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什麼(me)是N型矽料
Published:
2023-11-03 00:00
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光伏行業(yè)技術(shù)研究的邏輯還(hái)是比較有意思的,部分專(zhuān)業(yè)概念很容易被(bèi)上下遊甚至和半導體行業(yè)混到一起(qǐ),比如少子壽命,上下遊矽的物理態(tài)都(dōu)不同,工藝也不同,矽料、矽片、電池的中的少子壽命能(néng)是一回事(shì)麼(me)?
大家留意到國(guó)標起(qǐ)草單位沒(méi)(méi)有,相關(guān)的矽料國(guó)標①“GB/T 25074-2010 太陽(yáng)能(néng)級多矽”,起(qǐ)草單位 “洛陽(yáng)中矽、無(wú)錫尚德、中國(guó)電子技術(shù)標準研究所、隆基等”;②“GB/T 12963-2014 電子級多矽”起(qǐ)草單位 “峨眉半導體、中能(néng)、特變、洛陽(yáng)中矽等”;③“GB/T 12963-2022 電子級多矽” 起(qǐ)草單位“鑫華、黃河水電、中能(néng)、永祥、新特等”。
所以第一個(gè)問(wèn)題來(lái)了:既然都(dōu)是同樣(yàng)的産品,2010年的起(qǐ)草單位有上遊矽料企業(yè),有下遊矽片或電池片企業(yè),且大部分是矽料下遊應用企業(yè),而2022年即便更新的過(guò)(guò)矽料指標,起(qǐ)草單位大部分是上遊,沒(méi)(méi)有下遊?所以自上而下,從矽料企業(yè)去了解N型矽料的標準是否存在失真。
緊接著(zhù)(zhe)第二個(gè)問(wèn)題:既然沒(méi)(méi)有具體的下遊參與制定指標,是否是因爲N型矽料當前并沒(méi)(méi)有一個(gè)特定標準?
下遊爲了摸清這(zhè)個(gè)標準,一定會(huì )去不停試驗N型指標所需要的條件,所以第三個(gè)問(wèn)題:是否N型指標隨著(zhù)(zhe)N型電池的提效,也會(huì )進(jìn)(jìn)一步發(fā)(fā)生改變?那麼(me)當一家矽料企業(yè)說(shuō)自己現在滿(mǎn)足N型矽料要求,是否也存在判斷失真?
PS:現在市面(miàn)上的各類(lèi)信息太多了,大家沒(méi)(méi)那麼(me)多時(shí)間判別,也很容易陷入到先入爲主的觀(guān)念中。
上述三個(gè)問(wèn)題,至少告訴大家兩(liǎng)件事(shì),①N型矽料指標是變化的,隻要N型電池在提效,那麼(me)矽料純度一定進(jìn)(jìn)一步增加;②N型矽料的判斷一定是自下而上的,隻有去挖掘下遊對(duì)矽料中各項指標的需求,才能(néng)斷定什麼(me)才是當前的N型矽料。
好(hǎo)的,下面(miàn)我們就從下遊去挖掘當前N型矽料所具備的條件。先看兩(liǎng)張圖,分別爲中環(huán) “電池對(duì)N型矽片指標需求”,以及隆基 “N型高效電池對(duì)單晶矽材料要求”。
中環(huán)提出兩(liǎng)個(gè)大點(diǎn),更高要求的産品標準和差異化的超薄矽片設計。其中産品標準中又涉及到三大點(diǎn):①更高少數載流子壽命;②更低氧含量;③更加集中的電阻率分布;超薄的矽片設計這(zhè)一點(diǎn),是爲了增加矽料利用率還(hái)是爲了降低少子壽命,我這(zhè)邊先挖一個(gè)坑,後(hòu)面(miàn)幾期給大家講講。
隆基報告中提到,與矽材料少子壽命及電阻率存在關(guān)系。轉化效率越高的電池(N型電池)對(duì)少子壽命越敏感,要求也越高;電阻率對(duì)部分電池結構影響較大。那就N型矽料需要的條件聚焦了,矽料中影響矽片“少子壽命,氧含量,電阻率分布”的因素。
