太阳电池基础

太阳电池基础第1页，课件共133页，创作于2023年2月第一节§1.太阳电池发展史第2页，课件共133页，创作于2023年2月太阳能太阳是距离地球最近的恒星，直径约1390000km,体积和质量是地球的130万倍和33万倍。表面温度约为5800K，主要由氢和氦组成。其中氢占80%，氦占19%。太阳内部处于高温高压状态，不停进行着热核反应，由氢聚变成氦，并将质量转化为能量。青藏高原是我国太阳能资源最好的地区，而四川盆地云雨天气多，太阳能资源相对较差。第3页，课件共133页，创作于2023年2月太阳能当太阳光照射到地球时，一部分光线被反射或散射，一部分光线被吸收，只有约70%的光线能到达地球表面。到达地球表面的太阳光一部分被表面物体所吸收，另外一部分又被反射回大气层。第4页，课件共133页，创作于2023年2月太阳电池发展史太阳能光伏发电最核心的器件——太阳电池。从1839年法国科学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应（简称光伏现象）算起，太阳能电池已经经过了160多年的漫长的发展历史。从总的发展来看，基础研究和技术进步都起到了积极推进的作用。对太阳电池的实际应用起到决定性作用的是美国贝尔实验室关于单晶硅太阳电池的研制成功，在太阳电池发展史上起到里程碑的作用。至今为止，太阳能电池的基本结构和机理没有发生改变。第5页，课件共133页，创作于2023年2月太阳电池发展史太阳电池后来的发展主要是薄膜电池的研发，如非晶硅太阳电池、CIS太阳电池、CdTe太阳电池和纳米燃料敏化太阳电池等，此外主要的是生产技术的进步，如丝网印刷、多晶硅太阳电池生产工艺的成功开发，特别是氮化硅薄膜的减反射和钝化技术的建立以及生产工艺的高度自动化等。第6页，课件共133页，创作于2023年2月太阳电池发展史回顾历史有利于了解光伏技术的发展历程，按时间的发展顺序，将于太阳电池发展有关的历史事件汇总如下：1839年法国实验物理学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应，简称为光伏效应。1877年W.G.Adams和R.E.Day研究了硒（Se）的光伏效应，并制作第一片硒太阳能电池。1883年美国发明家CharlesFritts描述了第一块硒太阳能电池的原理。第7页，课件共133页，创作于2023年2月太阳电池发展史1904年Hallwachs发现铜与氧化亚铜（Cu/Cu2O）结合在一起具有光敏特性；德国物理学家爱因斯坦（AlbertEinstein）发表关于光电效应的论文。1918年波兰科学家Czochralski发展生长单晶硅的提拉法工艺。1921年德国物理学家爱因斯坦由于1904年提出的解释光电效应的理论获得诺贝尔（Nobel）物理奖。贝尔(Bell)实验室研究人员D.M.Chapin,C.S.Fuller和G.L.Pearson报道4.5%效率的单晶硅太阳能电池的发现，几个月后效率达到6%。第8页，课件共133页，创作于2023年2月太阳电池发展史2000年世界太阳能电池年产量超过399MW；X.Wu，R.G.Dhere，D.S.Aibin等报道碲化镉（CdTe）太阳能电池效率达到16.4%；单晶硅太阳能电池售价约为3USD/W。2002年世界太阳能电池年产量超过540MW；多晶硅太阳能电池售价约为2.2USD/W。第9页，课件共133页，创作于2023年2月预计未来世界太阳2020年太阳能发电成本与化石能源成本相接近，德国可再生能源占20%。2030年太阳能发电达到10%~20%；德国将关闭所有的核电站。能发电产业的发展第10页，课件共133页，创作于2023年2月预计未来世界太阳2050年世界太阳能发电利用将占世界能源总能耗30%~50%份额。2100年以煤、石油、天然气为代表的化石能源基本枯竭，人类主要利用太阳能、氢能、风能、生物质能等洁净可再生能源。人类将充分利用太阳能发电。能发电产业的发展第11页，课件共133页，创作于2023年2月中国太阳能发电发展史1958年我国开始研制太阳能电池。1959年中国科学院半导体研究所研制成功第一片具有实用价值的太阳能电池。1971年3月在我国发射的第二颗人造卫星——科学实验卫星实践一号上首次应用由天津电源研究所研制的太阳能电池。1979年我国开始利用半导体工业废次硅材料生产单晶硅太阳能电池。第12页，课件共133页，创作于2023年2月中国太阳能发电发展史我国大陆包括正在建设的太阳电池或太阳能电池组件产量可达10MW以上的厂家有很多，如：无锡尚德，保定天威英利，宁波太阳能，南京中电光伏，上海太阳能科技，云南天达和常州天合等。我国已成为世界重要的光伏工业基地之一，初步形成一个以光伏工业为源头的高科技光伏产业链。随着我国“可再生能源法”的实施，我国太阳能光伏发电将得到快速发展。预计在3～5年内我国在太阳能光伏电池研发、生产、应用产品开发将形成一个世界级的产业基地，并将在国际太阳能光伏工业产业中占据重要的地位。第13页，课件共133页，创作于2023年2月太阳电池分类晶体硅太阳电池（包括单晶硅和多晶硅太阳电池）非晶硅太阳电池薄膜太阳电池化合物太阳电池有机半导体太阳电池第14页，课件共133页，创作于2023年2月第二节§2.半导体材料与理论第15页，课件共133页，创作于2023年2月半导体定义固体按导电性能的高低可以分为：导体半导体绝缘体

