...

Produkcja krzemu monokrystalicznego metodą Cz

25 listopada 2021
Produkcja krzemu monokrystalicznego metodą Cz

Krzem monokrystaliczny (mono-Si lub c-Si) to krzem, który składa się z ciągłego, stałego monokryształu. Krzem do zastosowań fotowoltaicznych (PV) jest hodowany w formie cylindrycznej o typowej średnicy 8 cali (~200 mm). Powierzchnia cylindra jest następnie przycinana, aby uzyskać kształt pseudokwadratowy. Takie wlewki mogą być przygotowane jako krzem samoistny, domieszkowany typu p lub domieszkowany typu n. Domieszkowanie typu p uzyskuje się zazwyczaj przy użyciu boru, podczas gdy domieszkowanie typu n powstaje przy użyciu fosforu. Typowa grubość ogniw fotowoltaicznych mono-Si produkowanych jest w zakresie 160–190 μm.

Metoda Cz – nazwana na cześć Jana Czochralskiego – jest najpowszechniejszą metodą produkcji mono-Si. Metoda ta charakteryzuje się stosunkowo niską odpornością na naprężenia termiczne, krótkim czasem obróbki i stosunkowo niskim kosztem. Krzem wyhodowany w procesie Cz charakteryzuje się również stosunkowo wysokim stężeniem tlenu, co może wspomagać wewnętrzne pochłanianie zanieczyszczeń. Przemysłowy standard średnicy kryształu wynosi od 75 do 210 mm. Materiał polikrzemowy (krzem klasy solarnej) o wysokiej czystości z dodatkowymi domieszkami, najczęściej borem (dla domieszkowania typu p ) lub fosforem (dla domieszkowanie typu n) jest stosowany jako surowiec do procesu. Monokrystaliczne ziarno krzemu jest umieszczane na powierzchni, obracane i stopniowo wciągane do góry. To wyciąga stopiony krzem ze stopu, tak że może on zestalić się w ciągły monokryształ z zarodka. Temperatura i prędkość wyciągania są starannie dobierane w celu wyeliminowania przemieszczeń w krysztale, które mogą być generowane przez szok kontaktowy zarodka z tzw. roztopem. Kontrolowanie prędkości może również wpływać na średnicę kryształu. Ze względu na zmienność rozpuszczalności tlenu w krzemie, tlen może się wytrącać. Tlen, który nie jest wytrącony, może stać się wadami aktywnymi elektrycznie, a ponadto donory termiczne z tlenu mogą wpływać na rezystywność materiału. Alternatywnie, wytrącony tlen może ułatwić wewnętrzne pochłanianie zanieczyszczeń. Forma śródmiąższowa tlenu (O) w krzemie typu p domieszkowanego borem może poważnie wpłynąć na właściwości krzemu. Pod wpływem oświetlenia tlen tworzy defekt borowo-tlenowy. Wiadomo, że zmniejsza to sprawność gotowego ogniwa fotowoltaicznego nawet o 10% w stosunku względnym.

Kolejną wadą standardowego procesu Cz jest fakt, że rozkład domieszek nie jest równomierny wzdłuż wlewka, ponieważ współczynniki segregacji boru (0,8) i fosforu (0,3) nie są jednością. Skutkuje to stosunkowo niskim stężeniem domieszek, a więc wyższą rezystywnością, na początku procesu wyciągania Cz i wyższym stężeniem domieszek, a więc niższą rezystywnością, pod koniec procesu wyciągania. Ze względu na stosunkowo niski proces segregacji fosforu jest to problem głównie dla mono-Si typu n, co skutkuje szerokim zakresem rezystywności dla wlewków typu n.

Innym wariantem procesu Cz jest ciągły proces Cz. W ciągłym procesie Cz nowy materiał jest dodawany do wytopu podczas wyciągania wlewków. Pozwala to na zastosowanie znacznie płytszych tygli, zmniejszając interakcję ze ściankami tygla, a także pozwala na kontrolowanie stężenia domieszek w roztopie, dzięki czemu stężenie domieszek we wlewku może być stałe. Może to zatem prowadzić do powstania znacznie bardziej jednolitych wlewków pod względem rezystywności, które są również dłuższe, ponieważ proces nie jest już ograniczony do początkowej objętości stopu. Wadą metody ciągłej Cz jest jednak to, że w stopie mogą gromadzić się zanieczyszczenia o niskim współczynniku segregacji, co skutkuje wysokimi stężeniami w dalszej części procesu wyciągania.

Źródło: https://pv-manufacturing.org/silicon-production/cz-monocrystalline-silicon-production/

Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika