mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2015-2-103-109mateltech-166Research ArticleМатериаловедение и технология. ПолупроводникиMATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY. SEMICONDUCTORSОПТИМИЗАЦИЯ УРОВНЯ ЛЕГИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ «СОЛНЕЧНОГО» КАЧЕСТВА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРИГОДНОГО ОБЪЕМА СЛИТКОВ И КПД СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВDoping Optimization of Solar Grade (SOG) Silicon Ingots for Increasing Ingot Yield and Cell EfficiencyБетекбаевА. А.BetekbaevA. A.

председатель наблюдательного совета,

Бастобе, 041011

Chairman of the Supervisory Board of «MC KazSilicon”» LLP, Kazatomprom,

Bastobe, 041011

abetekbaev@kazatomprom.kzМукашевБ. Н.MukashevB. N.

профессор, доктор технических наук, академик НАН РК,

Бастобе, 041011

Professor, Doctor of science, Academician of NAS RK,

Bastobe, 041011

mukashev2005@mail.ruПеллисерЛ.PelissierL.

генеральный директор,

ул. Илер де Шардонне, д 109, Гренобль, 38100

CEO,

109 Rue Hilaire de Chardonnet, 38100 Grenoble

l.pelissier@ecmtech.frЛайФ.LayPh.

PhD, технический директор,

ул. Илер де Шардонне, д 109, Гренобль, 38100

PhD, Technical Director,

109 Rue Hilaire de Chardonnet, 38100 Grenoble

p.lay@ecmtech.frФортинГ.FortinG.

инженер,

ул. Илер де Шардонне, д 109, Гренобль, 38100

R&D Engineer,

109 Rue Hilaire de Chardonnet, 38100 Grenoble

g.fortin@ecmtech.frБунасЛ.BounaasL.

PhD, инженер,

ул. Илер де Шардонне, д 109, Гренобль, 38100

PhD, R&D Engineer,

109 Rue Hilaire de Chardonnet, 38100 Grenoble

l.bounaas@ecmtech.frСкаковД. М.SkakovD. M.

генеральный директор, 

Бастобе, 041011

General manager,

Bastobe, 041011

skakovdm@gmail.comПавловА. А.PavlovA. A.

инженер,

Бастобе, 041011

Engineer of PTD,

Bastobe, 041011

art_roll@mail.ruТОО «МК «KazSilicon»Казахстан«MC «KazSilicon» LLP.KazakhstanECM GreentechФранцияECM GreentechFrance201504062016182103109Copyright © Бетекбаев А.А., Мукашев Б.Н., Пеллисер Л., Лай Ф., Фортин Г., Бунас Л., Скаков Д.М., Павлов А.А., 20162016Бетекбаев А.А., Мукашев Б.Н., Пеллисер Л., Лай Ф., Фортин Г., Бунас Л., Скаков Д.М., Павлов А.А.Betekbaev A.A., Mukashev B.N., Pelissier L., Lay P., Fortin G., Bounaas L., Skakov D.M., Pavlov A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/166

В ближайшем будущем поликристаллический кремний (ПК) «солнечного» качества (SoG) станет основным материалом для выращивания слитков мультикристаллического кремния (МКК), предназначенных для фотовольтаического (ФВ) производства, так как требует гораздо меньше энергии для очистки по сравнению с ПК, полученным в Сименс−процессе (ПК электронного качества).

Рассмотрено несколько видов ПК с различным уровнем содержания примесей (преимущественно бора и фосфора). Для каждого из этих видов ПК при выращивании их них слитков МКК в промышленном масштабе с использованием примесей бора и галлия оптимизированы выход годного кремния и эффективность солнечных элементов. Уровень легирования рассчитан таким образом, чтобы увеличить выход годного кремния из слитка МКК. После получения слитков проверено их качество (изменение удельного сопротивления по высоте кремниевых блоков, время жизни неосновных носителей заряда) и затем из пластин созданы солнечные элементы. За счет оптимизации уровня легирования выращены сопоставимые по выходу годного кремния слитки МКК из ПК SoG и ПК, полученного Сименс− процессом, а также изготовлены солнечные элементы, сопостовимые по эффективности преобразования солнечной энергии (КПД).

Исследование проведено на заводе Kazakhstan Solar Silicon в Усть−Каменогорске, с применением казахстанского и европейского ПК SoG, а также ПК, полученного Сименс− процессом. Печи для направленной кристаллизации для выращивания МКК изготовлены французской компанией ECM Technologies.

In the close future, use of SoG should become prominent for photovoltaic ingot production as it requires much less energy for purification compared to Silicon grades using gas transformation and purification (usually Siemens process or equivalent also used for electronic−grade preparation). During this study, several kinds of silicon were compared with different rates of dopant content (mainly boron and phosphorus). Ingot yield and cell efficiency were optimized for each source of silicon at a production level (450 kg ingots) using boron or gallium doping. Starting from the resistivity specification given by the cell process, the doping level was adjusted in order to maximize the ingot silicon yield (weight of silicon bricks used for wafer cutting/ weight of Silicon ingot). After doping adjustment, ingot quality was checked: brick resistivity, lifetime of minority carriers and wafers were processed into solar cells. Optimizing of doping led to get comparable ingot yields and cell efficiencies using SoG and silicon purified by Siemens process or equivalent. The study was implemented at Kazakhstan Solar Silicon plant in Ust−Kamenogorsk using Kazakhstan SoG, SoG from a European manufacturer and polycrystalline Silicon purified by Siemens process. Directional solidification furnaces were manufactured by the French company ECM Technologies.

фотовольтаикакремнийборгаллийнаправленная кристаллизациясолнечные элементыphotovoltaicsiliconborongalliumdirect crystallization solar cellsReferencesLuque, A. Handbook of photovoltaic science and engineering / A. Luque, S. Hegedus. − Chichester (UK) : John Wiley and Sons Ltd, 2011. − 1162 p. DOI: 10.1002/9780470974704Luque A., Hegedus S. S. Handbook of photovoltaic science and engineering. John Wiley & Sons Ltd, 2011. 1162 p. DOI: 10.1002/9780470974704.Coletti, G. Impact of metal contaminations in silicon solar cells / G. Coletti, P. C. P. Bronsveld, G. Hahn, W. Warta, D. Macdonald, B. Ceccaroli, K. Wambach, N. L. Quang, J. M. Fernandez // Adv. Funct. Mater. − 2011. − V. 21, N 5. − P. 879—890. DOI: 10.1002/adfm.201000849Coletti G., Bronsveld P. C. P., Hahn G., Warta W., Macdonald D., Ceccaroli B., Wambach K., Quang N. L., Fernandez J. M. Impact of metal contaminations in silicon solar cells. Adv. Funct. Mater. 2011, vol. 21, no. 5. pp. 879—890. DOI: 10.1002/adfm.201000849Becker J. S. State−of−the−art in inorganic mass spectrometry for analysis of high−purity materials / J. S. Becker, H. J. Dietze // Int. J. Mass Spectrom. − 2003. − V. 228. − P. 127—150. DOI: 10.1016/S1387−3806(03)00270−7Becker J.S., Dietze H.J. State−of−the−art in inorganic mass spectrometry for analysis of high−purity materials. International Journal of Mass Spectrometry. 2003, vol. 228, pp. 127—150.Школьник, В. С. Высокотехнологические производства для создания кремниевой солнечной энергетики в Казахстане / В. С. Школьник, А. А. Бетекбаев, Б. Н. Мукашев // Докл. НАН РК. − 2014. − № 1. − C. 5—19.Shcolnik V. S., Betekbaev A. A., Mukashev B. N. High−tech technologies to create silicon solar energy in Kazakhstan. Doklady NAN RK. 2014, no 1, pp. 5—19. (In Russ.)Mukashev, B. N. Upgrading of metallurgical grade silicon to solar grade silicon / B. N. Mukashev, A. A. Betekbaev, D. M. Skakov, I. Pellegrin, А. А. Pavlov, Zh. Bektemirov // Eurasian Chemico−Technological J. − 2014. − V. 16. − P. 309—313.Mukashev B. N., Betekbaev A. A., Skakov D. M., Pellegrin I, Pavlov А. А., Bektemirov Zh. Upgrading of Metallurgical Grade Silicon to Solar Grade Silicon. Eurasian Chemico−Technological Journal, 2014, vol. 16, pp. 309—313.Betekbaev, A. A. КazPV project: Industrial development of vertically integrated PV production in Kazakhstan (from quartz processing up to production of solar cells and modules) / A. A. Betekbaev, B. N. Mukashev, К. Ounadjela, A. A. Pavlov, I. Pellegrin, V. S. Shcolnik // 24th Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells and Modules: Materials and Processes. − Breckenridge (Colorado, USA), 2014. − P. 101—107.Betekbaev A. A., Mukashev B. N., Ounadjela К., Pavlov A. A., Pellegrin I., Shcolnik V. S. КazPV Project: Industrial Development of Vertically Integrated PV Production in Kazakhstan (From Quartz Processing up to Production of Solar Cells & Modules). 