它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。第16页，课件共133页，创作于2023年2月半导体种类按照成分可分为：有机半导体无机半导体（元素半导体、化合物半导体）按照晶体结构可分为：非晶体半导体晶体半导体（单晶、多晶）按照特性、功能可分为：微电子材料、光电子材料、传感材料…….第17页，课件共133页，创作于2023年2月半导体种类

元素半导体共有12种，包括硅、锗、硼、碳、灰锡、磷、灰砷、灰锑、硫、硒、碲、碘。其中只有硅、锗和硒在实际生产中得到应用。第18页，课件共133页，创作于2023年2月晶体概念简单立方晶格

面心立方晶格Au、Ag、Cu、Al…

体心立方晶格

Li、Na、K、Fe…六角密排晶格

Be，Mg，Zn，Cd…晶体：有规则对称的几何外形；

物理性质(力、热、电、光…)各向异性；有确定的熔点；

微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性排列，形成空间点阵(晶格)。第19页，课件共133页，创作于2023年2月多晶结构晶界第20页，课件共133页，创作于2023年2月单晶结构第21页，课件共133页，创作于2023年2月硅原子结构+14284Si+4硅原子结构

简化模型

硅，一种四价的非金属元素，在自然界分布极广，地壳中约含27.6%，主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。元素符号Si，相对原子量为28.08653，在元素周期表中的lVA族（第四主族），第三周期。第22页，课件共133页，创作于2023年2月每个原子的价电子分别与相邻的四个原子的价电子组成共价键，在空间形成排列有序的单晶体结构纯净的单晶半导体称为本征半导体。本征半导体第23页，课件共133页，创作于2023年2月价电子（热激发）自由电子-空穴对复合平衡本征半导体中本征半导体第24页，课件共133页，创作于2023年2月(1)在半导体中有两种载流子这就是半导体和金属导电原理的本质区别a.电阻率大(2)本征半导体的特点b.导电性能随温度变化大带正电的空穴带负电的自由电子本征半导体不能在半导体器件中直接使用本征半导体第25页，课件共133页，创作于2023年2月在外电场作用下，电子的定向移动形成电流++++++++--------第26页，课件共133页，创作于2023年2月在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流++++++++--------第27页，课件共133页，创作于2023年2月本征半导体缺点

