硅材料演讲文稿.docx

下面就由我来做一个PPT的演示，当时上周决定要做这节课的演示呢，首先是因为我当时对今天要和大家演示的这种东西有些兴趣，恰好陶老师给提供了这个机会，于是我就站在了这里，是这样的。在开始之前呢，我要给我今天的PPT演示定一个基调，就是“分享”（上PPT），我不是个说教者，也不是个报告者，只是一个分享者。（写者）下面要展示的内容是我搜集各种资料，整合加工出来的，如果有描述不准确或错误的地方，还请陶老师给予指正。我在搜集资料的过程中就发现，关于硅材料这个领域的内容真的是博大精深，很多资料内容都专业性太强，所以我只能挑出我觉得大家当然包括我，能够理解能够接受的一些东西在这里展示。首先，大屏幕上给出的是几个今天将要展示的内容的关键词。（读：太阳能，半导体，光伏产业，徐州） 大家看到这些关键词想到他们之间有什么联系了吗？材料课嘛，所以要跟大家分享的就是一种材料。就是这个，GUI。也就是硅材料。说到硅这种物质，关于它的命名还有一段比较有意思的历史（上PPT）这个是我在维基百科看到的，是说，在民国初期，当时的学者翻译西方文献，把这种元素的英文Silicon翻译成汉语的这个字“硅”，但这个字读音不是今天念的gui，而是xi，第四声，但是当时呢，国内的汉语拼音的方案还没有推广开，很多人误念成了gui，为了避免误读就改成了汉字“矽”来表示这个元素。直到1953年，在中国大陆召开了一次化学物质命名座谈会，有的学者就认为“矽”这个字的读音和元素表中的“锡”和“硒”会混淆，所以又改回了“硅”这个字，还按gui来念。这样一来，误读和混淆的问题就被解决掉了，但有意思的是，在台湾和香港，他们到今天依然使用“矽”这个字表示硅这种元素。既然要认识了解硅材料，那么从它本身的化学属性来了解是很有必要的，知道它是“怎么样”的才能知道它是“怎么用”的。 回忆一下，说起化学这门课，你们一定还记得这张图（上图，图）硅，处在第三周期第四主族，属于类金属材料或者称半金属材料，原子序数14，原子核外三层电子，电子数分别为2、8、4，这样的排列方式决定了硅元素的特殊的化学和物理性质。硅元素在地壳中元素含量排在第二，仅次于氧元素，但是呢，自然界中是不存在硅单质的，它是以化合物的形式存在，如硅酸盐，还有二氧化硅，而看上去通透漂亮的石英就是二氧化硅的一种存在形式。刚才说了，硅有着特殊的化学性质和物理性质，化学性质表现在非常稳定，在常温下要想与其他物质发生反应是很难的，但氟化氢和碱液除外；硅的晶体当中没有明显的自由电子，它能导电，但导电率比不上金属，但比得过绝缘体，所以说具有半导体性质。正是因为这些性质，让硅已经在某些应用领域起到了至关重要的作用，比如大屏幕上所看到的：第一,高纯度的单晶硅制造的半导体器件:硅已经是集成电路产业的基础，基础到什么程度呢？在半导体材料中有98%是硅，可见硅的地位之重啊。这里有个东西要提一下，也是为后面将要讲到的内容打个底，就是，模拟电子中有讲到，np型半导体，还记得是怎么制的吗？我是翻了书才记起来。如果在单晶硅中掺入第三主族的硼B，由于B的原子核外2，3的排列形式，硼的很强的吸引电子的能力，使单晶硅形成P型硅半导体，如果掺入第五主族的磷P元素，由于P的原子核外285的三层电子排列形式，磷容易失去电子，形成N型半导体，组合到一起就是我们说的PN结。第二，金属陶瓷、宇宙航行的重要材料：为什么说是宇宙航行的重要材料呢，这就要说到美国的第一架航天飞机，哥伦比亚号，哥伦比亚号能够在高速穿过大气层时免受高温，依靠的就是它的外壳，而它的外壳是由三万一千块的硅瓦拼成的。第三，光导纤维通信：光纤上网这个词，众所周知，这里面也用到了硅材料，就是用来传导信号的高透明度的玻璃纤维，它就是用纯的二氧化硅拉制而成的。第四，性能优异的硅有机化合物：比如说，有机硅塑料就是一种特别好的防水材料，哪里用的着呢？人民英雄纪念碑就有，在纪念碑的表面涂上有机硅塑料，就能够很好保护纪念碑的碑身，不怕风吹雨淋。第五：太阳能电池板的制造。既然我们是电气专业的，那我们就来看看硅在太阳能的利用方面扮演着什么样的角色？先看一张图，一所房子，这不是重点，重点是这所房子的装备，是一个完整的光伏发电应用系统，这里的太阳能电池组件就是这系统的核心设备，它的工作原理是半导体的光生伏特效应，下面链接着的是接入盒-逆变器，在下面接的就是家用电器，右边这有两块功率表，它们连接着户外的电网，这两块功率表一块是输入功率表，一块输出功率表，值得注意的是，这块输出功率表的箭头是从房子指向户外电网的，它的意思是说这所房子可以向电网供电，这不就是发电厂干的事吗？没错，家用的太阳能电池发出的电在向商业电网供电，这项技术在光伏产业发达的德国和日本已经规模性地实现了，在国内可能见得不多，但已经有研究机构和企业在做这方面的研究了。为什么德国和日本能够走走前面，这个在后面的内容会再次说到。我们先回归到硅上来，既然硅在这么多领域有这么出色的用处，那硅是怎么制造出来的呢？那我们以多晶硅为例。