24th Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells & Modules: Materials and Processes. Breckenridge (Colorado, USA), 2014, pp. 101—107.Peral, A. Lifetime improvement after phosphorous diffusion gettering on upgraded metallurgical grade silicon / A. Peral, J. M. Míguez, R. Ordás, C. del Cañizo // Solar Energy Materials and Solar Cells. − 2014. − V. 130. − P. 686—689. DOI: 10.1016/j.solmat.2014.02.026Peral A., Míguez J. M., Ordás R., del Cañizo C. Lifetime improvement after phosphorous diffusion gettering on upgraded metallurgical grade silicon. Solar Energy Materials & Solar Cells. 2014, vol. 130, pp. 686—689. DOI: 10.1016/j.solmat.2014.02.026Sinton, R. A. Contactless determination of current−voltage characteristics and minority -carrier lifetimes in semiconductors from quasi−steady−state photoconductance data / R. A. Sinton, A. Cuevas // Appl. Phys. Lett. − 1996. − V. 69, N 17. − P. 2510—2512. DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.117723Sinton R. A., Cuevas A. Contactless determination of current−voltage characteristics and minority−carrier lifetimes in semiconductors from quasi−steady−state photoconductance data. Appl. Phys. Lett. 1996, vol. 69, no. 17, pp. 2510—2512. DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.117723.Мукашев, Б. Н. Исследования процессов получения кремния и разработка технологий изготовления солнечных элементов / Б. Н. Мукашев, А. А. Бетекбаев, Д. А. Калыгулов, А. А. Павлов, Д. М. Скаков // Физика и техника полупроводников. − 2015. − Т. 49, вып. 10. − С. 1421—1428.Mukashev B. N., Betekbaev A. A., Kalygulov D. A., Pavlov A. A., Skakov D. M. Research of the silicon obtaining processes and development of solar cells manufacturing technologies. Fizika i tekhnika poluprovodnikov = Semiconductors. 2015, vol. 49, no. 10, pp. 1421—1428.Burton, J. A. The distribution of solute in crystals grown from the melt. Pt 1: Theoretical / J. A. Burton, R. C. Prim, W. P. Slichter // J. Chem. Phys. − 1953. − V. 21, N 11. − P. 1987—1991. DOI: 10.1063/1.1698728.Burton J. A., Prim R. C., Slichter W. P. The distribution of solute in crystals grown from the melt. 1: Theoretical. J. Chem. Phys. 1953, vol. 21, no. 11, pp. 1987—1991. DOI: 10.1063/1.1698728.Scheil, E. Bemerkungen zur schichtkristallbildung / E. Scheil // Z. Metallkd. − 1942. − Bd. 34. − S. 70—72.Scheil E. emerkungen zur schichtkristallbildung / E. Scheil Z. Metallkd. 1942, vol. 34, pp. 70—72. (In German)Arora, N. D. Electron and hole mobilities in silicon as a function of concentration and temperature / N. D. Arora, J. R. Hauser, D. J. Roulston // IEEE Transactions on Electron Devices. − 1982. − V. 29, N 2. − P. 292—295. DOI: 10.1109/T−ED.1982.20698Arora N. D., Hauser J. R., Roulston D. J. Electron and hole mobilities in silicon as a function of concentration and temperature. IEEE Transactions on Electron Devices. 1982, vol. 29, no. 2, pp. 292—295. DOI: 10.1109/T−ED.1982.20698Schmidt, J. Structure and transformation of the meta - stable boron− and oxygen−related defect center in crystalline silicon / J. Schmidt, K. Bothe // Phys. Rev. B. − 2004. − V. 69, N 2. − P. 24107—24115. DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.69.024107Schmidt J., Bothe K. Structure and transformation of the metastable boron− and oxygen−related defect center in crystalline silicon. Phys. Rev. B. 2004, vol. 69, no. 2, pp. 24107—24115. DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.69.024107Fourmond, E. Electrical properties of boron, phosphorus and gallium co−doped silicon / E. Fourmond, M. Forster, R. Einhaus, H. Lauvray, J. Kraiem, M. Lemiti // Energy Procedia. − 2011. − V. 8. − P. 349−354. DOI: 10.1016/j.egypro.2011.06.148Fourmond, E., Forster M., Einhaus R., Lauvray H., Kraiem J., Lemiti M. Electrical properties of boron, phosphorus and gallium co−doped silicon. Energy Procedia. 2011, vol. 8. pp. 349−354. DOI: 10.1016/j.egypro.2011.06.148Myers, S. M. Mechanisms of transition−metal gettering in silicon / S. M. Myers, M. Seibt, W. Schroter // J. Appl. Phys. − 2000. − V. 88, N 7. − P. 3795—3819. DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.1289273.Myers S. M., Seibt M., Schroter W. Mechanisms of transition−metal gettering in silicon. J. Appl. Phys. 2000, vol. 88, no. 7, pp. 3795—3819. DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.1289273.Macdonald, D. H. Recombination and trapping in multicrystalline silicon solar cells. PhD Thesis. − The Australian national university, 2001.Macdonald D. H. Recombination and trapping in multicrystalline silicon solar cells. PhD Thesis. The Australian National University, 2001.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.