第1讲直拉单晶硅绪论

1、晶硅生长技术晶硅生长技术 课程名：晶硅生长技术课程名：晶硅生长技术 学学 分：分：4 时时 间：间：2015.9-2016.1 先修课程：先修课程： 材料化学基础材料化学基础 半导体硅材料基础半导体硅材料基础 多晶硅生产技术多晶硅生产技术 掌握直拉法制备单晶硅和铸锭多晶硅的生长原理及工艺；掌握直拉法制备单晶硅和铸锭多晶硅的生长原理及工艺；掌握直拉单晶硅和铸锭多晶硅的掺杂原理及方法；掌握直拉单晶硅和铸锭多晶硅的掺杂原理及方法； 掌握硅晶硅生长设备的种类、性能及其使用方法。理解掌握硅晶硅生长设备的种类、性能及其使用方法。理解直拉单晶硅和铸锭多晶硅中的杂质对光伏电池性能的影响直拉单晶硅和铸锭多晶硅中

2、的杂质对光伏电池性能的影响及控制，理解单晶硅和多晶硅中位错的基本性质、位错结及控制，理解单晶硅和多晶硅中位错的基本性质、位错结构、位错的腐蚀和表征及其对光伏电池的影响。构、位错的腐蚀和表征及其对光伏电池的影响。 通过学习，学生能对晶体生长工艺和设备进行选择、设通过学习，学生能对晶体生长工艺和设备进行选择、设置并选择合适的工艺参数，能组织、安排生产工艺过程，置并选择合适的工艺参数，能组织、安排生产工艺过程，解决生产和加工过程中出现的问题。解决生产和加工过程中出现的问题。p 课程考核课程考核l期末考试期末考试 50%l过程考核过程考核 30%l平时作业平时作业 20% p 第一部分第一部分 单晶硅

3、的基本知识单晶硅的基本知识p 第二部分第二部分 半导体基本知识半导体基本知识 p 第三部分第三部分 单晶炉结构及其直拉技术单晶炉结构及其直拉技术p 第四部分第四部分 多晶炉结构及其铸锭技术多晶炉结构及其铸锭技术p 第五部分第五部分 带硅、带硅、GaAs、准单晶和黑硅技术、准单晶和黑硅技术 1.1 晶体和非晶体晶体和非晶体1.2 单晶和多晶单晶和多晶1.3 空间点阵和晶胞空间点阵和晶胞1.4 晶面和晶向晶面和晶向补充：晶体缺陷补充：晶体缺陷1 点缺陷点缺陷2 线缺陷线缺陷3 面缺陷面缺陷4 体缺陷体缺陷1.5 晶体的熔化和凝固晶体的熔化和凝固1.6 结晶过程的宏观特征结晶过程的宏观特征1.7 晶

4、核的形成晶核的形成1.8 二维晶核的形成二维晶核的形成1.9 晶体的长大晶体的长大1.10 生长界面结构模型生长界面结构模型补充补充 半导体物理基础半导体物理基础1 半导体材料半导体材料2 基本晶体结构基本晶体结构3 基本晶体生长技术基本晶体生长技术4 共价健共价健5 能带能带6 本征载流子浓度本征载流子浓度7 施主与受主施主与受主补充补充 载流子输运现象载流子输运现象1 载流子漂移载流子漂移2 载流子扩散载流子扩散3 产生与复合过程产生与复合过程4 连续性方程式连续性方程式5 热电子发射过程热电子发射过程6 隧穿过程隧穿过程7 强电场效应强电场效应补充补充 p-n结结1 基本工艺步骤基本工艺

5、步骤2 热平衡状态热平衡状态3 耗尽区耗尽区4 耗尽层势垒电容耗尽层势垒电容5 电流电流-电压特性电压特性6 电荷储存与暂态响应电荷储存与暂态响应7 结击穿结击穿补充：金属补充：金属-半导体接触和半导体接触和MIS结构结构1 金属金属-半导体接触半导体接触2 欧姆接触欧姆接触3 MIS结构结构补充：太阳能光电转换原理补充：太阳能光电转换原理光光生伏特效应生伏特效应1 半导体材料的光吸收半导体材料的光吸收2 光生伏特光生伏特补充：硅的基本知识补充：硅的基本知识1 硅的基本性质硅的基本性质2 太阳电池用硅材料太阳电池用硅材料3 高纯多晶硅的制备高纯多晶硅的制备第第2章章 直拉单晶炉直拉单晶炉2.1

