太阳能光电应用技术复习资料教材

1、关于能源的若干重要概念： 新能源：氢能、可燃冰、雷电能、地震能等 可再生能源： 太阳能、风能、生物质能、水能、海洋能、地热能等 清洁能源：核能、太阳能、风能、水能等 一次能源：煤、石油、天然气、太阳能、风能等 二次能源：热能、电能、化学能 化石能源：煤炭、石油、天然气等 太阳能：狭义 -太阳辐射能，广义 -包括化石能源、风能、生物质能等 太阳能的重要数据： 太阳是一个主要由氢和氦组成的炽热的气体火球， 半径为 6.96 105 千米（是地球半径的 109 倍），质量约为 1.99 1027 吨（是地球质量的 33 万倍），平均密度约为地球的四分之一。太阳表 面的有效温度为 5762 K ，而内

2、部中心区域的温度则高达几千万度。太阳的能量主要来源于氢聚变 成氦的聚变反应， 每秒有 657 x 109 公斤的氢聚合生成 653 x 109公斤的氦， 连续产生 390 x 1021 千 瓦能量。这些能量以电磁波的形式，以 3 105 千米 /秒的速度穿越太空射向四面八方。 地球只接受到太阳总辐射的二十二亿分之一，即有 177 1012 千瓦达到地球大气层上边缘 （“上界”），由于穿越大气层时的衰减，最后约 85 1012 千瓦到达地球表面，这个数量相当于全 世界发电量的几十万倍。 根据目前太阳产生的核能速率估算， 氢的储量足够维持 600 亿年， 而内部组织因热核反应聚合 成氦，它的寿命约

3、为 50 亿年，因此，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是取之不尽、用之不竭 的。 光伏技术发展历史与现状： 1839 年法国实验物理学家亚利山大柏克勒尔首次发现光生伏特效应,即观察到插在电解液中两电 极间的电压随光照强度变化的现象。 （他的孙子 Henri A. Becquerel 由于发现放射性于 1903 年与居 里夫妇一起共同获得诺贝尔物理奖） 1905 年德国物理学家爱因斯坦提出光子理论，并成功解释光电效应现象，于1921 获得诺贝尔 （Nobel）物理奖； 1949 年 W. Shockley, J. Bardeen, W. H. Brattain 发明晶体管 ,给出了 p-n 结物

4、理解释 , 从此，半 导体器件时代开始； 1953 Wayne 州立大学 Dan Trivich 博士完成基于太阳光谱的具有不同带隙宽度的各类材料光 电转换效率的第一个理论计算； 1954 年 4 月美国贝尔 （Bell ） 实验室研究人员 D. M. Chapin ，C. S. Fuller 和 G. L. Pearson 报 道 4.5%效率的第一个实用的单晶硅 p-n 结太阳电池的发现，几个月后效率达到6% ，几年后达到 10% 1991 瑞士 Gr? tzel 教授研制的纳米 TiO2 染料敏化太阳电池 （Graezel Cell） 效率达到 7%;1995 年 纳米 TiO2 染料敏

5、化电池转换效率达到 10%; 澳大利亚新南威尔士大学 Martin Green 教授提出第三代光伏太阳电池概念，设想通过太阳光 谱分割利用等措施可将太阳电池的效率提高到50甚至 80 以上。 光伏发电对节能减排的作用 ： 光伏发电每发 1 度电即表示： 节约 0.359 kg 标准煤；减排 0.936 kg CO2 减排 0.00864 kg SO ； 减排 0.00252 kg NxOy 节约 0.568 kg 淡水； 减排 0.272 kg 粉尘 太阳能电池的发电原理： 当一定波长的光照射到半导体 PN 结上时，PN 结间会形成一个内建电场， 由于内建电场的作用， 半导体的内部产生了电动势

6、（光生电压） ，如果将 PN 结短路，则会出现电流（光生电流） ，这种由 内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应，光生伏特效应是太阳能电池发电的基本原理。 太阳能辐射能资源 : 简称太阳能，取之不尽用之不竭，每天地球接收的太阳能是人类能源需求的上千倍。广义的太 阳能包括太阳能、风能、水能、生物质能，也包括煤炭、石油、天然气等。狭义的太阳能是指太阳 辐射能。 太阳能转换技术： 太阳能在地球上通过吸收多转换成热能，还通过光合作用转换为生物化学能；通过太阳电池可 将太阳能直接转换成电能。 化石能源： 终将枯竭，同时带来环境污染，煤炭 200 年；石油 54 年，天然气 60 年，铀 50 年；岩层

