名詞縮寫表

參數符號表

1硅原料

1.1概論

1.1.1主要技術路線

1.1.2雜質

1.2冶金級硅

1.3西門子法

1.4冶金法

1.4.1氧化去除硼

1.4.1.1鑄桶提純熔渣

1.4.1.2熔渣特性

1.4.2與水蒸汽反應去除硼

1.4.3真空處理去除磷

1.4.4凝固提純

1.4.5溶劑提純

1.4.6浸出去除雜質

1.4.7電解/電化學純化

1.4.8沉澱去除夾雜

1.4.9過濾去除夾雜

參考文獻

2切克勞斯基法

2.1概論

2.2熱場設計

2.2.1功率和生長速率

2.2.2界面形狀和熱應力

2.2.3氬氣消耗和石墨降解

2.2.4產額提升

2.3連續加料

2.3.1數次加料

2.3.2鍍膜坩埚

2.3.3大尺寸和連續生長

2.4改善晶體質量

2.5小結

參考文獻

3區熔法

3.1概論

3.2原料棒

3.2.1西門子法和硅烷法

3.2.2切克勞斯基法

3.2.3顆粒狀原料

3.3區熔法的摻雜

3.4技術限制

3.5二次區熔法

3.6區熔法的潛力

3.7小結

參考文獻

4定向凝固法

4.1概論

4.2控制結晶過程

4.3晶體中的雜質

4.4凝固的三維效應

4.5小結

參考文獻

5鑄錠單晶硅

5.1概論

5.2小平面枝晶

5.3平行孿晶

5.4枝晶生長理論模型

參考文獻

6亞晶界

6.1概論

6.2亞晶界的結構分析

6.3亞晶界的電學特性

6.4亞晶界的產生機理

6.5小結

參考文獻

7帶硅生長

7.1概論

7.2帶硅技術的各種類型

7.2.1第I類帶硅

7.2.1.1邊緣限制薄膜生長

7.2.1.2線帶

7.2.2第II類帶硅

7.2.2.1襯底帶硅生長

7.2.3技術比較

7.3材料特性和太陽能電池工藝

7.3.1耐火材料

7.3.2帶硅材料特性

7.3.2.1邊緣限制薄膜生長和線帶

7.3.2.2襯底帶硅生長

7.3.3帶硅太陽能電池

7.3.3.1帶硅的氫化

7.3.3.2太陽能電池工藝

7.4小結

參考文獻

8球形硅

8.1概論

8.2過冷熔體的晶體生長

8.3枝晶的分裂

8.4一步滴管法

8.5小結

參考文獻

9液相外延法

9.1概論

9.2生長動力學

9.3溶劑和襯底的優化

9.3.1溶劑的選擇

9.3.2襯底表面的自生氧化物

9.4實驗結果

9.4.1外延層厚度和生長速率

9.4.2外延層的摻雜和電學特性

9.5多晶硅襯底上的生長

9.5.1太陽能電池特性

9.6低溫液相外延法

9.7異質襯底液相外延法

9.8外延橫向過度生長

9.9高生產速率液相外延法

9.10小結

參考文獻

10氣相外延法

10.1概論

10.2理論分析

10.2.1流體力學

10.2.2生長動力學

10.2.2.1氣體中氣流和襯底上氣流

10.2.2.2生長速率

10.2.2.3邊界層模型

10.3實驗方法

10.3.1SiH₂Cl₂/H₂繫統

10.3.2外延層的摻雜

10.3.2.1摻雜水平

10.3.2.2摻雜分布

10.4外延生長設備

10.5小結

參考文獻

11閃光燈退火

11.1概論

11.2實驗設備

11.3熱擴散長度

11.4相變

11.5輻照度控制

11.6制備太陽能電池

11.7多晶硅薄膜的微結構

11.8小結

參考文獻

12鋁誘導層交換

12.1概論

12.2總體技術

12.3動力學分析

12.4結構特性和電學特性

12.5滲透膜的影響

12.6理論模型

12.7光伏應用

12.8小結

參考文獻

13熱化學數據庫和動力學數據庫

13.1概論

13.2熱化學數據庫

13.2.1熱力學描述

13.2.1.1溶液

13.2.1.3溶解度

13.2.1.4平衡分布繫數

13.2.1.5退縮性溶解度

13.2.2典型實例

13.3動力學數據庫

13.3.1雜質擴散率

