作者：特变电工新疆新能源股份有限公司 肖慧转、昝武、王冬
随着太阳能光伏产业的多样化，只要纯度达到6N以上的原料都可被用作太阳能电池硅片生产使用，比如硅片被镀层、抛光等方法做成各种各样的电池片，尤其是晶圆片和N型电阻率在（5-10）Ω.CM的原料，在掺杂后拉制P型硅棒时，当硅棒拉制到一定的长度，P型硅棒的导电类型会突然由P型转变为PN型，达到一个峰值，随后导电类型变为N型，电阻率会逐渐下降，与我们正常拉制P型硅棒电阻率从头到尾由高到低呈线性递减的变化曲线图不同。作为拉制P型硅棒的厂家，因为原料的使用不当就会造成不必要的损失，合格产品降低，增加生产成本。而且硼磷杂质含量偏高，硅片做成太阳能电池片后转换效率衰减严重，不利于提高电池片转换效率。
针对此种情况，我们对硅棒的杂质浓度随硅棒长度的变化进行分析研究。众所周知，硅棒的电阻率是对硼磷杂质含量在硅棒中的表征，电阻率的变化实际是杂质浓度的变化，我们通过对硅棒电阻率的检测及相对应杂质浓度的计算和补偿杂质浓度的计算很好的解释此现象。下面我们利用单晶硅棒的正常掺杂硅棒电阻率随晶棒长度的变化分析研究。
一、硅棒纵向电阻率的描述：
1.1 正常硅棒纵向电阻率的描述：正常硅棒头部电阻率目前一般要求在P型1Ω·㎝-3Ω·㎝，下面是头部电阻率为P型2.42Ω·㎝的硅棒的纵向电阻率变化曲线图1：
图1
首先我们根据检测的硅棒表皮纵向长度的电阻率变化值，根据P型掺硼硅晶与浓度的转换公式
计算出每个电阻率相对应的空穴浓度。如图1所示。[page]
当我们知道了P型硅棒的空穴浓度值，根据同一种半导体，固定温度时导电电子的浓度与空穴的浓度的乘积保持一定值，即np=常数=ni22。因此我们可以计算出硅棒中相对应的电子的浓度（磷含量浓度），再根据N型硅晶浓度与电阻率的转换公式
计算出相对应磷含量浓度的电阻率值。具体变化图（如图2）所示。
图2
根据以上的硅棒的电阻率和浓度随长度的变化曲线图，因为P型硅棒的空穴浓度远远大于电子的浓度。我们可以看出在P型硅棒中磷补偿浓度随硅棒的长度逐渐降低，电阻率逐渐升高的。这就说明了当半导体中同时掺杂有电子和空穴时，掺杂浓度较高的一方会将少的一方进行杂质补偿，剩下的才成为多数载流子，在半导体中呈现导电类型。
为了验证上述的可行性，我们又做了如下实验：
1.2利用导电类型为N型原料掺杂成为P型导电类型的硅棒，头部电阻率控制为P型3.05 Ω· ㎝的硅棒的纵向电阻率变化曲线（图3）
图3
1.3 当我们改变N型原料掺杂为P型硅棒对其掺杂浓度升高时，头部控制为P型0.8Ω·㎝的硅棒的纵向电阻率变化曲线图4：
图4
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二、数据分析
硅棒的电阻率大小和硅棒中杂质浓度含量有很大的关系，硅棒纵向电阻率的变化又和杂质元素的分凝效应与扩散有关，根据硅棒的凝固公式Cs 头 ＝Ko Co4，Co是熔硅的初始浓度，掺杂计算时一般以硅棒头部的杂质浓度为准。掺杂后的熔硅中杂质原子总数等于掺杂元素的原子总数。Ko是杂质元素的分凝系数。正是因为有了这些因素，硅棒正常的纵向电阻率变化才如图1所示，电阻率的变化是头高尾低，因为是P型硅棒，空穴的浓度占主导地位。
对于N型电阻率偏低的原料掺杂为P型硅棒，在硅棒的初始浓度时，因其自身有大量的电子存在，会与我们掺杂进去的空穴浓度进行中和，最终空穴浓度占主导地位，而成为我们所谓的P型硅棒。但是随着硅棒长度的增加，因为硼磷分凝效应的原因。它的杂质分凝效应在纵向电阻率变化中体现的更为明显，图3的反掺硅棒头部电阻率控制在P型3.05Ω·㎝，这根硅棒总长1350mm，尾部有435mm全部转为N型。从上图我们可以看出，反掺硅棒的纵向电阻率变化和正常硅棒的纵向电阻率变化是相反的，它是从低到高，达到一个高峰值，然后电阻率值突然下降。图3中第7个点之前的长度，硅棒的电阻率都为P型，在第7个点时电阻率值突然升高，这时硅棒已经转为NP型，当电阻率值过了第8个点时，硅棒已完全转为N型硅棒了，且为N型0.2Ω·㎝以下低阻，这样的变化主要是因为硼和磷的分凝系数，硼的分凝系数为0.8-0.9，磷的分凝系数为0.35，硼的分凝系数大于磷的。在P型硅棒中，由于电子浓度大量增加，空穴容易被电子复合，空穴浓度就会越来越少，少到电子浓度占主导地位时，半导体的导电类型就会改变。因此，在硅棒前部分主要是硼元素占主导地位，硼元素的浓度逐渐降低，而磷的分凝系数较小，硅棒中存在的不多，硅溶液中磷的杂质浓度要逐渐多于硼的杂质浓度，此时，磷的杂质浓度占主导地位，这种杂质浓度的相互补偿，导致了硅棒纵向电阻率如此变化的曲线。
为了减少硅棒转型的长度，我们只要增加硅溶液中硼元素的杂质浓度含量，因此，我们把硅棒头部电阻率控制的更低，如图4所示。头部的电阻率控制在P型0.8Ω·㎝，虽然变化曲线和图3相似，但是它的高峰点却推迟一个点，所以这根硅棒长度1340mm，尾部只有185mm转为N型，这就是硅棒杂质补偿的原理。这种情况还要以硅棒转型的电阻率来定，如果太低是无法挽救的，低于0.1Ω·㎝以下的都无法挽救，而且这样摻杂生产出的硅片，转换效率衰减速度很快，不利于做成电池片。因为当采用P型掺硼（浅受主）硅片制作太阳能电池时，硅片中的高浓度反型（N型）杂质（如磷、砷、锑等浅施主）在室温下也早已激发电离（属于浅能级杂质），产生高浓度补偿（表观电阻率高），严重影响光生伏特效应。因此，为了光伏产业能够健康发展，使我们国家的光伏技术真正与世界接轨，不提倡使用反摻杂的方法生产太阳能级硅棒，只作为杂质补偿学术研究试验。
三、结论：
通过对反掺硅棒电阻率的研究，我们更加清楚了硅中杂质浓度的变化，也更明白了杂质浓度之间的相互补偿的原理，更深刻的理解了分凝效应和电子与空穴的补偿原理。我们平时正常生产的硅棒偶尔也会出现大家常说的尾部反型，也是这样的原理，就是我们所使用的原料配比中，N型原料使用量过大，才会出现反翘的现象，只要适当改善原料配比就会解决反型的问题。也使我们更明白反掺硅棒给光伏行业带来的潜在的危害，在今后的生产中我们的行业也尽量杜绝这样的做法。