Handbook of Photovoltaic Science and Engineering

5.6 REQUIREMENTS OF SILICON FOR CRYSTALLINE
SOLAR CELLS
Before exploring the potential routes to solar grade silicon, it is worth looking at the
structural and chemical limitations imposed on silicon to reach optimal performances for
crystalline and particularly for multicrystalline solar cells. After a short description of the
valid principles of crystallisation, we will examine the effect of various impurities and
the effect of structural imperfections.
5.6.1 Solidification
When silicon solidifies, a homogeneous melt will normally not result in a homogeneous
solid. Concentration gradients will appear as shown in the Figures 5.6 and 5.7.
A schematic phase diagram of the silicon corner is shown in Figure 5.6. When
cooling a melt of composition X
0
, it starts to solidify at a temperature
T
0
. At a lower
temperature,
T
1
, a fraction has solidified. At equilibrium the fractional compositions of

---

180
SOLAR GRADE SILICON FEEDSTOCK
2
1
Solid
Liquid
Position 
Z
(b)
Composition
k
0
X
0
X
0
Fractional composition 
X
T
emperature
[ºC]
(a)
X
s
X
0
T
0
X
1
T
1
Figure 5.6
(a) Left side of a phase diagram with
k
0
<
1 and (b) composition development in
solid and liquid along a rod solidified from the left end under “normal freezing”
the solid and liquid are
X
s
and
X
l
, respectively. The equilibrium distribution coefficient
k
0
at
T
1
is defined as the ratio of the equilibrium solid and liquid compositions:
k
0
=
X
s
/X
l
(at
equilibrium
both the solid and the liquid have homogeneous compositions
X
s
and
X
l
,
respectively).
During normal freezing the solid and the liquid are not in equilibrium. This prin-
ciple can be used to purify the material. If (1) the solid–liquid interface is flat, (2) the

---

REQUIREMENTS OF SILICON FOR CRYSTALLINE SOLAR CELLS
181
X
0
k
0 –1
X
0
k
0 –2
X
0
0,5
Position, 
Z