1、电子浓度=空穴浓度；

2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！不适宜制造半导体器件，通常要掺入一些杂质来提高导电能力。本征半导体第28页，课件共133页，创作于2023年2月杂质半导体杂质半导体(ImpuritySemiconductor)：在纯净的半导体中适当掺入杂质可提高半导体的导电能力能改变半导体的导电机制按导电机制，杂质半导体可分为n型(电子导电)和p型(空穴导电)两种。

第29页，课件共133页，创作于2023年2月杂质半导体n型半导体SiSiSiSiSiSiSiP图中掺入的五价P原子在晶体中替代Si的位置，构成与Si相同的四电子结构，多出的一个电子在杂质离子的电场范围内运动。第30页，课件共133页，创作于2023年2月杂质半导体磷原子硅原子SiPSiSi多余电子第31页，课件共133页，创作于2023年2月N型半导体形成：本征半导体中掺入五价杂质原子，如磷（P）。载流子：自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。简化图

杂质半导体第32页，课件共133页，创作于2023年2月杂质半导体(2)P型半导体四价的本征半导体Si、Ge等，掺入少量三价的杂质元素(如B、Ga、In等)形成空穴型半导体，也称p型半导体。SiSiSiSiSiSiSi+B图中在硅晶体中掺入少量的硼，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。第33页，课件共133页，创作于2023年2月P型半导体形成：本征半导体中掺入三价杂质原子，如硼（B）等。载流子：空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。简化图

（a）结构示意图图1-5P型半导体的结构杂质半导体第34页，课件共133页，创作于2023年2月几个基本概念：本征半导体、杂质半导体自由电子、空穴多数载流子、少数载流子N型半导体、P型半导体无论是N型还是P型半导体都是电中性，对外不显电性。杂质半导体多子的浓度决定于掺杂原子的浓度少子的浓度决定于温度第35页，课件共133页，创作于2023年2月P-N结1、P-N结的形成在一块n型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，由于杂质的补偿作用,该区就成为p型半导体。在半导体内，由于掺杂的不同，使部分区域是n型，另一部分区域是p型，它们交界处的结构称为p-n结(P-Njunction)。由于Ｎ区的电子向P区扩散，P区的空穴向N区扩散，在p型半导体和n型半导体的交界面附近产生了一个由np的电场，称为内建场。第36页，课件共133页，创作于2023年2月P-N结内建场大到一定程度,不再有净电荷的流动，达到了新的平衡。内建场阻止电子和空穴进一步扩散，记作。第37页，课件共133页，创作于2023年2月P-N结PN结的形成在交界面，由于两种载流子的浓度差，出现扩散运动。PN第38页，课件共133页，创作于2023年2月P-N结PN结的形成在交界面，由于扩散运动，经过复合,出现空间电荷区。空间电荷区耗尽层PN第39页，课件共133页，创作于2023年2月P-N结稳定后，n区相对p区有电势差U0(n比p高)。p-n结也称势垒区。

电子电势能曲线U0电子能级电势曲线P-N结它阻止P区带正电的空穴进一步向N区扩散；也阻止N区带负电的电子进一步向P区扩散。第40页，课件共133页，创作于2023年2月P-N结PN结的形成PN结当扩散电流等于漂移电流时，达到动态平衡，形成PN结。第41页，课件共133页，创作于2023年2月P-N结在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内电子很多而空穴很少，而P型区内空穴很多电子很少，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别。这样，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。于是，有一些电子要从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。它们扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子,N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。半导体中的离子不能任意移动，因此不参与导电。这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，就是所谓的PN结。文字总结：PN结的形成第42页，课件共133页，创作于2023年2月P-N结扩散越强，空间电荷区越宽。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。在出现了空间电荷区以后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区就形成了一个内电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。显然，这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反它是阻止扩散的。文字总结：PN结的形成第43页，课件共133页，创作于2023年2月P-N结另一方面，这个电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄。当漂移运动达到和扩散运动相等时，PN结便处于动态平衡状态。内电场促使少子漂移，阻止多子扩散。最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。文字总结：PN结的形成第44页，课件共133页，创作于2023年2月载流子浓度差复合内电场阻碍多子扩散帮助少子漂移扩散漂移动态平衡内电场多子扩散产生空间电荷区P区N区PN结稳定PN结的形成过程PN结第45页，课件共133页，创作于2023年2月P-N结的单向导电性由于p-n结处阻挡层的存在，把电压加到p-n结两端时，阻挡层处的电势差将发生变化。p型n型I(1)正向偏压在p-n结的p端接电源正极，n端接负极，这叫对P-N结加正向偏压(如图)。此时与反向，阻挡层势垒削弱、变窄，有利于空穴向n型区、电子向p型区移动，即形成正向电流(mA级)第46页，课件共133页，创作于2023年2月P-N结的单向导电性外加电压越大，正向电流也越大，而且呈非线性的伏安特性。