13.3.2典型實例

13.4應用熱化學數據庫和動力學數據庫

13.4.1溶解度和分布繫數

13.4.2表面張力

13.4.3多晶硅中雜質的晶界分凝

13.4.4確定潔淨區寬度

13.5小結

參考文獻

英漢索引

漢英索引

前言

      21世紀的人類不但要面對日益嚴重的全球氣候變暖，還要試圖解決石化資源的逐漸耗竭問題。在未來一個世紀中，大多數自然資源將被耗盡，特別是石油、天然氣和鈾礦將出現不可避免的短缺。如今，人們認識到應該加快研究開發可再生能源技術，並且大規模發展新能源產業。

    太陽能是一種終極自然資源。雖然30%的太陽能（solar energy）被地球反射，我們還可以充分地利用70%的太陽能。2000年全世界能源需求量約9 000百萬噸石油當量（million tonnes oil equivalent，MTOE），而可使用的太陽能是其數千倍。即使在2050年，用太陽能隻供應全世界能源需求的10%，我們也必須連續40年每年生產40GW的太陽能電池（solar cell），這要求每年400 000噸的硅原料（silicon feedstock）。我們相信這是一個可以實現的目標，因為這相當於將全世界2005年的硅原料產量增加12倍。為了實現在2050年太陽能占全球能源使用量10%這個目標，我們需要發展數種關鍵材料，考慮各種材料的生命周期，建立清潔能源循環。在數種關鍵材料中，Si無疑是重要的，因為現在90%的太陽能電池都基於Si，而其發展趨勢將是大規模的。

    為了推動高轉換效率晶體硅太陽能電池（crystalline silicon solar cell）的發展，日本東北大學（Tohoku University）的材料研究學院（Institute for Materials Research，IMR）分別在2004年和2005年組織了2次國內研討會，從材料科學（materials science）的角度探討太陽能電池的硅晶體生長。隨後，IMR和日本學術振興會（Japan Society for the Promotion of Science，JSPS）的“晶體生長科學技術”（Science and Technology of Crystal Growth）第161號委員會在2006年10月2～3日共同組織了屆晶體硅太陽能電池科學技術國際研討會（International Workshop on Science and Technology of Crystalline Si Solar Cells，CSSC）。這個國際研討會作為一個論壇，為大學、研究機構和產業界的科學家和工程師提供了一個相聚的機會，可以從材料科學的角度共同探討晶體硅太陽能電池發展的成果和現有挑戰。CSSC-2於2007年12月7～9日在中國的廈門舉行，而CSSC-3於2009年6月3～5日在挪威的特隆赫姆（Trondheim）舉行。而且，IMR和JSPS第161號委員會於2008年5月21～24日在日本的仙臺（Sendai）的第4屆亞洲晶體生長和晶體技術會議（4^th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology，CGCT-4）上組織了“太陽能電池和清潔能源技術”（Solar Cells and Clean Energy Technology）專題討論會。本書的多數章節是基於這些會議和論壇的學術討論。編者衷心感謝CSSC和CGCT-4所有參與者對本書的貢獻。

    現在有數本介紹太陽能電池總體方面的著作，但是其重點是器件物理學（device physics），而晶體生長技術方面的描述較少。甚至可能存在一些誤解，認為太陽能電池的晶體生長沒有進一步的改進空間。但是，這樣的觀點有欠妥當。即使對於多晶硅硅片（multicrystalline Si wafer），其宏觀特性也可以在晶體生長過程中，通過控制其微觀結構加以改變。本書提供的基礎知識應該可以為太陽能電池材料的新型晶體生長技術的未來發展做出貢獻。

中島一雄

宇佐美徳隆