第4章　物理法太陽電池多晶硅

4.1　物理法太陽電池多晶硅簡介

物理法就是金屬硅中的硅元素不參加化學反應，而是用不同的物理方法分步去除不同的雜質而達到提純的目的。因為這一方法在很多方面與冶金爐外精煉法的方法類似，所以也稱冶金法。作為太陽電池用硅材料，硅純度達到6～7個9就可以滿足要求。因此，從降低太陽電池成本的角度，在允許的雜質范圍內重點發展成本低廉的提煉方法是未來的發展方向，物理法太陽電池多晶硅就是其中最有潛力的方法之一。

物理法在20世紀80年代實驗室進行試驗，但這個方法的硅料完全不能滿足半導體的應用，在西門子法提純技術實現商業化之后，就停止研究。21世紀初，太陽能的用硅量上漲，超過了半導體用硅，物理法多晶硅的研究又重新開始。

與西門子法相比較物理法相對耗能少、成本低，可能是未來生產太陽電池用多晶硅理想的方法。目前，進行物理提純工業硅制備太陽級硅新工藝研究的國家有：日本、中國、挪威、美國等。

對物理法來說，同樣以冶金級工業硅為原料，逐步去除雜質，生產多晶硅。因為對太陽電池來說，P、B、C、O、Fe、Cr、Ni、Cu、Zn、Ca、Mg、Al等是要嚴格控制的元素，所以從工業硅冶煉開始，就要對工藝進行適當調整：從原料挑選和工具使用上嚴格限制上述元素混入。

除對原料挑選控制外，還要對原料進行處理。比如，在高溫通氯除去還原劑中的磷和硼等，從二氧化硅中除硼比從硅中除硼更容易，因為硅、硼容易形成化合物。再比如在冶煉金屬硅中加入一些氧化劑，增加磷、硼等非金屬元素的氧化和揮發，減少在金屬硅里的磷、硼的含量。

在熔煉過程中應采取一切措施，防止硅液吸收雜質，減少污染，通過各種精煉提純方法除去金屬中的雜質。硅材料中的雜質除來自爐料外，還有設備本身帶來的雜質，雜質的來源主要有以下幾種途徑：

① 從爐襯中吸收雜質；

② 從爐氣中吸收雜質；

③ 從熔劑和熔煉添加劑中吸收雜質；

④ 從爐料及爐渣中吸收雜質；

⑤ 舊料的多次重熔積累的雜質，其中某一成分或雜質的含量一旦超過有關標準，就會出現廢品；

⑥ 石墨電極在消耗的時候，電極里面所含有的雜質也會進入到金屬硅產品中。

其中，爐襯在用過幾爐后，爐壁會形成一層碳化硅和二氧化硅等結成的殼，將爐襯材料與爐料分開，爐襯對硅料的污染將會減少很多。

國內比較好的金屬硅廠，可以比較容易地冶煉出3N的金屬硅，金屬雜質能夠控制在100×10^-6以內，磷控制在10×10^-6左右，硼控制在1×10^-6以下。

需要提及的是也有人設想采用高純石英（5個N二氧化硅）加高純碳進行反應，直接反應出多晶硅。然而這個路線難度很大，因為常規礦熱爐的粗放工藝，對材料純度采用5N 以上的純度污染嚴重，要想完全避免很困難。

通過冶金硅的冶煉方法和工藝，冶金級硅中的雜質主要來源于其冶煉過程中的原料和設備帶入的，這些雜質主要有以下幾種：一類是以C、N、H等為代表的輕元素雜質；另一類是金屬雜質，如Fe、Al、Ca、Cu、Ni等；還有冶金硅中的非金屬化合物，如氧化物、氯化物、硫化物以及硅酸鹽等大都獨立存在，統稱為非金屬夾雜物，一般簡稱為夾雜或夾渣。夾渣的存在形態為不同大小的團塊狀或粒狀夾渣，如果夾渣以微粒狀彌散分布于金屬熔體中，則不易去除。

這些雜質的存在對半導體工藝和光伏工藝都產生了很大的負面影響。其中，輕元素中的含量過大會導致硅片翹曲，并能引入二次缺陷等，而輕元素中的C會降低擊穿電壓、增漏電流。過渡族金屬雜質會在Si中形成深能級中心或沉淀而影響材料及器件的電學性能。另外，它們還能大幅度降低少數載流子壽命。