V（伏）302010（毫安）正向00.21.0I第47页，课件共133页，创作于2023年2月P-N结的单向导电性(2)负向偏压在p-n结的p型一端接电源负极，另一端接正极，这叫对p-n结加反向偏压。此时与同向，阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向n型区、电子向p型区移动。没有正向电流。p型n型IE阻E外但是，由于少数载流子的存在，在外电场作用下，会形成很弱的反向电流，称为漏电流(A级)。第48页，课件共133页，创作于2023年2月P-N结的单向导电性当反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增大，这称为反向击穿。击穿电压V(伏)-10-20-30I（微安）反向-20-30由上可知，p-n结可以作成具有整流、开关等作用的晶体二极管(diode)。

P-N结的反向击穿

第49页，课件共133页，创作于2023年2月P-N结的单向导电性PN结外加正向电压时处于导通状态加正向电压是指P端加正电压，N端加负电压，也称正向接法或正向偏置。第50页，课件共133页，创作于2023年2月P-N结的单向导电性

内电场外电场外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变窄，形成较大的扩散电流。第51页，课件共133页，创作于2023年2月P-N结的单向导电性PN结外加反向电压时处于截止状态外电场和内电场的共同作用，使耗尽层变宽，形成很小的漂移电流。第52页，课件共133页，创作于2023年2月P-N结的单向导电性PN结的伏安特性

正向特性反向特性反向击穿PN结的电流方程为其中，IS为反向饱和电流，UT≈26mV，第53页，课件共133页，创作于2023年2月半导体的导电特性1、掺杂特性掺入微量的杂质（简称掺杂）能显著地改变半导体的导电能力。杂质含量改变能引起载流子浓度变化，半导体材料电阻率随之发生很大变化。在同一种材料中掺入不同类型的杂质，可以得到不同导电类型的半导体材料。第54页，课件共133页，创作于2023年2月半导体的导电特性2、温度特性温度也能显著改变半导体材料的导电性能。一般来说，半导体的导电能力随温度升高而迅速增加，即半导体的电阻率具有负的温度系数，而金属的电阻率具有正当温度系数，且其随温度的变化很慢。第55页，课件共133页，创作于2023年2月半导体的导电特性3、环境特性半导体的导电能力还会随光照而发生变化（称为光电导现象）。此外半导体的导电能力还会随所处环境的电场、磁场、压力和气氛的作用等而变化。第56页，课件共133页，创作于2023年2月半导体的特性应用1、热敏电阻根据半导体的电阻值随温度的升高而迅速下降的现象制成的半导体器件，称为热敏电阻(thermosensitiveresistance)。热敏电阻有体积小，热惯性小，寿命长等优点，已广泛应用于自动控制技术。第57页，课件共133页，创作于2023年2月半导体的特性应用2、光敏电阻半导体硒，在照射光的频率大于其红限频率时，它的电阻值有随光强的增加而急剧减小的现象。利用这种特性制成的半导体器件称为光敏电阻(photosensitiveresistance)。光敏电阻是自动控制、遥感等技术中的一个重要元件。第58页，课件共133页，创作于2023年2月半导体的特性应用3、温差热电偶把两种不同材料的半导体组成一个回路，并使两个接头具有不同的温度，会产生较大的温差电动势，称为半导体温差热电偶。温度每差一度，温差电动势能够达到、甚至超过1毫伏。利用半导体温差热电偶可以制成温度计，或小型发电机。第59页，课件共133页，创作于2023年2月半导体的特性应用4、集成电路p-n结的适当组合可以作成具有放大功能的晶体三极管(trasistor)，以及其他各种晶体管。进一步可将它们作成集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路。第60页，课件共133页，创作于2023年2月半导体的特性应用1947年12月23日，美国贝尔实验室的半导体小组，W.Shockley，J.Bardeen，W.Brattain做出了世界上第一只具有放大作用的点接触型晶体三极管。固定针B探针固定针AGe晶片1956年小组的三位成员获诺贝尔物理奖。人类历史上的第一个晶体管第61页，课件共133页，创作于2023年2月半导体的特性应用人类历史上的第一块集成电路1958年9月TexasInstrumentsJackKilby2000年诺贝尔奖第62页，课件共133页，创作于2023年2月半导体的特性应用pnp电信号cbVebVcbRe~后来，晶体管又从点接触型发展到面接触型。晶体管比真空电子管体积小，重量轻，成本低，可靠性高，寿命长，很快成为第二代电子器件。第63页，课件共133页，创作于2023年2月半导体的特性应用INMOST900微处理器每一个集成块(图中一个长方形部分)约为手指甲大小，它有300多万个三极管