7、气？ 气体水合物？ 能量回收期与回收因子： 对晶体硅太阳电池来说， 能量回收期是指太阳电池运行多长时间才能将生产过程消耗的能量回 收回来， 目前 2 年；太阳电池工作寿命可以达到 25-30 年以上， 回收因子是太阳电池工作寿命与能 量回收期的比值，对晶体硅太阳电池来说，回收因子可以达到12-15。 太阳电池发展历史： 1839 年，法国人亚历山大 -埃德蒙 贝克勒尔（ Alexsandre Edmond Becquerel, 1820-1891 ）研究 光对电解液中的金属盐和电极的作用，并得出硒的导电性会通过光照而改变。后人将此现象就成为 “光伏效应” ，实质上就是光产生电流效应。 1874

8、 年 , Ferdinand Braun 发明真空二级管 1900 年，德国人马克斯 普朗克 （Max Planck） 建立黑体辐射理论，解释了电池波辐射与吸收过 程中能量子与波长之间的关系。 1905 年 , 在普朗克理论的基础上，阿尔伯特 爱因斯坦在瑞士伯尔尼专利事务所工作期间发表 “关于光的产生与转化所涉及的一个启发性观点”文章，首次提出光子理论。 1938年, 肖特基（ W. Schottky ）第一次解释金属 -半导体结的阻挡层（耗尽层） ，并建立二级管 特性曲线。 1948 年, 美国贝尔实验室 R. S. Ohl 申报了光敏硅器件专利，这种器件以硅片为基片，铂为电 极 , 即肖特

9、基二级管。 太阳电池物理基础： 晶体结构：原子排列具有周期性，远程有序； 非晶硅结构：近程有序、远程无序； 能带理论：金属、半导体、绝缘体，导电性能与材料能带结构（导带、禁带、价带）密切有关 太阳电池的光电转换极限（ STC ）：与太阳光谱、太阳电池所用的材料、结构与工艺等有关 半导体材料基础： 半导体材料： Si, Ge, GaAs 等，基本要求所用材料要丰富、无毒、工艺成熟、价格适中、能实 现量产 纯度概念：太阳电池要求 6 N以上；晶体管、集成电路器件要求9 N 以上； 多晶硅材料：太阳能级、电子级； 晶体生长工艺：单晶、多晶、非晶 单晶体：整块材料是一个晶体组成；提拉工艺； 多晶体：整

10、块材料由多个晶体组成；浇铸工艺； 硅带、类单晶、微晶、纳米晶；特殊工艺； 硅片厚度、尺寸：面积： 156 mm x 156 mm ；厚度： 180 m 硅片电学性能：导电类型、少子寿命 单晶硅 n+/p 型太阳电池标准制备工艺流程： 3. 刻边与去磷硅玻璃 单晶硅 n+/p 型太阳电池标准制备工艺步骤简述 ： 1、清洗制绒：制作太阳电池的第一步是对硅片进行清洗制绒，其目的是去除硅片表面的机械 损伤层及有机物残留，并形成金字塔陷光结构，获得低反射率的绒面。 在低浓度的 NaOH 溶液中，硅片表面会发生以下反应： Si+2H2O+2OH-=SiO32-+2H2 对100晶向的硅片， 这将是一个各向

11、异性的腐蚀过程， 因为（ 100）面的腐蚀速率远大于 （111） 面，从而形成由多个（ 111）面组成的金字塔结构。光线入射到这样的表面，至少会有两次机会与 硅表面接触，有效减少光的反射，增加光的吸收。在 400-1100 nm 波段，原片的平均反射率在 30% 以上，而绒面的平均反射率可降到12%以下。 2、磷扩散：常规晶体硅电池使用p 型硅片作为衬底，通过在石英管内以 POCl3 液态源作为扩 散源，加热到 850-900 进行磷扩散形成 p-n 结。这种方法制出的结均匀性较好，并且产量高，每 炉可以扩散 400 片以上。扩散过程可表达为： 4POCl3+3O2 2P2O5+6Cl2 （1

12、-6） 硅片表面形成 P2O5 的磷硅玻璃； 2P2O5+5Si 4P+5SiO2（ 1-7） 磷以替位杂质的形式扩散进入硅中，在 P 型硅表面形成了 n 型扩散层。并且磷在扩散过程中有 吸杂作用，能提高材料的少子寿命。通常以方块电阻的大小来表征 p-n 结，常规结构太阳电池，方 块电阻控制在 50 /附近。 3、刻边和去磷硅玻璃：扩散后会在边缘形成p-n 结，前、后表面电学导通会造成电池短路，所 以要对硅片边缘进行刻蚀隔离。常用的方法有等离子刻蚀、激光刻边和湿化学腐蚀法。其中等离子 刻蚀法最为常用，设备成本低廉，一批可以刻蚀多达 800 片。但操作需要人工控制，并且稳定性不 好，容易磨损 p

