单晶硅

早在上世纪五十年代，美国贝尔实验室的研究者就发明了单晶硅太阳电池，利用单晶硅晶圆实现了太阳光能转换成电能的突破，并成功用于人造卫星，当时的光电转换效率仅有5%左右。近几年，研究人员通过材料结构工程和高端设备开发的协同创新，将单晶硅太阳电池的光电转换效率提高到26.8%，接近理论极限29.4%，制造成本和综合发电成本大幅度下降，在我国大部分地区达到平价上网。同时，单晶硅太阳电池在光伏市场的占有率也上升到95%以上。除了常规太阳电池在地面光伏电站和分布式光伏的大规模应用以外，柔性太阳电池在可穿戴电子、移动通讯、车载移动能源、光伏建筑一体化、航空航天等领域也具有巨大的发展空间，然而目前尚未开发出商用的高效、轻质、大面积、低成本柔性太阳电池满足该领域的应用需求。中国科学院上海微系统与信息技术研究所的研究团队通过高速相机观察发现，单晶硅太阳电池在弯曲应力作用下的断裂总是从单晶硅片边缘处的“V”字型沟槽开始萌生裂痕，该区域被定义为硅片的“力学短板”。根据这一现象，研究团队创新地开发了边缘圆滑处理技术，将硅片边缘的表面和侧面尖锐的“V”字型沟槽处理成平滑的“U”字型沟槽，改变介观尺度上的结构对称性，结合有限元分析、动态应力载荷下的分子动力学模拟和球差透射电子显微镜的残余应力分析，发现单晶硅的“脆性”断裂行为转变成“弹塑性”二次剪切带断裂行为。同时，由于圆滑处理只限于硅片边缘区域，不影响硅片表面和背面对光的吸收能力，从而保持了太阳电池的光电转换效率不变。该结构设计方案可以显著提升硅片的“柔韧性”，60微米厚度的单晶硅太阳电池可以像A4纸一样进行折叠操作，最小弯曲半径达到5毫米以下；也可以进行重复弯曲，弯曲角度超过360度。相关成果于5月24日在《自然》（Nature）杂志发表，并被选为当期的封面文章。论文通讯作者、上海微系统所研究员狄增峰介绍道:“对于具有表面尖锐‘V’字型沟槽的太阳电池硅片断裂行为的认识，启发了研究团队针对硅片边缘区域进行形貌改变，将尖锐‘V’字型沟槽处理成圆滑‘U’字型沟槽，从而让弯曲应变能够有效分散，有效抑制了应变断裂行为，提升了硅片的柔韧性，最终实现了高效、轻质、柔性的单晶硅太阳电池。”论文通讯作者、上海微系统所研究员刘正新介绍道:“由于圆滑策略仅在硅片边缘实施，基本不影响太阳电池的光电转化效率，同时能够显著提升太阳电池的柔性，未来在空间应用、绿色建筑、便携式电源等方面具有广阔的应用前景。”该工作通过简单工艺处理实现了柔性单晶硅太阳电池制造，并在量产线验证了批量生产的可行性，为轻质、柔性单晶硅太阳电池的发展提供了一条可行的技术路线。研究团队开发的大面积柔性光伏组件已经成功应用于临近空间飞行器、建筑光伏一体化和车载光伏等领域。该工作的第一完成单位为中国科学院上海微系统所，第一作者为上海微系统所副研究员刘文柱、长沙理工大学副教授刘玉敬、沙特阿美石油公司博士杨自强和南京师范大学教授徐常清。理论计算与北京航空航天大学副教授丁彬和南京师范大学教授徐常清合作完成。残余应力分析与长沙理工大学教授刘小春和副教授刘玉敬合作完成。高速相机拍摄硅片瞬间断裂过程由阿美石油公司博士杨自强完成。