第64页，课件共133页，创作于2023年2月半导体的特性应用1971年制造的第一个单片机Intel4004，2300个晶体管10微米技术,640bytes，108KHzPentiumIV5500万个晶体管0.13微米技术第65页，课件共133页，创作于2023年2月光生伏特效应当P型半导体和N型半导体结合在一起，形成PN结时，由于多数载流子的扩散，形成了空间电荷区，并形成一个不断增强的从N型半导体指向P型半导体的内建电场。导致多数载流子反向漂移。达到平衡后，扩散产生的电流和漂移产生的电流相等。如果光照在PN结上，而且光能大于PN结的禁带宽度，则在PN结附近将产生电子—空穴对。由于内建电场的存在，产生的非平衡载流子将向空间电荷区两端漂移，产生光生电势（电压），破坏了原来的平衡。如果将PN结与外电路相连，则电路中出现电流，称为光生伏特现象或光生伏特效应。PN结第66页，课件共133页，创作于2023年2月光生伏特效应当光照射在p-n结上时，光子会产生电子-空穴对。e－+h+••°°pn+_光由光照射，使p-n结产生电动势的现象称光生伏特效应。利用太阳光照射p-n结产生电池的装置叫太阳能电池。太阳能电池应用前景十分广泛。第67页，课件共133页，创作于2023年2月PN结的制备P38第68页，课件共133页，创作于2023年2月第三节§3.硅片的生产第69页，课件共133页，创作于2023年2月硅材料

太阳电池产品需要高纯的原料，对于太阳电池要求硅材料的纯度约是99.99%～99.9999%。而对半导体技术要求的纯度还要高几个数量级。硅材料是用二氧化硅(SiO2)作为生产原料，将其熔化并除去杂质就可制取粗级硅，也称冶金级硅、工业硅、金属硅。第70页，课件共133页，创作于2023年2月硅材料多晶硅按纯度分类可以分为冶金级（工业硅）、太阳能级、电子级。1、冶金级硅(MetallurgicalGrade,MG)：是硅的氧化物在电弧炉中被碳还原而成。一般含Si为90～99%。2、太阳级硅(SolarGrade,SG)：纯度介于冶金级硅与电子级硅之间，至今未有明确界定。一般认为含Si在99.99～99.9999（4～6个9）3、电子级硅(ElectronicGrade,EG)：一般要求含Si>99.9999%以上，超高纯达到99.9999999%～99.999999999%（9～11个9）。其导电性介于10-4～1010欧厘米。第71页，课件共133页，创作于2023年2月太阳能级硅太阳能级硅是电子级硅生产过程的副产品，按照质量排序主要包括以下几种：电子级硅的次级产品→等外品硅大块料→小块料→单晶硅锭头尾料→厂内循环返回料→埚底料→其它来源的硅料

