太阳电池材料及其生产基础概述

半导体生产与洁净度太阳电池材料与生产基础第一页，共二十九页。微电子的发展史－集成电路的发展1、1904年和1906年真空二极管和真空三极管的问世；2、1950年世界上第一个结型晶体管诞生；3、1958年世界上第一块集成电路研制成功；4、日本公司将集成电路从军事用途带入民用领域。第二页，共二十九页。1951年在贝尔实验室诞生；60年代用于航天领域，转换效率为10%；70年代技术迅速发展，使用于民用领域；转换效率为20%；90年代在规模生产，效率不断提高；销售量以每年25%的速度递增。微电子的发展史－太阳能电池的发展第三页，共二十九页。半导体基本知识定义导体：能导电的物体；（如：银、铜、铝等）绝缘体：不容易导电的物体；（如：橡皮、塑料、玻璃等）半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。（如：锗、硅、硒等）第四页，共二十九页。半导体的特性有两种载流子——电子和空穴。纯净的（不含杂质）的半导体（称本征半导体）中有一个电子就必然有一个空穴。即电子和空穴的数量相等。电子空穴本征半导体示意图第五页，共二十九页。半导体的导电性与导体和绝缘体不同，半导体的导电性能受温度的影响很大。当温度升级1℃时，它的电导率就要增加百分之几到百分之十几，这是由于半导体中的本征载流子随温度升高而增加的缘故。而导体和绝缘体的电导率随温度的变化却很小。第六页，共二十九页。Ｎ型半导体掺入杂质锑（或磷、砷之类）：新产生的电子数量远远超过原来未掺入杂质前的电子或空穴的数量。电子的数目以压倒多数超过空穴，导电作用主要由电子来决定，电子称为“多数载流子，空穴称“少数载流子”。这种类型半导体叫电子型半导体，简称n型半导体。电子空穴n型半导体示意图第七页，共二十九页。Ｐ型半导体掺入杂质铟（或铝、硼之类）：这块半导体中会产生许多新的电子和空穴。空穴的数目以压倒多数超过电子，导电作用主要由空穴来决定，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。这种类型半导体叫空穴型半导体，简称p型半导体。电子空穴p型半导体示意图第八页，共二十九页。Ｎ型半导体的工作原理n型半导体的多数载流子——电子在电场作用下向外加电压的“正端”移动，而少数载流子——空穴在电场作用下向外加电压的“负端”移动，在半导体内构成电流。电流方向与带负电的电子运动方向相反。n型半导体空穴移动方向电子移动方向电流方向第九页，共二十九页。Ｐ型半导体的工作原理p型半导体的多数载流子——空穴在电场作用下向外加电压的“负端”移动，而少数载流子——电子在电场作用下向外加电压的“正端”移动，在半导体内构成电流。电流方向与带正电的空穴运动方向相同。p型半导体电子移动方向空穴移动方向电流方向第十页，共二十九页。二、P-N结的单向导电性由于两边空穴和电子数量分布的不均匀：n型区域中邻近p型区域一边的薄层A中就有一部分电子扩散到p区。薄层A失去了一些电子，带正电。如图（a)pn++++++薄层A(a)电子由n区扩散到p区载流子在半导体中的扩散第十一页，共二十九页。p型区域中邻近n型区域一边的薄层b中就有一部分空穴扩散到n区。薄层B失去了一些空穴，带负电。如图（b）pn------薄层B(b)空穴由p区扩散到n区载流子在半导体中的扩散第十二页，共二十九页。由于空穴和电子的扩散，使薄层A带正电，而薄层B带负电，因此在薄层A、B间产生一个电场，如下图。这个电场的方向是由n区指向p区。这个电场会阻止电子继续往p区扩散也阻止空穴继续往n区扩散，但是刚开始电子和空穴的扩散占优势。随着电子和空穴的不断扩散，n区和p区失去的电子和空穴越来越多，薄层A和B越来越厚，形成的电场的作用越来越强。最后，电场的作完全抵消了扩散，达到了动态平衡状态。薄层A和薄层B称为“pn结”，又称“阻挡层”，厚度大约为10-4～10-5cm。BApn+++++++-------pn结电场方向电子和空穴扩散在pn交界处产生的电场第十三页，共二十九页。实验：在pn结两端接上电池，电池正极接p型半导体，负极接n型半导体，如图（a），电流表有读数。电池正极接n型半导体，负极接p型半导体，如图（b），电流表的读数接近零。结论：pn结具有只让电流从一个方向通过的单向导通性。pn电流方向i（a）pn（b）pn结加压的实验第十四页，共二十九页。分析之一外加正向电压当pn结正向连接时，即p区接电池正极，n区接电池负极，这时外加电压在pn结中产生的电场方向是由p区指向n区的，恰好与pn结原来形成的电场方向相反。pn++++++------pn结电场方向外加电场方向对pn结的影响外加正向电压产生的电场方向正向电流很大（a）外加正向电压时阻挡层变薄空穴移动方向电子移动方向+—第十五页，共二十九页。分析之二－外加反向电压当pn结反向连接时，即p区接电池负极，n区接电池正极，这时外加电压在pn结中产生的电场方向是由n区指向p区的，恰好与pn结原来形成的电场方向一致。因此，pn结中原来的电场被削弱了，阻挡层厚度减少了。P区的空穴n区的电子在这个外加电场作用下不不断走向交界处。