6、 直拉单晶炉设备简介直拉单晶炉设备简介2.2 直拉单晶炉的结构直拉单晶炉的结构2.3 机械部分机械部分2.4 电气部分电气部分2.5 直拉单晶炉的工作环直拉单晶炉的工作环境境第第3章章 直拉单晶炉的热系统及热场直拉单晶炉的热系统及热场3.1 热系统热系统3.2 热系统的安装与对中热系统的安装与对中3.3 热场热场3.4 温度梯度与单晶生长温度梯度与单晶生长3.5 热场的调整热场的调整第第4章章 晶体生长控制器晶体生长控制器第第5章章 原辅材料的准备原辅材料的准备5.1 硅原料硅原料5.2 石英坩埚石英坩埚5.3 掺杂剂与母合金掺杂剂与母合金5.4 其他材料其他材料5.5 原辅材料的腐蚀和清洗原

7、辅材料的腐蚀和清洗5.6 腐蚀原理及安全防护腐蚀原理及安全防护5.7 自动硅料清洗机简介自动硅料清洗机简介第第6章章 直拉单晶硅生长技术直拉单晶硅生长技术6.1 直拉单晶硅工艺流程直拉单晶硅工艺流程6.2 拆炉及装料拆炉及装料6.3 抽空及熔料抽空及熔料6.4 引晶及放肩引晶及放肩6.5 转肩及等径转肩及等径6.6 收尾及停炉收尾及停炉6.7 拉速、温校曲线的设定拉速、温校曲线的设定6.8 埚升速度的计算方法埚升速度的计算方法6.9 异常情况及处理方法异常情况及处理方法补充：直拉单晶炉操控程序介绍补充：直拉单晶炉操控程序介绍补充：直拉单晶硅中的杂质和控制补充：直拉单晶硅中的杂质和控制1 直拉单

8、晶硅中的氧直拉单晶硅中的氧2 直拉单晶硅中的碳直拉单晶硅中的碳3 直拉单晶硅中的金属杂质直拉单晶硅中的金属杂质4 直拉单晶硅中的位错直拉单晶硅中的位错第第7章章 铸锭多晶硅工艺铸锭多晶硅工艺7.1 光伏产业简介光伏产业简介7.2 铸锭多晶硅炉的结构铸锭多晶硅炉的结构7.3 铸锭多晶硅工艺流程铸锭多晶硅工艺流程7.4 铸锭多晶硅的优缺点铸锭多晶硅的优缺点补充：铸造多晶硅中的杂质和缺陷补充：铸造多晶硅中的杂质和缺陷1 铸造多晶硅中的氧铸造多晶硅中的氧2 铸造多晶硅中的碳铸造多晶硅中的碳3 铸造多晶硅中的氮铸造多晶硅中的氮4 铸造多晶硅中的氢铸造多晶硅中的氢5 铸造多晶硅中的金属杂质和吸杂铸造多晶硅

9、中的金属杂质和吸杂6 铸造多晶硅中的晶界铸造多晶硅中的晶界7 铸造多晶硅中的位错铸造多晶硅中的位错第第8 8章章 掺杂技术掺杂技术8.1 8.1 杂质杂质8.2 8.2 导电型号导电型号8.3 8.3 熔硅中的杂质效应熔硅中的杂质效应8.4 8.4 杂质的分凝效应杂质的分凝效应8.5 K8.5 Keffeff与与K K0 0的关系的关系8.6 8.6 结晶后固相中的杂质分布规律结晶后固相中的杂质分布规律8.7 8.7 掺杂掺杂p 作业本：作业本：1 1本，每个月交一次本，每个月交一次p 涂鸦本：涂鸦本：1 1本，期末上交本，期末上交p 部分补充知识做好笔记和借阅相关书籍部分补充知识做好笔记和借

10、阅相关书籍p 讨论时积极参与讨论时积极参与光伏产业发展前景光伏产业发展前景我国光伏产业突飞猛进三部曲我国光伏产业突飞猛进三部曲：一、晶体硅太阳电池、组件一、晶体硅太阳电池、组件 - - 无锡尚德无锡尚德（2003-20072003-2007）背景：早期国内背景：早期国内5 5家电池企业，广东光伏应用产品，西部市场家电池企业，广东光伏应用产品，西部市场效果：引导太阳电池国内发展潮流（德国技术、德国原材料、德国市效果：引导太阳电池国内发展潮流（德国技术、德国原材料、德国市场）、英利、天合、阿特斯、韩华（林洋）、同时带动超白玻璃、场）、英利、天合、阿特斯、韩华（林洋）、同时带动超白玻璃、EVAEVA

