Czochralski growth of low-oxygen silicon single crystals for high-efficiency solar cell applications

I India er det i 2021 lansert et stort program for å etablere solcelle produksjon langs hele verdikjeden for solceller. Success prosjektet har derfor fått stor oppmerksomhet. Den største utfordringen for fremtidens solceller laget av silisium er å redusere kostnader for solstrøm, noe som krever en fortsatt forbedring av krystallkvalitet og -utbytte. Czochralski-prosessen har vært forbedret og optimalisert for masseproduksjon av krystaller med diameter 6-8 tommer og med en vekt på opptil 150 kg. I denne prosessen smeltes silisium-råmaterialet i en høyren kvartsdigel og en sylindrisk krystall trekkes opp fra smelteoverflaten med en hastighet på noen få titalls millimeter i timen. Oppvarmingen av smelten forårsaker oppdrifts-konveksjon. Digelen og krystallen roterer vanligvis i motsatt retning av hverandre med en jevn hastighet. Dette gir opphav til sentrifugalkrefter som motvirker fri konveksjon i smelta. Den resulterende væskestrømmen og varmetransporten i Czochralski-systemet er meget kompleks og i et storskalasystem er strømningene for det meste turbulente. Siden silisium råmaterialet blir smeltet i kvartsdigeler, vil en del oksygen fra kvartsen løses opp i silisiumsmelten og krystallen som trekkes opp av smelten vil ha et signifikant innhold av oksygen. Solcelleprodusenter ønsker å minimere de negative konsekvensene av oksygen og relaterte oksygendefekter og etterspørselen etter krystaller med lavt oksygennivå vil derfor øke. En annen viktig industriell problemstilling er oppskalering mot større digler og større diameter krystaller som gir utfordringer mhp stabilitet i prosessen. SUCCESS-prosjekt er et bilateralt samarbeidsprosjekt mellom SINTEF og Institute of Technology Bombay fra India. Prosjektets mål er å utvikle en metode for å produsere krystaller med redusert oksygennivå. Dette ønsker vi å oppnå ved å bruke teknikker for akselerasjon og retardasjon av væskestrømmen i digelen. Et viktig verktøy er utvikling av modeller for numerisk simulering av væskestrømmen ønsker for deretter å implementere disse i faktiske krystalliseringsforsøk. Effekten av et lavere oksygennivå vil bli demonstrert på solcelle- og solcellepanelnivå. I prosjektet er det utviklet en avansert 3D modell i OpenFoam der grensebetingelsen kommer fra programmet CGSIM. CGSIM modellering er utført hos SINTEF i Norge basert på geometrien og forsøksparameterne i ovnen som blir benyttet i dette prosjektet for å produsere krystaller. I CGSIM beregner vi et to dimensjonalt (2D modell) temperaturfelt som er benyttet som grensebetingelser i den mer avanserte tre dimensjonale modellen utviklet i India. For validering av modellene er det utført forsøk ved SINTEF der det er produsert to krystaller med Ga doping. En av krystallene er en referanse krystall den andre krystallen er produsert med oscillerende rotasjon. For å få til oscillerende rotasjon ble ovnen utstyrt med en ekstra datamaskin og program som styrer rotasjon etter et bestemt mønster. Materialet er prosessert hos SINTEF og vil bli kuttet i wafere ved CEA Ines etter at prosjektet er ferdig som vil bli sendt til IIT I India. Det er avholdt en online workshop med over 600 deltakere. Prosjektet har bidratt til kontakt mellom flere norske industripartnere og indiske investorer. Vitenskaplig resultater er at vi har utviklet et modell rammeverk som vil bli viktig for videre utvikling av prosessen. Det er utviklet en prosses for redusert oksygen som er testet ut i pilot/industriell skala. Det er avholdt et møte mellom SINTEF og IIT i august i år. Samarbeidet vil fortsette også etter at prosjektet er avsluttet.

In the project we have developed a new modelling framework, where results from a 2D model are used as input to an open source (OpenFoam ) 3D model. The model will be useful for more advanced modelling of the Czochralski process and other solidfication processes. The use of open source software allows for more efficient sharing and co development for academic and industrial research.

In conventional Czochralski growth of single-crystalline silicon, a high purity quartz crucible holds the silicon melt from which the crystal is grown. The Czochralski process, which is a typical batch process, has been refined and optimized for mass production of silicon single crystals with diameters from 6” to 8” and charge weights up to 150 kg for PV applications. Since the silicon is melted in a quartz crucible, the ingot contains significant levels of oxygen due to dissolution of the crucible. Solar cell manufactures attempting to limit negative impact of oxygen and related defects will ask for much lower oxygen levels in future. The SUCCESS project aims to reduce oxygen levels in the crystal by at least 50%. It will be achieved through external control of melt stirring and thus transport of oxygen by periodically variation of the crystal and/or crucible rotation. The basic rationale is that an optimal stirring in the melt can be achieved by changing the rotation rate of the crucible and/or crystal. Improvements in material performance will be demonstrated at solar cell and module level. This project builds on SINTEF's and IIT Bombay's internationally leading position in research on silicon for solar cell applications. Both research partners will build a relationship along the entire silicon photovoltaic value chain, where Norway has natural advantages on the upstream in silicon ingot and wafer manufacturing, and India on the downstream on solar cell and module production. The project is supported by Norwegian silicon ingot and wafer manufacturers, Norsun and Norwegian Crystals, and Indian solar cell and module manufacturer Mundra Solar, which is part of the Adani Group. This collaboration will lead to mutual exchanges of knowledge and contribute to further development of SINTEF and IIT Bombay in close collaboration with the industry.