什麼(me)是N型矽料
Published:
2023-11-03 00:00
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光伏行業技術研究的邏輯還(hái)是比較有意思的，部分專業概念很容易被(bèi)上下遊甚至和半導體行業混到一起(qǐ)，比如少子壽命，上下遊矽的物理态都(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)标起(qǐ)草單位沒(méi)有，相關的矽料國(guó)标①“GB/T 25074-2010 太陽能(néng)級多矽”，起(qǐ)草單位 “洛陽中矽、無錫尚德、中國(guó)電子技術标準研究所、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”。
所以第一個問題來了：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，有下遊矽片或電池片企業，且大部分是矽料下遊應用企業，而2022年即便更新的過(guò)矽料指标，起(qǐ)草單位大部分是上遊，沒(méi)有下遊？所以自上而下，從矽料企業去了解N型矽料的标準是否存在失真。
緊接著(zhe)第二個問題：既然沒(méi)有具體的下遊參與制定指标，是否是因爲N型矽料當前并沒(méi)有一個特定标準？
下遊爲了摸清這(zhè)個标準，一定會去不停試驗N型指标所需要的條件，所以第三個問題：是否N型指标随著(zhe)N型電池的提效，也會進(jìn)一步發(fā)生改變？那麼(me)當一家矽料企業說自己現在滿足N型矽料要求，是否也存在判斷失真？
PS：現在市面(miàn)上的各類信息太多了，大家沒(méi)那麼(me)多時間判别，也很容易陷入到先入爲主的觀念中。
上述三個問題，至少告訴大家兩(liǎng)件事(shì)，①N型矽料指标是變化的，隻要N型電池在提效，那麼(me)矽料純度一定進(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)矽料中各項指标的需求，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，分别爲中環 “電池對(duì)N型矽片指标需求”，以及隆基 “N型高效電池對(duì)單晶矽材料要求”。
中環提出兩(liǎng)個大點，更高要求的産品标準和差異化的超薄矽片設計。其中産品标準中又涉及到三大點：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，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，其實也是也是單晶矽棒的上述标準。但别和矽料中的少子壽命，氧含量，電阻率搞混了。
第一個概念出來了，矽片的少子壽命，當金屬原子以單個形式存在于晶矽矽中時，它們具有電活性，同時也是深能(néng)級複合中心，所以原子态的金屬從兩(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)程中見下圖，并未涉及到金屬元素的摻入，其餘矽片生産的過(guò)程中導緻的金屬雜質的引入并不在矽料企業考慮範圍内，因而唯一矽料企業考慮的金屬雜質引入點就在矽片材質本身，也就是矽料攜帶進(jìn)來的金屬雜質，尤其是深能(néng)級雜質，所以矽料中存在體金屬，表金屬的指标，同時反應矽料金屬雜質濃度大小的矽料少子壽命，大家知道(dào)來源了把。
第二個概念 “矽片的氧含量” ，氧的主要來源是熔體和堆塌的相對(duì)運動。堆場和矽反應産生一氧化碳，部分會進(jìn)入晶體界面(miàn)。氧和雜質會導緻N型矽片在電池高溫制備環節出現同心圓、黑心片等問題。氧在1400度無法流動，會被(bèi)凝固在COP附近形成(chéng)缺陷。TOPCon在後(hòu)續電池制備環節高溫步驟較多，因此也更容易産生同心圓等問題。但明顯氧氣的引入和控制在矽片生産環節，矽料生産環節中涉氧較少，因而在新國(guó)标中將(jiāng)氧含量改爲客戶自定，該元素的除雜并不在N型矽料指标範圍考慮之中。
第三個概念 “矽片的電阻率” ，在矽料拉單晶制備成(chéng)單晶矽棒過(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)99.999%~99.9999%，N型矽片是通過(guò)摻雜不同量的磷來控制單晶矽的電阻率，電阻率ρ與摻雜濃度Cs的關系如下：
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，但有别于氧，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)更準确控制電阻率大小，所以矽料在新國(guó)标中的B、P更重要的是的P，有了更加嚴苛的标準。
看完以上概念我們再看看，很多在矽料研究材料下面(miàn)用矽片指标去混搭解釋的言論就顯得十分唐突了，也驗證我開(kāi)頭說到的，“現在市面(miàn)上的各類信息太多了，大家沒(méi)那麼(me)多時間判别，也很容易陷入到先入爲主的觀念中”。
那具體當前的N型指标要達到多少，咱們留到下期講解，另外對(duì)于本期提到的三個概念，更多地涉及到半導體物理學(xué)上的概念，這(zhè)邊我先把坑留著(zhe)，後(hòu)續爲讀者一一填埋。
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