔者曾对200片硅片的裸片少子寿命和PL缺陷因子进行了检测，并制备成电池测试了电池效率，其对比结果如图(4)所示。相比裸片少子寿命，从PL图片中提炼出的缺陷密度值能更好地关联电池效率。

3.2 硅片的晶向检测技术

表(2)各种晶向检测技术特征的归纳比较不同于单晶硅片单一的<100>晶向，多晶硅片的晶向是杂乱无章的。但研究者们对晶向与晶体缺陷生长之间关系的研究从来没有停止过，Fujiwara和Nakajima[13]曾报道了通过控制<112>和<110>晶向能有效调控晶体生长初始阶段的微结构。但长期以来，受制于晶向检测技术的限制，该方面的研究工作很难系统开展起来。

表(2)汇总归纳了几种已有的晶向检测技术及其特征，X射线衍射、中子衍射、选区电子衍射均因检测区域太小或受系统消光规律的限制，很难应用于晶向随机且样品尺寸较大的多晶硅片晶向检测，背散射衍射技术虽然能观察几个平方厘米的晶向分布，但制样复杂，难以推广应用。

FraunhoferTHM和IISB研究所在2014年推出了一种劳埃法的X射线衍射技术，能对大尺寸的多晶硅片进行晶粒分布面扫描，是该探测领域的一大突破，但该技术存在检测时间长(2~4h/pc)的缺点。最后一种光学反射方法是天合光能自主研发的可做晶向面扫的技术，对比已有的X射线衍射和背散射电子衍射等，该方法具有耗时短、样品处理简单、测试面积大等优点，非常适用于工业级的多晶硅晶向分析。

图(5)是采用该方法针对一张多晶硅片晶向面扫描的结果。所有种类的晶向，按照彼此晶向夹角的差异，被人为地归并为7个大类，并用不同的颜色标示，各个晶向所占的面积比例得以定量的量化。

图(5)采用光学反射法测试得到的多晶硅片(10×10 cm)晶向面扫描图

4. 总结和展望

在科学研究者们的不懈努力下，各种新型的光伏电池结构和制备技术不断涌现，但无论是能革命硅晶体电池的Perovskite电池，还是CIGS、GaAs等薄膜电池，抑或是大幅减少硅用量的硅薄膜电池，短时间内都无法撼动以晶体硅为基体的传统光伏电池的主流地位，其他电池会因为其高效或柔性等特点应用于特殊场合，作为晶硅电池的补充而长期存在。

对晶体硅这条奔腾不息的主流，其发展动态则很难进行预测。四年前，类单晶一度被看好，行业内很少有人预测到类单晶的消失，同样，也很少有人预测到高效多晶的到来，产业的发展受到众多复杂因素(技术、设备、成本、市场等)的制约。未来晶体硅的发展方向是单晶、多晶还是类单晶?是P型还是N型?全依赖于晶硅如何与PERC、HIT或IBC等电池结构进行有效匹配，如何能获得更高功率更强可靠性的组件，以及如何为终端用户提供更高的发电量。

但从短期看，有两点可以确定：(1)高效多晶由于其比类单晶和铸锭多晶更低的位错密度，将会持续有广阔的市场，其不断优化的工艺，还有进一步提升硅片质量的前景;(2)在线多晶硅表征技术和设备的开发，将为多晶电池和组件制造带来效益，是科学研究者们努力的方向。