得注意一下:影響的是矽片的少子壽命,氧含量,電阻率,因爲矽片是單晶矽棒切片産生,其實(shí)也是也是單晶矽棒的上述標準。但別和矽料中的少子壽命,氧含量,電阻率搞混了。
第一個(gè)概念出來(lái)了,矽片的少子壽命,當金屬原子以單個(gè)形式存在于晶矽矽中時(shí),它們具有電活性,同時(shí)也是深能(néng)級複合中心,所以原子態(tài)的金屬從兩(liǎng)方面(miàn)影響矽材料的性能(néng):①影響載流子的濃度(電子或空穴);②影響少數載流子的壽命。在N型矽片工藝生産過(guò)(guò)程中見(jiàn)下圖,并未涉及到金屬元素的摻入,其餘矽片生産的過(guò)(guò)程中導緻的金屬雜質(zhì)的引入并不在矽料企業(yè)考慮範圍內,因而唯一矽料企業(yè)考慮的金屬雜質(zhì)引入點(diǎn)就在矽片材質(zhì)本身,也就是矽料攜帶進(jìn)(jìn)來(lái)的金屬雜質(zhì),尤其是深能(néng)級雜質(zhì),所以矽料中存在體金屬,表金屬的指標,同時(shí)反應矽料金屬雜質(zhì)濃度大小的矽料少子壽命,大家知道(dào)來(lái)源了把。
第二個(gè)概念 “矽片的氧含量” ,氧的主要來(lái)源是熔體和堆塌的相對(duì)運動(dòng)。堆場(chǎng)和矽反應産生一氧化碳,部分會(huì )進(jìn)(jìn)入晶體界面(miàn)。氧和雜質(zhì)會(huì )導緻N型矽片在電池高溫制備環(huán)節出現同心圓、黑心片等問(wèn)題。氧在1400度無(wú)法流動(dòng),會(huì )被(bèi)凝固在COP附近形成(chéng)缺陷。TOPCon在後(hòu)續電池制備環(huán)節高溫步驟較多,因此也更容易産生同心圓等問(wèn)題。但明顯氧氣的引入和控制在矽片生産環(huán)節,矽料生産環(huán)節中涉氧較少,因而在新國(guó)標中將(jiāng)氧含量改爲客戶(hù)自定,該元素的除雜并不在N型矽料指標範圍考慮之中。
第三個(gè)概念 “矽片的電阻率” ,在矽料拉單晶制備成(chéng)單晶矽棒過(guò)(guò)程中,一般利用高純的硼或磷作爲摻雜劑,摻雜劑本身的純度超過(guò)(guò)99.999%~99.9999%,N型矽片是通過(guò)(guò)摻雜不同量的磷來(lái)控制單晶矽的電阻率,電阻率ρ與摻雜濃度Cs的關(guān)系如下:
ρ=1/σ=1/(Cs*e*μ)
式中,σ爲電導率;e爲電子電荷,e=1.6*10^(-19)C; μ爲電子的遷移率,爲1350cm2/(V*s);對(duì)于1Ω*cm的N型摻磷單晶矽而言,磷的摻雜濃度爲4.2*10^15cm^(-3)。因而控制單晶矽的電阻率主要取決于矽熔體中加入的摻雜劑的量。所以主要控制控制電阻率的地方在矽片的生産,但有別于氧,摻雜既然按照一定比例定量執行,必定需要原本體的中B或P更像一張白紙,這(zhè)樣(yàng)我才能(néng)更準確控制電阻率大小,所以矽料在新國(guó)標中的B、P更重要的是的P,有了更加嚴苛的標準。
看完以上概念我們再看看,很多在矽料研究材料下面(miàn)用矽片指標去混搭解釋的言論就顯得十分唐突了,也驗證我開(kāi)(kāi)頭說(shuō)到的,“現在市面(miàn)上的各類(lèi)信息太多了,大家沒(méi)(méi)那麼(me)多時(shí)間判別,也很容易陷入到先入爲主的觀(guān)念中”。
那具體當前的N型指標要達到多少,咱們留到下期講解,另外對(duì)于本期提到的三個(gè)概念,更多地涉及到半導體物理學(xué)(xué)上的概念,這(zhè)邊我先把坑留著(zhù)(zhe),後(hòu)續爲讀者一一填埋。
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