13、-n 结而造成漏电。 激光刻边因为激光设备价格高而使用较少，而湿化学腐蚀法已经为很多厂家所采用，该方法在 隔离边缘的同时能去除背面 p-n 结，减小了背面的杂质浓度，对电性能有一定帮助，并且该湿化学 腐蚀设备可以与磷硅玻璃清洗工序结合在一起，使用起来十分方便。 扩散后表面存在的磷硅玻璃杂质浓度很高，是很强的复合中心，用 HF 水溶液可以将磷硅玻璃 去除。 4、氮化硅镀膜：氮化硅膜在晶体硅太阳电池中能起到减反射和钝化两个作用。 首先是减反射作用，膜厚约 75 nm 、呈现湖蓝色泽、折射率为 2.05 的氮化硅膜能对 600 nm 左 右的光起到 100%的增透效果， 在 400-1100 nm

14、波段可以把制绒硅片的平均反射率从12%降到 3%以 下。 其次是钝化作用，常规氮化硅膜使用等离子增强化学气相沉积(PECVD) 沉积后其含氢量较高， 这些氢键可以饱和 p-n 结表面的悬挂键，对扩散层有良好的钝化作用，减少表面复合损失，并且这 些氢在后续的高温烧结工序中扩散到硅片体内，起到良好的体钝化作用。 5、丝网印刷：丝网印刷技术是目前常规太阳电池电极制作的通用工艺。早在上世纪五十年代 就开始应用于电子元件、 印刷电路板和厚膜集成电路中。 主要特点是工艺过程简单、 可变参数较少、 操作容易、 设备及材料成本较低， 所以丝网印刷技术在太阳电池电极的规模化生产中具有明显优势。 丝网印刷网版主要

15、由铜线交织成的网布和涂在网布上面的乳剂膜组成， 乳剂膜根据印刷图形开 孔，浆料在印刷时通过开孔位置涂抹到硅片表面，从而形成电极。 丝网印刷过程包括三个步骤。首先是填充阶段，即浆料在刮刀挤压下填充至网版开孔内；其次 是接触阶段，网版开孔内的浆料与硅片接触并粘连在硅片表面；最后是释放阶段，网版弹起并与浆 料分离，浆料最终印刷至硅片上形成完整的电极图形。 6、高温烧结：高温烧结工序在链式烧结炉内进行，分为两个阶段。第一阶段为预烧(burn out) 阶段，浆料内残留的有机溶剂在这个阶段被释放出；第二阶段为烧结阶段，银浆在这个阶段烧穿氮 化硅薄膜，并与扩散层发射极形成欧姆接触，同时铝浆形成铝背场，与硅

16、片形成欧姆接触，此外， 氮化硅中的氢将在这个阶段释放扩散到体内，完成体钝化。 烧结炉通常分 9 个温区， 1-3 温区为烘干区，温度一般在 300 以下； 4-7 温区为预烧区，温 度控制在 400-700 之间； 8、9 温区为烧结区， 是整个烧结的最重要区域， 8 区温度控制在 800 左右， 9 区控制在 900-930 。太阳电池在网带带动下，依次通过 1-9 温区，最后经冷却区冷却后 获得电池成品。 7、测试分选：最后一步就是测试分选，通过专门测试仪器，一般首先根据电学性能，以转换 效率 0.1-0.2 间隔的不同将电池分类收集，已经实现自动化。 光学检测：电学性能一致的情况下，还要

17、观察色差，进行光学分类。 外观检测：最后还要进行外观检测，如缺角、断裂等。 多晶硅太阳电池： 多晶硅片类型： 1、铸造多晶硅：晶体硅太阳电池主流产品，晶界多(尺寸：面积 156 mm x 156 mm ； 厚度： 180 200 m 2、硅带工艺：直接拉制而成，不需要线切割，节省材料，但效率低14-15% ，发展困难 3、类单晶工艺：新工艺，晶界较少，效率18%以上，工艺有待改进发展 4、电池工艺：碱制绒、表面钝化：双层钝化，氧化铝薄膜 非晶硅太阳电池： 1. 非晶硅 a-Si禁带宽度为 1.7 eV, 通过掺 B 或掺 P可得到 p 型 a-Si或 n 型 a-Si; 2. 非晶硅掺 C,

