Single-Seed Casting Large-Size Monocrystalline Silicon for High-Efficiency and Low-Cost Solar Cells

Bing Gao, Satoshi Nakano, Hirofumi Harada, Yoshiji Miyamura, Takashi Sekiguchi, Koichi Kakimoto

PDF(2945 KB)
PDF(2945 KB)
Engineering ›› 2015, Vol. 1 ›› Issue (3) : 378-383. DOI: 10.15302/J-ENG-2015032
Research
Research

Single-Seed Casting Large-Size Monocrystalline Silicon for High-Efficiency and Low-Cost Solar Cells

Author information +
History +

Abstract

To grow high-quality and large-size monocrystal-line silicon at low cost, we proposed a single-seed casting technique. To realize this technique, two challenges—polycrystalline nucleation on the crucible wall and dislocation multiplication inside the crystal—needed to be addressed. Numerical analysis was used to develop solutions for these challenges. Based on an optimized furnace structure and operating conditions from numerical analysis, experiments were performed to grow monocrystalline silicon using the single-seed casting technique. The results revealed that this technique is highly superior to the popular high-performance multicrystalline and multiseed casting mono-like techniques.

Keywords

single-seed casting / monocrystalline silicon / polycrystalline nucleation / dislocation multiplication / multicrystalline silicon

Cite this article

Download citation ▾
Bing Gao, Satoshi Nakano, Hirofumi Harada, Yoshiji Miyamura, Takashi Sekiguchi, Koichi Kakimoto. Single-Seed Casting Large-Size Monocrystalline Silicon for High-Efficiency and Low-Cost Solar Cells. Engineering, 2015, 1(3): 378‒383 https://doi.org/10.15302/J-ENG-2015032

References

[1]
Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE. Photovoltaic report. Freiburg: Fraunhofer ISE, 2014: 3–4
[2]
N. Stoddard,  Casting single crystal silicon: Novel defect profiles from BP Solar’s Mono2 TM wafers. Solid State Phenom., 2007, 131−133: 1–8
[3]
N. Stoddard, B. Wu, L. Maisano, R. Russell, R. Clark, J. M. Fernandez. The leading edge of silicon casting technology and BP Solar’s Mono2 wafers. In: B. L. Sopori, , eds. Proceedings of the 18th Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells and Modules: Materials and Processes. Colorado: National Renewable Energy Laboratory, 2008: 7–14
[4]
N. Stoddard,  Evaluating BP Solar’s Mono2 TM materials: Lifetime and cell electrical data. In: Proceedings of the 34th IEEE Photovoltaic Specialists Conference. Philadelphia: IEEE, 2009: 1163–1168
[5]
D. Zhu, L. Ming, M. Huang, Z. Zhang, X. Huang. Seed-assisted growth of high-quality multi-crystalline silicon in directional solidification. J. Cryst. Growth, 2014, 386: 52–56 
[6]
X. Gu, X. Yu, K. Guo, L. Chen, D. Wang, D. Yang. Seed-assisted cast quasi-single crystalline silicon for photovoltaic application: Towards high efficiency and low cost silicon solar cells. Sol. Energ. Mat. Sol. C., 2012, 101: 95–101
[7]
K. Kutsukake, N. Usami, Y. Ohno, Y. Tokumoto, I. Yonenaga. Control of grain boundary propagation in mono-like Si: Utilization of functional grain boundaries. Appl. Phys. Express, 2013, 6(2): 025505
[8]
K. Kutsukake, N. Usami, Y. Ohno, Y. Tokumoto, I. Yonenaga. Mono-like silicon growth using functional grain boundaries to limit area of multicrystalline grains. J. Photovolt., 2014, 4(1): 84–87
[9]
M. G. Tsoutsouva,  Segregation, precipitation and dislocation generation between seeds in directionally solidified mono-like silicon for photovoltaic applications. J. Cryst. Growth, 2014, 401: 397–403
[10]
G. Stokkan, Y. Hu, Ø. Mjøs, M. Juel. Study of evolution of dislocation clusters in high performance multicrystalline silicon. Sol. Energ. Mat. Sol. C., 2014, 130: 679–685
[11]
Y. M. Yang, A. Yu, B. Hsu, W. C. Hsu, A. Yang, C. W. Lan. Development of high-performance multicrystalline silicon for photovoltaic industry. Prog. Photovolt. Res. Appl., 2015, 23(3): 340–351
[12]
B. Gao, S. Nakano, H. Harada, Y. Miyamura, T. Sekiguchi, K. Kakimoto. Dislocation analysis of a new method for growing large-size crystals of monocrystalline silicon using a seed casting technique. Cryst. Growth Des., 2012, 12(12): 6144–6150
[13]
B. Gao, S. Nakano, H. Harada, Y. Miyamura, T. Sekiguchi, K. Kakimoto. Reduction of polycrystalline grains region near the crucible wall during seeded growth of monocrystalline silicon in a unidirectional solidification furnace. J. Cryst. Growth, 2012, 352(1): 47–52
[14]
V. R. Voller, M. Cross, N. C. Markatos. An ent<?Pub Caret?>halpy method for convection/diffusion phase change. Int. J. Numer. Methods Eng., 1987, 24(1): 271–284
[15]
J. P. Garandet. On the thermal stresses in vertical gradient freeze furnaces. J. Cryst. Growth, 1989, 96(3): 680–684
[16]
Y. Miyamura,  Crystal growth of 50 cm square mono-like Si by directional solidification and its characterization. J. Cryst. Growth, 2014, 401: 133–136
[17]
B. Gao, S. Nakano, K. Kakimoto. Effect of crucible cover material on impurities of multicrystalline silicon in a unidirectional solidification furnace. J. Cryst. Growth, 2011, 318(1): 255–258

Acknowledgements

This work was partly supported by the New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) under the Ministry of Economy, Trade and Industry (METI), Japan.
Compliance with ethics guidelines
Bing Gao, Satoshi Nakano, Hirofumi Harada, Yoshiji Miyamura, Takashi Sekiguchi, and Koichi Kakimoto declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.
Funding
 
AI Summary AI Mindmap
PDF(2945 KB)

Accesses

Citations

Detail

Sections
Recommended

/