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郑州华晶金刚石股份有限公司

生长速率提高10倍!科学家成功开发10微米厚的高品质单晶硅

关键词 单晶硅 , 生长速率|2018-03-20 09:57:32
摘要 东京理工大学和早稻田大学的一个研究小组已经成功的制造出高质量的薄膜单晶硅,其晶体缺陷密度降低到了硅晶圆级,其增长率是以前的十倍以上。从理论上说,这种方法可以使原料的产量提高到几乎百...

       

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       东京理工大学和早稻田大学的一个研究小组已经成功的制造出高质量的薄膜单晶硅,其晶体缺陷密度降低到了硅晶圆级,其增长率是以前的十倍以上。从理论上说,这种方法可以使原料的产量提高到几乎百分之百。因此,我们预期这项技术可以使硅晶体的生产成本大幅度的降低,同时保证单晶硅太阳能电池的发电效率。

       将太阳能转化为电能是解决二氧化碳排放导致全球变暖的有效方法。太阳能发电系统的核心是单晶硅太阳能电池,使单晶硅太阳能电池变薄,就有可能大大的降低占据模块成本的40%左右的原材料的成本。也使得单晶硅更加灵活轻便并提高其使用率和降低成本。

       此外,作为一种降低成本的方法,太阳能电池采用双孔硅层(DPSL)的薄膜单晶硅引起了人们的关注。单晶硅太阳能电池领域存在的挑战有:1、在硅层片之间形成高质量的薄膜硅。2、实现可以轻易剥离的多孔结构(剥离)。3、改善生长率和硅原材料产量。4、剥离后没有任何浪费,可以继续使用模板。

       为了克服这些挑战,有必要了解并确定多孔硅上生长的薄膜晶体质量的主要因素,并且开发出一种控制这些材料的技术。

       由东京理工大学的Manabu Ihara教授和Kei Hasegawa副教授以及早稻田大学的Suguru Noda博士组成的联合研究小组,已经开发出了一种厚度约为10微米的高品质的单晶硅,将晶体缺陷密度降低到了硅晶圆级,其生长率比以前高出10倍。首先,用电化学技术在单晶硅片表面生成纳米级多孔硅。其次,通过独特的区域加热再结晶方法(ZHR)将表面平滑到0.2~0.3纳米,并且利用该基体高速生长获得具有高结晶质量的单晶薄膜。采用双层多孔硅层可以很容易的剥离薄膜,基底可以作为薄膜生长的蒸发源使用或者利用,从而大大的降低了材料的损耗。通过改变ZHR方法的条件,降低了底层衬底表面的粗糙度,降低了薄膜晶体的缺陷密度,最终成功地将其降低到硅片的1/10水平。这定量的表明,表面粗糙范围只有0.1~0.2纳米(原子水平的几层)对晶体缺陷的形成有着重要的影响,这也是晶体生长机制的一个有意思的地方。

       从硅源到薄膜硅的成膜速率和转换速率是生产薄膜单晶硅的瓶颈。化学气相沉积法(CVD)主要用于外延生长,最大的成膜率为每小时几微米,产率约为10%。在早稻田大学Noda的实验室中,通过在大于2000℃的温度下蒸发原料Si,而不是常规的物理气相沉积(PVD)(原料Si在其熔点约为1414℃的温度下蒸发),快速蒸发方法(RVD)是能够以10μm/ min沉积Si的高Si蒸气压开发的。研究人员发现,ZHR技术解决了技术性问题,大大的降低了剥离过程中的制造成本。

       根据这项研究的结果,团队不仅发现了提高晶体质量的主要因素,在多孔硅的快速生长过程中,研究人员成功的控制住了生长速率。该结果发表在英国皇家化学学会(RSC)期刊CrystEngComm上面,并且会出现在这个期刊的内部封面上。

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