18、可得到 a-SiC, 禁带宽度 2.0 eV （宽带隙），掺 Ge,可得到 a-SiGe 禁带宽度 1.7-1.4 eV （窄带隙） ; 3. 在太阳光谱的可见光范围内，非晶硅的吸收系数比晶体硅大将近一个数量级，其本征吸收系 数高达 105cm-1; 4. 非晶硅太阳电池光谱响应的峰值与太阳光谱的峰值接近； 5. 由于非晶硅材料的本征吸收系数很大， 1 m 厚度就能充分吸收太阳光，厚度不足晶体硅的 1/100，可节省昂贵的半导体材料 6.S-W 效应：非晶硅及其合金的光暗电导率随光照时间加长而减少， 经 200 度退火 2 小时可 恢复原状。这种现象首先由 Stabler 和 Wronski

19、发现。这是非晶硅材料结构的一种光致亚稳变化效 应，即光照是材料产生悬挂键等亚稳缺陷 我国高效晶体硅电池的发展项目 : 2011 年科技部 863 重大项目 ：效率 20% 以上低成本晶体硅电池产业化成套关键技术研究及示 范生产线 项目总经费 9000 万，分成 4 个课题组，由 4 个骨干企业牵头，共 20 个单位参加，赵建华博士 为总负责人： 课题一： 南京中电、晶龙实业、河北工大、南航、西北大学、西安银泰 课题二： 无锡尚德、 中山大学 、武汉三工、东莞科隆（效率 20% 以上基于激光掺杂技术的选择 性发射极电池的产业化成套关键技术及示范生产线） 课题三： 常州天合（国家重点实验室） 、山

20、东力诺、中化蓝天、湖南红太阳 课题四： 英利集团（国家重点实验室） 、中科院半导体所、北航、中科院微电子所、保定天威 集团、四川东材科技 太阳能发电系统 : 1.太阳能发电的组成：有太阳能电池组光伏方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配 电箱等设备组成 2.光伏系统中各设备在光伏系统中的作用： （ 1）太阳能电池方阵 :在有光照（无论是太阳光还是其他发光体产生的光照）情况下，电池吸 收光能，产生光生电压，即将光能转换成电能，称为 “光生伏特效应 ”。一般太阳能电池为硅电池， 分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。 （2）蓄电池 ： a.作用是储存太阳能电池方阵受光照时

21、发出的电能。b.随时可向负载供电。 目前我国主要与太阳能发电系统配套使用的蓄电池是铅蓄电池。 （3）充放电控制器 ：作用是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备，配合蓄电池使用。由于蓄 电池循环充放电次数及放电深度会决定蓄电池的使用寿命， 因此用控制器控制蓄电池过充电和过放 电。 （4）逆变器： 作用是将直流电转换成交流电。 在光伏发电系统中太阳能电池板和蓄电池提供的是 直流电，而负载不同时（有直流负载或交流负载）当负载是交流负载时，逆变器即可实现将光伏电 池或蓄电池提供的直流电转换成交流电供交流负载使用。 （5）交流配电柜： 在电站系统的主要作用是对备用逆变器的切换功能，保证系统的正常供电。

22、发电工作原理： 工作原理： 在光照的条件下，太阳能电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳 能电池方阵，使电压达到系统输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将光能转 换成电能储存， 到光伏电池不能发电时， 蓄电池放电， 通过逆变器的作用， 将直流电转换成交流电， 输送到配电柜，有配电柜的切换作用进行供电。 单晶硅电池： 代表性生产厂家：荷兰 Shell Solar、西班牙 Iso- foton，印度 Microsol 等厂家。 多晶硅电池： 多晶硅优先考虑成本，其次是效率。 降低成本方法： （1）纯化过程没有完全去除杂质； （2）快速结晶；（3）避免切片造成的浪费。 制

23、造工艺不同导致结晶构造不同，多晶硅的结晶颗粒较小，化学键不牢，存在许多悬浮键。 光电转换效率下降，且效率会随着时间衰减。 非晶硅电池： 材料选用 SiH4（四氢化硅） ，虽然该材料吸光效果和光导效果很好， 但其结晶构造比多晶硅还差。 非晶硅电池最大优点成本低，缺点是效率低且随时间衰减。 广泛使用小功率市场，在发电市场不具竞争力。 半导体材料基础： 1、目前人类发现的半导体元素有：硅、锗（Ge）硼、碳、灰锡（ Sn）、磷、砷（ As ）、锑（ Sb） 硫（ S）、硒（ Se）、碲（ Te）、碘（ I） 2、除硅、磷、硼外，现在科学正研究 GaAs、GaSb作为高效太阳能材料； CdTe（碲化镉