空穴由左方向流向右方和电子由右方流左方都相当于电流由左方流向右方。由于p区空穴很多，n区电子很多，这股电流很大，这就是正向连接时出现大电流的原因。外加正向电压越大，在pn结中外加电场的作用就越强，更进一步削弱原来pn结的电场，所以电流更要增加。pn外加电场方向对pn结的影响（b）外加反向电压时阻挡层变厚++++++------pn结电场方向外加反向电压产生的电场方向反向电流很小空穴移动电子移动+—第十六页，共二十九页。因此，pn结中原来的电场被加强了，阻挡层厚度增加了。n区中的多数载流子——电子和p区中的多数载流子——空穴很难能过pn结向对方移动，这就是反向连接时电流极小的原因。但是，这时p区中的少数载流子——电子和n区中的少数载流子——空穴在反向电场帮助向交界移动，电子由左方流向右方和空穴由右方流向左方形成反向电流，但由于少数载流子数量很少，反向电流是很小的。第十七页，共二十九页。因此，我们可以把pn结看成是电流通道上的一道开关，接上正向电压时（即p型半导体接电池正极，n型半导体接电池负极），开关打开让电流通过，我们称此时pn结“导漏”接上反向电压时开关关上，阻止电流通过，我们称此时pn结“截止”。pn结这种只让电流单方向通过的性能称pn结的单向导电性。pn结的“导通”和“截止”是互相矛盾的两个方面，双方半争又互相依存着，共处于一个统一体中，这两个对立的双方在一定外加电压的条件下互相转化。当外加电压极性改变时矛盾双方各转化到相反的方面。第十八页，共二十九页。太阳能电池材料制造（以多晶硅为例）Si原材料清洗将Si原材料和相应的掺杂源（B）输入石英炉进行熔化Si熔化后对石英炉慢降温，使SI缓慢结晶炉温降至室温时即制得多晶锭将Si锭四周切割去掉，因结晶过程中与石英炉接触形成的杂质层测参数、寿命、电阻率将块状的Si按要求切割成SI砖切割成薄片清洗包装第十九页，共二十九页。太阳能电池片生产工艺流程图（以多晶硅为例）对Si片（一般为P型掺杂）进行腐蚀以去掉切割过程中在Si片正反两面所形成的损伤层在KOH中以各向异性腐蚀将Si片表面制成增加光吸收的陷光效应的绒面结构将Si片送入高温电炉进行n型磷扩散，以形成所需要的pn结利用等离子体刻蚀去掉Si片的边缘以对电池片正反两面实现电隔离在电池片的正面沉积起减反射和钝化作用的Si3N4膜层利用丝网印刷在电池的背面制备金属铝层及焊接银点。第二十页，共二十九页。半导体制造过程的洁净度要求综前所述杂质对半导体的特性有着改变或破坏其性能的作用，所以在半导体器件生产过程中对什么都必须严格控制，杂质有各种各样的，如金属离子会破坏半导体器件的导电性能，灰尘粒子破坏半导体器件的表面结构等。第二十一页，共二十九页。一、生产环境洁净半导体器件生产环境要求很严，除了要求恒温、恒湿外，对生产环境洁净度要求很严，按单位体积中规定的尺寸灰尘粒子为标准分成洁净度的等级。一般分为10级、100级、1000级、10000级、100000级，美国联邦标准中规定了洁净室和洁净区内空气浮游粒子洁净等级。第二十二页，共二十九页。1、浮游粒子的洁净等级洁净度以每立方米（每立方英尺）空气中的最大允许粒子来确定。因图标单位等级名称为每立方米空气中大于等于0.5微米的最大允许粒子数的常用对数值（以10为底），用英制单位时等级名称为每立方英尺空气中大于等于0.5微米的最大允许粒子数。第二十三页，共二十九页。1）洁净区空气浮游粒子的浓度被控制在特定的浮游粒子洁净度等级范围内某一限空间。2）洁净室浮游粒子浓度被控制，包含一个或多个洁净区的房间。第二十四页，共二十九页。2、浮游粒子洁净度的检测（颗粒测试仪）采样：任何洁净区的取样点不少于2个，除受洁净区划内的设备限制外，取样点应在整个洁净区均匀分布，每个选定的取样点应至少取样一次。在一个区内总共应最少取样5次，每个取样点取样应多于一次，而不同的取样点取样次可以不同取样量度和取样时间：取样量不少于0.00283立方米（合0.1立方英尺），并且计算所得取样量结果不得四舍五入。取样时间可以用取样量除以取样速率来计算。第二十五页，共二十九页。3、浮游粒子洁净度的监测监测方法应根据规定的浮游粒子洁净等级和为保护工艺和产品免受污染物影响而控制的污染水平来制定，应确定监测频率，运行条件和粒子计算方法，取样点和取样点数量，取样量和数据处理方法也应被确定。第二十六页，共二十九页。二、工艺过程中的洁净工艺过程中的洁净必须根据工艺要求进行对于所用原材料必须符合工艺要求，对于使用设备、工夹具、器皿的清洗周期在工艺文件中必须作出规定来严格执行。清洗用水，对纯水的要求10-18Ω-cm，化学药品：如氨水（NH3)、双氧水（H2O2）、氢氟酸（HF）、盐酸（HCL）等。工艺过程中使用的工器具：石英管、石英舟、传递夹、镊子等、清洗槽。工艺过程中使用的设备。必须改正一切不利于洁净生产的习惯。第二十七页，共二十九页。

洁净区的管理进出洁净区的管理规定净化区行为规则环境颗粒管理规定净化度管理规定P.H值管理规定纯水管理规定生产用气体管理规定第二十八页，共二十九页。内容总结半导体生产与洁净度。1、1904年和1906年真空二极管和真空三极管的问。导体：能导电的物体。有两种载流子——电子和空穴。与导体和绝缘体不同，半导