Source: pv-manufacturing.org
Le silicium monocristallin (mono-Si ou c-Si) est du silicium qui consiste en un monocristal solide continu. Le silicium cultivé pour les applications photovoltaïques (PV) est cultivé sous une forme cylindrique avec un diamètre typique de 8 pouces (~ 200 mm). La surface du cylindre est ensuite ajustée pour donner une forme pseudo-carrée. Ces lingots peuvent être préparés comme intrinsèques,p-type dopé ounde type silicium dopé.Ple dopage de type est généralement réalisé en utilisant du borenLe dopage de type est réalisé en utilisant du phosphore. Les cellules solaires fabriquées à partir de mono-Si représentent environ 35% (30%p-type et 5%n-type) de toutes les cellules solaires à base de plaquettes de silicium. L'épaisseur typique de la production de cellules solaires photovoltaïques mono-Si utilisées est comprise entre 160 et 190 μm. En 2019, le plus grand fabricant de plaquettes de silicium mono-Si était Xi'an Longi Silicon Materials Corporation.
La méthode Cz - du nom de Jan Czochralski - est la méthode la plus courante de production de mono-Si. Cette méthode a une résistance aux contraintes thermiques relativement faible, un temps de traitement court et un coût relativement faible. Le silicium cultivé via le procédé Cz est également caractérisé par une concentration en oxygène relativement élevée qui peut favoriser le getter interne des impuretés. La norme de l'industrie du diamètre du cristal est de 75 à 210 mm avec un< 100=""> orientation cristallographique. Matériau en polysilicium de haute pureté (silicium de qualité solaire) avec des dopants supplémentaires, le plus souvent du bore (pourp-type dopage) ou au phosphore (pourn-type dopage) est utilisé comme matière première pour le procédé. Un germe de silicium monocristallin est placé sur la surface, tourné et progressivement tiré vers le haut. Cela tire le silicium fondu hors de la masse fondue afin qu'il puisse se solidifier en un monocristal continu à partir du germe. La température et la vitesse de tirage sont soigneusement ajustées pour éliminer la dislocation dans le cristal, qui peut être générée par le choc de contact germe / fusion. Le contrôle de la vitesse peut également affecter le diamètre du cristal. Les concentrations typiques d'oxygène et de carbone sont [O] ≈5-10 × 1017cm-3et [C] ≈5-10 × 1015cm-3, respectivement. En raison de la variabilité de la solubilité de l'oxygène dans le silicium (de 1018cm-3au point de fusion du silicium à plusieurs ordres de grandeur plus bas à température ambiante), l'oxygène peut précipiter. L'oxygène qui n'est pas précipité peut devenir des défauts électriquement actifs, et en outre, les donneurs thermiques de l'oxygène peuvent affecter la résistivité du matériau. En variante, l'oxygène précipité peut faciliter un getter interne des impuretés. La forme interstitielle de l'oxygène [Oi] en dopé au borepLe silicium de type peut affecter gravement les performances du silicium. Sous illumination ou injection de courant, l'oxygène interstitiel forme undéfaut bore-oxygène avec le dopant de fond, le bore. Ceci est connu pour réduire l'efficacité d'une cellule solaire terminée jusqu'à 10% par rapport.
Un autre inconvénient du procédé Cz standard est le fait que la distribution du dopant n'est pas uniforme le long du lingot car le coefficient de ségrégation du bore (0,8) et du phosphore (0,3) n'est pas un. Il en résulte une concentration de dopant relativement faible, donc une résistivité plus élevée, au début du processus de tirage Cz et une concentration de dopant plus élevée, donc une résistivité plus faible, vers la fin du processus de tirage. En raison du processus de ségrégation relativement faible du phosphore, il s'agit principalement d'un problème pourn-type mono-Si résultant en une large plage de résistivité pourn-type lingots.
Le processus Cz et le processus ultérieur de découpe du lingot et de la plaquette sont illustrés dans l'animation ci-dessous.
Une autre variante du procédé Cz est le procédé Cz continu. Dans le procédé Cz continu, un nouveau matériau est ajouté à la masse fondue pendant le tirage du lingot. Cela permet des creusets nettement moins profonds, réduisant l'interaction avec les parois du creuset, et vous permet également de contrôler la concentration de dopant dans la masse fondue et par conséquent la concentration de dopant dans le lingot peut être constante. Cela peut ainsi conduire à des lingots beaucoup plus uniformes en termes de résistivité qui sont également plus longs car vous n'êtes plus limité au volume de fusion de départ. Un inconvénient du procédé Cz continu est, cependant, que des impuretés avec un faible coefficient de ségrégation peuvent s'accumuler dans la masse fondue, ce qui entraîne des concentrations élevées dans la dernière partie du processus de tirage.
Plaquette solaire en silicium monocristallin CZ (Czochralski)
