用于太阳能电池应用的高质量锑掺杂n型硅片

《Solar RRL》：High Quality Antimony-Doped n-Type Silicon Wafers for Solar Cell Applications

本研究探讨了Sb掺杂n型硅晶圆（通过RCz方法生长）的光伏应用电学性能，分析其电阻率分布、少数载流子寿命及隐含最大功率点电压和开路电压。结果表明，Sb掺杂晶圆具有更均匀的掺杂分布和接近Auger极限的寿命，PDG处理显著提升末晶锭性能，而Fe gettering速率在Sb和P掺杂晶圆中相似。研究证实Sb掺杂晶圆在高效光伏电池制造中的潜力。

　　工业抗imony掺杂（Sb掺杂）n型硅片在光伏应用中展现出巨大的潜力。这些硅片采用再充填提拉法（RCz）生长，其电子特性是本研究的重点。我们通过分析RCz生长的硅锭中电阻率分布、体少数载流子寿命以及体最大功率点的隐含电压（iV_MP），并结合对铁（Fe）杂质的去除效果进行评估，探讨了Sb掺杂硅片的材料质量。同时，我们还比较了Sb掺杂与磷（P）掺杂硅片在Fe去除方面的速率差异。

随着光伏市场对高效率太阳能电池需求的增加，n型硅片预计将在2034年占据超过90%的市场份额。这一趋势主要由诸如隧穿氧化物钝化接触（TOPCon）和硅异质结（SHJ）等高效率太阳能电池技术的广泛应用所推动。当前的工业标准n型硅片通常使用磷作为掺杂剂，并通过RCz法生长。这些硅片在体载流子寿命方面可以接近Auger极限，这表明其在减少非辐射复合方面具有优势。然而，RCz法在生产过程中仍面临一些挑战，如熔体中杂质的积累，这可能影响硅锭的整体质量。金属杂质如铁（Fe）具有极低的分配系数，这会导致其在后续生长周期中浓度升高，从而降低材料质量。

相比之下，Sb作为一种替代掺杂剂，表现出独特的物理化学特性。Sb的分配系数远低于磷（k=0.023），理论上会导致硅锭中电阻率的更大变化。然而，Sb在硅熔点下的蒸发速率（0.13 cm/s）显著高于磷（1.4 × 10?? cm/s），这使得在控制熔体气氛和部分压力的情况下，能够通过精确调节掺杂剂的分配来实现硅锭中均匀的掺杂分布。这种特性为Sb掺杂硅片在体载流子寿命和电阻率方面的优化提供了可能。

在实验方法方面，本研究选取了来自同一坩埚的多个RCz硅锭，其中一部分Sb掺杂硅片和一部分P掺杂硅片用于分析。每个硅锭中选取了三个不同的位置（种子区、中间区和尾端）的硅片进行测试。所有硅片均经过锯片损伤蚀刻，并采用四甲基氢氧化铵（TMAH）溶液处理，以达到最终厚度125±10微米。随后，硅片通过Radio Corporation of America（RCA）溶液进行清洗，为后续的高温处理和表面钝化做准备。

为了评估Sb掺杂硅片的体质量，我们将其分为三组进行处理：第一组为“原始状态”（As-grown），未进行任何高温处理；第二组为“磷扩散钝化”（PDG），在880°C下进行40分钟的磷扩散处理；第三组为“两步PDG”，先在880°C下进行30分钟的磷扩散，随后在600°C下进行14小时的退火处理。这些处理旨在进一步去除溶解的金属杂质，提高硅片的整体质量。处理后的样品通过TMAH溶液去除高掺杂层，以确保测试的准确性。

硅片表面通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术涂覆70纳米的SiNx:H薄膜，以实现表面钝化。这一过程在250–300°C的温度下进行，且SiNx:H薄膜在沉积过程中对杂质具有一定的钝化作用。为了排除表面复合对测量结果的影响，我们采用高纯度n型浮区（FZ）硅片作为对照，其表面复合饱和电流密度（J0）与RCz样品进行了对比，从而计算出RCz样品的体载流子寿命。

通过WCT-120工具测量体载流子寿命和电阻率，结果表明Sb掺杂硅片的电阻率在硅锭整体范围内保持相对稳定，约为0.8±0.1 Ω·cm，而P掺杂硅片的电阻率则从种子区到尾端呈现逐渐下降的趋势。此外，Sb掺杂硅片的体氧浓度（[Oi]）显著低于P掺杂硅片，这与当前工业RCz硅锭中氧浓度下降的趋势相吻合。这一结果进一步验证了Sb掺杂硅片在材料质量方面的优势。

在体载流子寿命方面，Sb掺杂硅片表现出接近Auger极限的特性。然而，在某些特定的硅锭位置，如尾端，由于Sb在硅熔体表面的高蒸发速率，其体载流子寿命仍低于Auger极限。通过PDG处理，这些硅片的体载流子寿命得到了显著改善，特别是在接近最大功率点的注入水平下，寿命提升了约20毫秒。相比之下，P掺杂硅片的体载流子寿命在PDG处理后也有所提升，但效果不如Sb掺杂硅片显著。

为了进一步验证Sb掺杂硅片的材料质量，我们对Sb掺杂和P掺杂硅片进行了Fe杂质的去除测试。通过离子注入引入Fe杂质，并在1000°C下进行退火处理，以确保Fe原子在硅片中的均匀分布。随后，硅片在325°C的干氧气氛下进行累积退火处理，以评估Fe杂质的去除速率。结果显示，Sb掺杂和P掺杂硅片在Fe去除速率方面表现相似，这表明它们在高温退火过程中对Fe杂质的去除效果相当。然而，由于Sb掺杂硅片的体载流子寿命在较高注入水平下受到Auger复合的主导，因此PDG处理对其影响较小。

本研究的结论表明，Sb掺杂硅片在RCz生长过程中展现出优异的材料质量，其电阻率分布更加均匀，且体载流子寿命接近Auger极限。这使得Sb掺杂硅片成为高效率太阳能电池生产的重要候选材料。此外，Sb掺杂硅片在体杂质去除方面也表现出良好的性能，尤其是在Fe去除速率上与P掺杂硅片相近。这一发现不仅有助于优化硅片的生产过程，还可能提高硅锭的产量和生产效率，从而降低成本。

总体而言，Sb掺杂硅片在电阻率、载流子寿命和杂质去除方面均表现出优越的性能。这些特性使其在高效率太阳能电池制造中具有重要应用价值。随着光伏技术的不断发展，Sb掺杂硅片有望在未来的太阳能电池制造中发挥更大作用，推动光伏产业向更高效率和更低制造成本的方向发展。