24、） 、CuInSe2（2 硒铟铜 ）、CuInS 、CdS（硫化碲 ） 载流子 : 半导体载流子：空穴、电子 电导率： ne pe n 载流子浓度 ,原子 / cm3 ; p为空穴浓度 e 电子电荷 =1.610-19库仑，质量为9.1010-31kg,单位为C 能带 : 载流子迁移率 （1）、能带结构： 补原子构型 :表示原子核外电子排布的图式之一。有七个电子层，分别用1、 2、3、4、5、 6、7 等数字表示 K、L、M、N、O、P、Q 等电子层，用 s、p、d、f等符号分别表示各电子亚层，并在 这些符号右上角用数字表示各亚层上电子的数目。 如氧原子的电子排布式为 1s 2s 2p。迄今

25、为止，只发现了 7 个电子层！用： 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f. 表示 如： 14Si 硅 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 15P 磷 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 量子力学计算表明， 固体中若有 单位： 1eV=1 电子伏特 = 1.60217646 10-19 焦耳 N 个原子， 由于各原子间的相互作用， 对应于原来孤立原子的 每一个能级 ,变成了 N 条靠得很近的能级 ,称为能带。 能带的宽度记作 E ，数量级为E eV。 若 N 1023,则能带中两能级的间距约 10-23eV 。 一般规律： 1. 越是外层电子，能带越宽， E 越大。

26、 2. 点阵间距越小，能带越宽， E 越大。 3. 两个能带有可能重叠。 能带中电子的排布：固体中的一个电子只能处在某个能带中的 某一能级上。 排布原则： . 服从泡里不相容原理（费米子） . 服从能量最小原理 设孤立原子的一个能级 Enl ，它最多 能容纳 2 （2 +1）个电子。 这一能级分裂成由 N 条能级组成的能 带后， 能带最多能容纳 （2 +1） 个电子。 电子排布时，应从最低的能级排起。 有关能带被占据情况的几个名词： 1满带（排满电子） 2价带（能带中一部分能级排满电子） 3空带（未排电子） 亦称导带 4禁带（不能排电子 导体、半导体和绝缘体： 一、导体 1、良导体（金属） ：

27、 是那些最高能带未被完全填满的固体 2、导体（半金属） ：最上面满带和一个空带重叠 3、绝缘体： 最上面的价带是满的，同时和下一个空带之间有 几个电子伏特能隙的固体。 、半导体：价带和导带之间的能隙小于约 1 eV 左右 由于价带与导带之间的能隙较小，将价带中最上面的电子激发到导带内时就较容 易。当温度升高时，有更多的电子能够跳到下一个能带去起导电作用，电导率随温度 而迅速增加。其中有两个因素起导电作用： （ 1）在上面的导带中少数电子所起的作用和它们在金属中所起的作用相同； （ 2）而价带中留下的空穴起着类似的作用，不过它们好象是正的电子。 例如：在硅中，当温度从 250K 增加到 450K

28、时，激发电子的数目增加到 10.6 倍。 上述半导体中的导电性，叫做内禀导电性。半导体的导电性还可以通过加进某些杂 质而提高。 1、n 型（ 负性 ） 半导体： 假定杂质原子 （磷或砷 As）比半导体的原子 （硅和锗）具有较多的电子 （额外电子 ） ， 在导带下方的能隙中形成某些分立的杂质能级，其距离约为十分之几电子伏特，这些 额外的电子容易被杂质原子释放出来并被激发至导带，于是，激发电子对半导体的电 导率有贡献。这种杂质原子，叫做施主；这种半导体叫做 n 型（ 负性）半导体。 2、p 型（ 正性） 半导体： 假定杂质原子 （ 硼或铝）比半导体原子 （ 硅和锗 ） 具有较少的电子， 在价带上方

29、的能隙 中引进空的分立杂质能级。 因此，容易把价带中一些具有较高能量的电子激发到杂质能级上，这个过程在价带 中产生空穴， 这些电子起着正电子的作用。 这种杂质原子叫做受主， 这种半导体叫做 p 型（正性） 半导体。 导体：在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向流动形成电流。 绝缘体：在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量，所以形不成电流。 半导体：的能带结构 ,满带与空带之间也是禁带， 但是禁带很窄（ E g 约0.12 eV ） 。 半导体电性： 一 . 本征半导体（ semiconductor ）：本征半导体是指纯净的半导体。本征半导体 的导电性能在导体与绝缘体之

30、间。 介绍两个概念： 1. 电子导电半导体的载流子是电子 2. 空穴导电半导体的载流子是空穴 满带上的一个电子跃迁到空带后 , 满带中出现一个空位。 单晶炉 : 太阳电池硅锭主要有单晶硅锭和多晶硅锭，这两种硅锭。 单晶硅: 做成的电池效率高，但硅锭生产效率低，能耗大； 多晶硅: 电池效率比单晶硅低一些，但硅锭生产效率高，在规模化生产上较有优势。 太阳电池单晶硅锭生产技术 : 1. 切克劳斯基法（ Czochralsik ： CZ 法）,1917 年由切克斯基建立的一种晶体生长方 法,现成为制备单晶硅的主要方法。 把高纯多晶硅放入高纯石英坩埚， 在硅单晶炉内熔化； 然后用一根固定在籽晶轴上 的籽