近日，全球极具创新力的光伏企业晶科能源（“晶科能源”或者“公司”）大面积N型单晶硅单结电池效率达到24.9%，创造了新的世界纪录。该测试结果已获得德国哈梅林太阳能研究所(ISFH)下属的检测实验室独立认证。图源 晶科能源晶科能源在研发方面投入了巨大的资源，公司硅片、电池和光伏组件等领域的专家专注技术创新突破，致力于为全球客户提供高效和具有竞争力的行业产品，引领行业技术发展。据了解，此次破纪录的太阳能电池采用了高品质、低缺陷直拉N型单晶硅片，通过高激活掺杂、高品质钝化及钝化接触高隧穿传导等多项创新技术及先进材料应用，电池效率得到了进一步突破。作为全球领先的光伏企业，晶科能源研发团队创造一个又一个世界记录，推动中国光伏企业走在全球光伏发展的技术前沿。晶科能源组件CTO金浩表示：“在未来，晶科能源将继续承担行业变革推动者的角色，以不断迭代的技术研发水平来推动光伏产品力的快速提升和光伏行业高质量发展，让实验室的光伏技术快速实现产线量产，更好地承担起碳中和重任。”

在半导体材料领域，硅基半导体材料目前产量最大、应用最广，90%以上的半导体产品仍用单晶硅作为衬底材料制作。目前大尺寸硅片已成为硅片市场最主流的产品。硅片生产中在拉晶过程中，需要解决氧含量及径向均匀性、杂质的控制、缺陷控制、氧沉淀控制、电阻值定量、掺杂及径向均匀性等众多问题，同时对检测表征等保障技术也提出了更高的要求。直拉晶体硅中掺氮可用来调控原生氧沉淀和空洞型缺陷，从而提高硅晶体的质量，已经在产业界广泛应用，除了间隙氧、代位碳、III-V族元素检测以外，氮的测量也是硅材料界的一个热点课题。众所周知，直拉单晶硅中含有较高浓度（浓度范围1017-1018cm-3）的间隙氧（Oi），当氮掺入直拉硅单晶中时，除了以氮-氮对（N-N）形式存在以外，氮还会和氧作用形成氮氧复合体（N-Ocomplexes）。研究显示氮氧复合体会引起红外的局域模振动吸收和电子跃迁吸收，可以被红外吸收光谱技术探测到。在低温（10K左右）条件下，氮氧复合体在远红外波段有一系列由于电子跃迁产生的吸收峰，目前已经报导了7种氮氧复合体[1,2,3]。针对直拉单晶硅中杂质元素以及氮氧复合体的测量，布鲁克CryoSAS全自动、高灵敏度工业低温硅质量控制分析系统，通过测试位于中/远红外波段间隙氧（1136.3cm-1,1205.6cm-1）[7]，代位碳(607.5cm-1)[6,7]，III-V族元素[4,5]以及氮氧复合体吸收谱带（249.8,240.4cm-1[1,2]），通过直接或间接计算获得相应元素含量值。布鲁克CryoSAS系统主要特点：波段范围1250-230cm-1，覆盖了间隙氧（Oi）、代位碳（Cs）、III-V族浅能级杂质元素（硼B，磷P，砷As，铝Al，镓Ga，锑Sb，符合SEMI/ASTMMF1630-0704标准）以及N-N对，氮氧复合体[N-O-(1-6)]吸收谱带[4,5,6,7]闭循环低温冷却系统，T＜15K，无需昂贵的液体制冷剂[4]不锈钢、真空样品室设计坚固、精确的步进电机，带有9位样品架简单易用（文献[1]）（文献[3]）如果您对此方法感兴趣，欢迎您来电垂询，交流、沟通。参考文献：[1]H.Ch.Altetal.AnalysisofelectricallyactiveN-Ocomplexesinnitrogen-dopedCZsiliconcrystalsbyFTIRspectroscopy,MaterialsScienceinSemiconductorProcessing9(2006)114-116.[2]H.Ch.Altetal.Far-infraredabsorptionduetoelectronictransitionsofN-OcomplexesinCzochralski-grownsiliconcrystals:influenceofnitrogenandoxygenconcentration,Appl.Phys.Lett.87,151909(2005).[3]《半导体材料测试与分析》，杨德仁等著[4]https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/infrared-and-raman/silicon-analyzer/cryo-sas-cryogenic-silicon-analyzer.html[5]SEMIMF1630-0704TestMethodforLowTemperatureFT-IRAnalysisofSingleCrystalSiliconforIII-VImpurities[6]SEMIMF1391-1107TestMethodforSubstitutionalAtomicCarbonContentofSiliconbyInfraredAbsorption[7]GB/T35306-2017硅单晶中碳、氧含量的测定低温傅立叶变换红外光谱法