开始时我们有提到，自然界中没有单质硅，只能从硅矿石中提炼出来，工业上制硅有一种方法叫炭热还原法，就是这个化学反应式SiO2+2C=Si+2CO通过这一步出来的还只是粗硅，纯度可以达到97-98%，虽然98%的绝对纯度很高了，但这个还达不到硅在半导体领域应用的纯度要求，太阳能级硅的纯度是6个9，也就是99.9999%，而用作半导体器件的硅纯度要比太阳能级硅的纯度要求还要高，所以需要进一步的提纯，方法就是将其融化之后重结晶，用酸液除去杂质，这一步之后硅的纯度可以上升到99.7-99.8%，要得到多晶硅，还要将上一步的产物进一步转化，就是将其进一步液化或者气化成更容易提纯的形式，再经过蒸馏、分解，这才得到多晶硅，由此可见，生产工艺还是很繁琐的。费了这么多的劲儿生产出来的多晶硅长什么样子呢？就是这个样子（上PPT）.将多晶硅棒经过切片，倒角，磨片，腐蚀，抛光，清洗就成了多晶硅片，这是另外一种，单晶硅片，这个表面要光滑的多。在刚开始我给的关键词里有个徐州，就是因为2006年在徐州落户的两家硅材料生产企业，江苏中能科技发展有限公司和江苏协鑫硅材料科技发展有限公司。这些企业每年给徐州市的财政收入贡献了不少RMB，这个从徐州市国税局的去年的一份数据可以看出，这是在国际能源网的一篇新闻，文章下方已经标出了数据来源是徐州市国税局，第一段是这样的（读第一段），这个数值大概和徐工集团交的税差不多，可见这个行业还是有很大的利润空间的。为什么硅能成为制作太阳能电池的最理想的材料呢？其他材料就不可以吗？这就要从对制作太阳能材料的要求说起了，那又有哪些要求呢?4条：1、半导体材料的禁带不能太宽； 2、要有较高的光电转换效率： 3、材料本身对环境不造成污染； 4、材料便于工业化生产且材料性能稳定为了大家更好地理解，这里的“禁带不能太宽”可能需要解释一下，我翻了一下资料，是这样解释的。这里有一张图（上图），这是一张对于半导体电子来说的能量带状图，从底面到上面能量值逐渐增加，并分为三个带，价带处在最下，往上依次为禁带、导带。如果硅的价电子的能量值处于导带以下的话是形成不了自由电子的，只有处在导带内才能形成自由电子，进而形成电流，如果从价带跃迁到导带就要吸收能量，这个需要的能量值越大，禁带的宽度就越宽，而硅的禁带不宽的优点，就意味着它更容易吸收太阳光子的能量。“转换效率”是指光电池的输出功率与太阳能入射功率的比值，以现有的技术水平来说是15-18%，好像有一家美国公司发明的新技术可以使效率提高到27%，但是目前普遍的应该还是17%左右。硅，正是满足上述的所有要求才成为了太阳能电池最理想的材料，也就催生了光伏产业，这是今天的另一个关键词。理论上来讲,光伏发电技术你可以用在任何需要电源的场合，天上飞的，地上跑的，天上比如航天器包括地球卫星，宇宙飞船，地上的包括太阳能电动汽车。在光伏产业中，技术难度最大的是硅材料的生产这个阶段，而下游的太阳能电池封装的技术门槛是很低的，也就是说制硅要比电池封装要有技术含量的多，利润也就高的多。从全球来看，光伏产业最发达的就属德国和日本，屏幕上的这张图是2010年全球10大多晶硅企业年产量的排行，排在第一位的是德国的瓦克公司，第二位是美国Hemlock公司，第三位是中国的保利协鑫，它就是上文提到的徐州的江苏协鑫硅材料科技发展公司的母公司。排名8,9,10的赛维LDK，中硅，大全，也都是中国企业，能看的出，中国是一个多晶硅的生产大国，注意是生产，而不是消费大国，中国生产的这些多晶硅，可以说80%是出口国外，卖给欧美国家。全球的多晶硅市场份额大都集中在欧美国家，有人会问为什么中国不使用多晶硅，难到中国市场不大吗？其实中国有市场，还不小，只是开发的还不够，有很多限制条件，比如说光伏产品价格昂贵，老百姓买不起，就算是买了，装上了，发了电只能自己用，不像德国日本，他们国家规定，家庭的光伏发电除掉自己用的电量之后，剩余的可以卖给电力公司，这样一来每个家庭都能称得上是一个小发电厂，但在中国这样做还是需要很长的路要走的。所以在光伏产业推广方面，德国和日本的许多经验还是值得我们借鉴的。1 上世纪90年代，德国就推出大规模屋顶光伏计划，目前德国光伏发电80%的装机量来自屋顶电站，美国、日本、意大利等国的光伏建筑也随处可见。2 通过设立鼓励政策，对安装光伏发电装置的民众给予政府补贴，刺激国内光伏产品的市场扩大。3 注重人才培养 我觉得，在中国，要做好一件大事，肯定得政府出面牵头，国家就是老大，老大说怎么能搞好那就怎么搞，毕竟在中国，国民都得跟着政府走，发展光伏需要国家发挥导向作用。目前中国正在投入很多精力在扩大国内的光伏发电的应用市场。这还需要国家，民众，电力公司的多方面共同的努力，也需要在座的将来的电气人才的努力！谢谢！后记：分享结束了，感觉还不错，以为上台会紧张，不过一上讲台看到本来100来人的课只来了一半，而且还都在教室的最后几排，更甚的是又有将近一半的人低着头做自己的事，我立马不紧张了，O(_)O昨