31、晶插入熔体表面， 待籽晶与熔体熔和后， 慢慢向上拉籽晶， 晶体便在籽晶下端生长。 CZ 法是利用旋转着的籽晶从坩埚中的熔体中提拉制备出单晶的方法，又称直拉法 直拉单晶炉及其基本原理 : 多晶硅硅料置于坩埚中经加热熔化，待温度合适后， 经过将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转肩等径、收尾等 步骤，完成一根单晶硅锭的拉制。 炉内的传热、传质、流体力学、化学反应等过程都直 接影响到单晶的生长及生长成的单晶的质量。 拉晶过程中可直接控制的参数有温度场、籽晶的晶 向、坩埚和生长成的单晶的旋转及提升速率， 炉内保护气 体的种类、流向、流速、压力等。 优缺点: 直拉法 设备和工艺比较简单 ，容易实现自动控制；

32、生 产效率高， 易于制备大直径单晶； 容易控制单晶中杂质浓 度，可以制备低阻单晶。 但用此法制单晶硅时， 原料 易被坩埚污染 ，硅单晶纯 度降低，拉制的硅单晶电阻率大于 50 欧姆厘米，质量 很难控制。 悬浮区熔法(区熔法或 FZ 法) : 悬浮区熔法比直拉法出现晚， WGPfann 1952 年提出， PHkeck 等人 1953 年 用来提纯半导体硅。 悬浮区熔法是将多晶硅棒用卡具卡住上端，下端对准籽晶，高频电流通过线圈与多 晶硅棒耦合， 产生涡流， 使多晶棒部分熔化， 接好籽晶， 自下而上使硅棒熔化和进行单 晶生长，用此法制得的硅单晶叫区熔单晶 (1) 、区熔法有水平区熔和悬浮区熔，前者

33、主要用于锗提纯及生长锗单晶，硅单晶 的生长则主要采用悬浮区熔法， 生长过程中不使用坩埚， 熔区悬浮于多晶硅棒和下方生 长出的单晶之间 (2) 、区熔法 不使用坩埚，污染少 ，经区熔提纯后生长的硅单晶纯度较高，含氧量 和含碳量低。高阻硅单晶一般用此法生长。 (3) 、目前区熔单晶应用范围比较窄， 不及直拉工艺 成熟，单晶中一些 结构缺陷没 有解决。 基座法： 基座法是既象区熔法又象直拉法的一种拉制单晶方法。用卡具将多晶棒下端卡住， 高频线圈在多晶硅棒上端产生熔区， 由上方插入籽晶， 将籽晶慢慢向上提起， 生长出单 晶。 基座法制备的单晶纯度高， 生长速度快， 污染小能较好的控制电阻率。 但此法工

34、艺 不成熟 ，很难生长大直径硅单晶。 片状单晶生长法( EFG法)： 片状单晶生长法是近几年发展的一种单晶生长技术。 将多晶硅放入石英坩埚中， 经 石墨加热器加热熔化， 将用石墨或者石英制成的有狭缝的模具浸在熔硅中， 熔硅依靠毛 细管作用， 沿狭缝升到模具表面和籽晶融合， 用很快的速度拉出。 生长片状单晶拉速可 达 50毫米/ 分。 片状单晶生长法现在多采用横向拉制。 将有一平缺口的石英坩埚装满熔硅， 用片状 籽晶在坩埚出口处横向引晶， 快速拉出片状单晶。 片状单晶横向拉制时结晶性能好， 生 产连续，拉速快，可达 20 厘米 / 分 片状单晶表面完整， 不须加工或少许加工就可制做器件； 省掉部

35、分切磨抛工艺， 大 大提高了材料的利用率。 片状单晶拉制工艺技术高，难度大，温度控制非常精确，片状单晶工艺技术目前 处于研究阶段 。 气相生长法 : 气相法生长单晶和三氯氢硅氢还原生长多晶相似。 在适当温度下， 三氯氢硅和氢气 作用，在单晶籽晶上逐渐生长出单晶。 气相生长法工艺流程简单， 污染少， 单晶纯度较 高，但是生长速度慢，周期长，生长条件不易控制，生长的单晶质量较差。 铸锭法 : 用铸锭法生长单晶是国外近几年发展的一种生长硅单晶方法。 它象金铸锭一样生长 硅单晶，此法生长硅单晶虽然工艺程流程简单，生长速度快，成本低，但是生长 单晶 质量差。一般用于制造太阳能电池器件。 液相外延生长法