11、等相关产业等相关产业二、太阳能多晶硅片二、太阳能多晶硅片 - - 江西赛维江西赛维LDKLDK（2006-20092006-2009）走无锡尚德主导产品上游，紧接再走硅片上游多晶硅？再向下游布局！走无锡尚德主导产品上游，紧接再走硅片上游多晶硅？再向下游布局！重要的企业还有河北晶龙、锦州阳光等重要的企业还有河北晶龙、锦州阳光等 三、高纯多晶硅材料三、高纯多晶硅材料 - - 保利协鑫保利协鑫（2007-20112007-2011） 走江西赛维主导产品上游，紧接再布局硅片？走江西赛维主导产品上游，紧接再布局硅片？ 重要的企业还有重庆大全、新光硅业、乐电天威、宜昌南玻重要的企业还有重庆大全、新光硅业、

12、乐电天威、宜昌南玻等等 四、光伏电站专业建设与规模化经营，谁是第四部曲领唱者？四、光伏电站专业建设与规模化经营，谁是第四部曲领唱者？ 中广核、国电、中电投、大唐、中国航天、中节能等，以央中广核、国电、中电投、大唐、中国航天、中节能等，以央企为主导！企为主导！ 五、新型太阳电池、新型光伏技术五、新型太阳电池、新型光伏技术 到到2016年将安装完毕年将安装完毕300 GW光伏组件，光伏组件成本低于光伏组件，光伏组件成本低于每瓦每瓦0.5美元美元 2020年，光伏组件成本继续降低，光伏发电价格低于煤电，年，光伏组件成本继续降低，光伏发电价格低于煤电，光伏组件安装量达到光伏组件安装量达到1000 GW

13、！ 格林教授认为：如果安装量加倍，成本将降低格林教授认为：如果安装量加倍，成本将降低20%！ 我国在光伏产业上取得了举世瞩目的成功，已经形成了完整我国在光伏产业上取得了举世瞩目的成功，已经形成了完整的光伏产业链，的光伏产业链， 我国正在从光伏制造大国走向强国发展的我国正在从光伏制造大国走向强国发展的起步阶段；起步阶段； 随着世界经济的发展，光伏技术与产业将得到更快发展，大随着世界经济的发展，光伏技术与产业将得到更快发展，大规模推广光伏发电时代即将到来。规模推广光伏发电时代即将到来。2040-20502040-2050年可再生能源年可再生能源将占有将占有40-50%40-50%的份额，光伏至少在

14、其中占到三分之一以上；的份额，光伏至少在其中占到三分之一以上； 晶体硅太阳电池仍然是主流产品，近期晶体硅太阳电池仍然是主流产品，近期20%20%以上效以上效率的晶体硅电池技术将会有很大的发展；率的晶体硅电池技术将会有很大的发展； 薄膜太阳电池技术是光伏技术的重要研究方向，柔薄膜太阳电池技术是光伏技术的重要研究方向，柔性电电池与光伏建筑结合（性电电池与光伏建筑结合（BIPVBIPV）薄膜组件具有很）薄膜组件具有很好的市场发展潜力；好的市场发展潜力；多晶硅产业多晶硅产业 1、1950s-1997年年 工艺落后，生产规模小，技术被工艺落后，生产规模小，技术被垄断。垄断。 2、1997-2000年，北

15、京有色冶金设计研究总院与峨年，北京有色冶金设计研究总院与峨嵋半导体材料厂合作嵋半导体材料厂合作 ，筹建，筹建100t规模的多晶硅工业规模的多晶硅工业性生产示范线。性生产示范线。 3、2003 洛阳中硅高科技有限公司洛阳中硅高科技有限公司300t多晶硅项目多晶硅项目开工，开工，2005年投入生产年投入生产 4、2007年后，西方发达国家开始向国内多晶硅生年后，西方发达国家开始向国内多晶硅生产厂家转让部分技术，出口成套设备，一些关键设产厂家转让部分技术，出口成套设备，一些关键设备也在国内合资生产，使得我国多晶硅生产在全国备也在国内合资生产，使得我国多晶硅生产在全国大规模铺开大规模铺开 。 5、2008年，多晶硅价格高达年，多晶硅价格高达450美元美元/千克千克 。 6、2009年，多晶硅现货价格跌至年，多晶硅现货价格跌至60美元美元/千克千克 。单晶硅与多晶硅之争单晶硅与多晶硅之争 直拉单晶的优点是单一晶向，低缺陷，电池效率