36、: 用外延法生长单晶， 有气相外延和液相外延两种方法。 它们都是在一定条件下， 在 经过仔细加工的单晶片衬底上， 生长一层具有一定厚度， 一定电阻率和一定型号的完整 单晶层，这种单晶生长过程叫外延。 通过气相在衬底上生长外延层叫气相外延， 通过液相在衬底上生长外延层叫液相外 延。外延生长可以改善单晶衬底表面性能，提高单晶电子特性。外延生长 速度一般很 慢。 硅单晶的生产方法以 直拉法和区熔法为主 直拉单晶炉型式 : 尽管不同，总的说来，主要由炉体、电器部分、热系统、水冷系统、 真空系统和氩气装置五大部分组成。 空间点阵：几何点 （ 原子） 在空间排列的阵列。 晶 格：几何点 （ 原子） 排列的

37、空间格架。 晶胞：晶格中体积最小，对称性最高的平行六面体，是能代表原子排列形式特征的最 小几何单元。 晶向晶体点阵中，由阵点组成的任一直线，代表晶体空间内的一个方向，称为晶向。 晶面晶体点阵中，由阵点所组成的任一平面，代表晶体的原子平面，称为晶面。 晶体有各向异性， 非晶体则各向同性 硅: 是地壳中分布最广的元素，其含量达 25.8%。但自然界中的硅主要以石英砂（石英 石 -SiO2 ）的形式存在。生产制造硅太阳能电池用的硅材料高纯多晶硅，是用石英砂 冶炼出来的。工业上是通过电弧炉， 将石英砂（SiO2）通过与还原剂炭在 1600 1800 高温下反应形成初级硅，也称冶金级硅。其基本反应为 S

38、iO2 + 2C Si + 2CO 在高温下，二氧化硅与焦炭反应，生成液相的硅沉入电弧炉的底部，此时铁作为 催化剂可有效阻止碳化硅的形成。在电弧炉底部开孔可将液相硅收集，凝固后可通过 机械粉碎，得到冶金级硅粉。较好的冶金级硅粉，是纯度为 98%99%的多晶体。 为了得到高纯的硅材料，工业上是将冶金级硅经过破碎研磨后成为硅粉，可通过 酸洗，再通过化学反应变成硅的氯化物或氢化物，然后通过化学或物理提纯方法纯化 氯化物或氢化物。最后采用氢还原法或热分解法，将高纯的硅的氯化物或氢化物转变 成高纯硅。 由硅砂制备高纯多晶硅的工艺流程 纯多晶硅的制备 : 理论上讲，可采用三种方法制取高纯多晶硅：即 SiC

39、l4 ，SiHCl3 还原法和 SiH4 热分解法，具体的反 SiCl4 + 2H2 SiHCl3 + H2 SiH4 Si 应过程如下 Si + 4HCl Si + 3HCl + 2H2 11001200） （9001100） （8001000） 从中可见 SiCl4 法温度比 SiHCl3 高，制取 SiCl4 时氯气消耗量大，此种方法现已少用。而 SiH4 法 由于消耗金属镁等还原剂， 以及 SiH4 法本身易燃、 易爆等， 在一定程度上受到限制。 但此法去除硼杂 质很有效，无腐蚀性，生产的硅质量高，多用于外 延生长 西门子法 : 用 SiHCl3 生产高纯硅时的反应温度要比用 SiH4

40、 低。目前，高纯多晶硅生产，工业上 广泛采用 SiHCl3 还原法，也称西门子法，即将高纯 SiHCl3 液体通过高纯气体携带，进入充有大量 氢气的还原炉中， SiHCl3 在通电加热的细长的硅芯表面反应； 导致硅沉积在硅芯表面， 通过一周或 更长的反应时间， 还原炉中的 8mm 硅芯将生长到 150mm 左右。 这样得到的硅棒可作为区熔法生长 单晶硅的原料，也可破碎后，作为直拉法生长单晶硅的原料。 该方法的显著特点是：能耗相对低、产量高、质量稳定，采用综合利用技术，对环境不产生污 金属含量： 30.00ppba 金属表面含量： 0.50Ohmcm 染，具有明显的竞争优势。 太阳能级多晶硅技术

41、要求 : 总体要求： 硅含量： 99.9999%含硼量：0.20ppba含磷量：0.90ppba含碳量：1.00ppba 外观检查： 结晶致密，表面比较平整无蜂窝状、金属光泽好，断面颜色一样、无明显的温度圈 和氧化夹层，无夹杂物。 晶体硅太阳能电池是在厚度 350450m 的高质量硅片上制成的， 这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上 锯割而成。 石英坩埚（ SiO2） 用途：在整个铸锭过程中起到一个容器的作用。 特殊要求： 1）能在高于 1000以上的环境下连续工作 50h 以上。 2）纯度要高，不能对 6N 高纯硅 造成污染 。 3）大尺寸方形坩埚，不能变形，与石墨护板和底板紧密相贴。 包装：外层为

42、方形纸箱包装，内层为无纺布或塑料。两层包装都不能受潮，且外层上的防震标识不 能变红 外观质量 高厦H 三維尺寸：870X870X (420/480) mm 高度：420/480 mm 底部險 壁呈 內徑：840mm 外径：870mm D A区结晶区一距堆埸底 部2/3高度区域的内壁表面 B区熔化区一距圮竭顶 部1/3/高度区域的内壁表面 C区外壁侧面 D区外壁底面 E区口沿一一距坦塀顶部 2cm深的一圈内外面 外观、 检测芳式a A B区 C区a D区“ E 缺损2 不允讦2 二 25*15*5mm 变形、 肉眼观奈 无明且变形 凹坑2 无肉眼可见1以上凹坑2 无要求 内联面无肉眼可 见12以

43、上凹坑丄 孔洞2 小于m的孔洞不多于 4个且不在同一面上Q 小于1的孔洞fijffi不多于4个2 不允讦厂 杂质点 2 1mm以上杂质点不允讦Q 无5求 曲埸(SiO2) 目前，多晶硅太阳能行业用的石英坦土曷主要有两种 生产工艺：一种是注浆成型，一种是注凝成型。 注浆成型又可以分成单面吸浆和双面吸浆两种工 艺。 石英坦埸生产工艺流程图 有机单体 料浆一注凝成型 高纯熔融石英原料一料浆一 注味成型 一干燥 一烧成 一制品 坩埚喷涂及烘干： 喷涂涂层目的是保护石英坩埚在高温下石英坩埚与硅隔离，使液态硅不与石英坩埚反应，而使 石英坩埚破裂，急剧冷却后最终保证硅碇脱膜完整性。同时降低硅锭氧含量。 坩埚

44、喷涂及烘干方法： 在坩埚内壁均匀喷涂一层氮化硅涂层并对其进行焙烤。 化硅分子式为 i3 4，是一种重要的结构陶瓷材料。它是一种超硬物质，本身具有润滑性，并 且耐磨损；除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，抗腐蚀能力强，高温时抗氧化。 喷涂完成后再进行热处理，热处理的目的是提高涂层结晶度，避免内应力引起的涂层脱落，从 而提高涂层的韧性和附着力。 工艺参数 喷涂配比： 355-375g 氮化硅 +1600ml 纯水（ 420kg ） 坩埚焙烧工艺 ： （1095 +2h） （或加免烧结溶剂） 工艺要求 （ 1）涂层均匀，无气泡，无脱落，无裂纹，喷涂高度大约为坩埚高度的2/3。 2）德国氮化硅的起喷温度

45、是 80，喷涂过程中温度应控制在 70左右。 （3）喷涂过程中温度太低可能引起 “水流 ”现象或起泡 ；涂过程中温度太高会引起涂层脱落 。 工艺目的 :按工艺要求准备各种硅料，并将备好的硅料装进烘好 可用的坩埚内。 1、原硅料：韩国多晶硅制造商 OCI 、德国 CIP、重庆大全，六九 2、回收料：顶料、底料、边料、角料、回收硅块等。 3、杂料 ：外购的一些硅料 ，碎硅片等 硅片生产： 阳能用硅纯度为 99.9998% ；原硅烷 SiH4SiHCl3 硅原子提炼：生产原料 二氧化硅（ CO2） -粗硅（冶金级硅） ，纯度跟价格成正比。 硅材料用料： 10CM*10CM 电池用硅 10g 对应的功

46、率 1.31.5W.一个 1M 的电站需用 13 吨. 现在硅电池的厚度 :100 微米以下 . 电池组件生产过程 :二氧化硅 （CO2）-粗硅 -高纯度三氯氢硅 -高纯多晶硅原料 -多晶硅锭 -硅片 - 太阳电池 -电池组件 扩散制结 ： 原理：太阳能电池需要一个大面积的 PN 结以实现光能到 电能 的转换， 工具：而扩散炉即为制造太阳能电池 PN 结的专用设备。管式扩散炉主要由石英舟的上下载部 分、废气室、炉体部分和气柜部分等四大部分组成。 原料：扩散一般用三氯氧磷液态源作为扩散源。把 P 型硅片放在管式扩散炉的石英容器内，在 850-900 摄氏度高温下使用氮气将三氯氧磷带入石英容器，通过三氯氧磷和硅