杂质含量：10～100ppm电阻率：0.5～1ohm-cm以上(B、P)(1)少子寿命(ms)(2)单位硅料消耗（克硅/瓦或吨硅/兆瓦）(3)太阳电池组件总成本评价因素：第72页，课件共133页，创作于2023年2月太阳能级硅

现在的发展趋势是不管是单晶还是多晶硅太阳电池，都使用大尺寸、超薄的硅片。随着半导体材料技术的发展，对硅片的规格和质量也提出更高的要求，适合微细加工的大直径硅片在市场中的需求比例将日益加大。目前，硅片主流产品是200mm，逐渐向300mm过渡，研制水平达到400mm～450mm。据统计，200mm硅片的全球用量占60%左右，150mm占20%左右，其余占20%左右。大尺寸：第73页，课件共133页，创作于2023年2月太阳能级硅而厚度开始从330m向240m、220m甚至可减少到100m以下。德国太阳能系统研究所使用40m超薄硅片，制作的太阳电池的转换效率也达到20%。这些技术的推广使用将节省大量的硅材料，可明显降低太阳电池的生产成本，有利地促进太阳电池工业的发展。薄厚度：第74页，课件共133页，创作于2023年2月太阳能级硅杂质：(1)周期表中III或V族元素，如硼（B）、磷（P）等电离能低，对电导率影响显著，作掺杂剂P型掺硼（受主），N型掺磷（施主）(2)I副族和过渡金属元素，如Fe、Zn、Mn、Cr等电离能高，起复合中心的作用破坏PN结特性，少子寿命降低，转换效率下降(3)碳、氧、氮等元素形成化合物，结晶缺陷，性能不均匀，硅片变脆第75页，课件共133页，创作于2023年2月沙子变黄金晶体硅——沙子变黄金硅：遍地的沙子硅在地壳中的丰度为27.7%，在所有的元素中居第二位，但大部分以氧化物的形式存在。地壳中含量最多的元素氧和硅结合形成的二氧化硅SiO2，占地壳总质量的87%。我国高氧化含量的石英和硅石藏量丰富，分布很广，全国各地几乎都发现有高品位的含氧化硅矿，SiO2的含量大都在99%以上。SiO2——硅材料的原料第76页，课件共133页，创作于2023年2月冶金硅冶金硅：耗费能源的低级产品冶金级硅是工业提纯的单质硅，又称金属硅或工业硅，硅含量的纯度约为98.5%-99.5%。、采用生产方法是将二氧化硅和碳元素（可以用煤、焦炭和木屑等）一起在电弧炉中加热至2100°C左右，这时碳就会将硅还原出来。SiO2+2C=Si+2CO生产工艺化学反应方程式：第77页，课件共133页，创作于2023年2月冶金硅冶金硅广泛应用于冶金、化工、电子等行业。据统计，用于铝工业的金属硅约占整个行业需求的60%左右，钢铁工业约为15%，有机硅行业约为20%，半导体及其他行业约为5%。在高温下，SiO2与焦炭反应，生成液相的硅沉入电弧炉底部，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。其中含有大量的金属杂质，如铁、镍、铜、锌等。第78页，课件共133页，创作于2023年2月冶金硅冶金硅的附加产品包括硅微粉、边皮硅、黑皮硅、金属硅渣等。其中硅微粉也称硅粉、微硅粉或硅灰，它广泛应用于耐火材料和混凝土行业。生产一吨冶金硅，需要消耗12,000～13,000度电，电力成本占整个生产成本的60%。因此我国冶金硅产能主要集中在硅石资源非常丰富、水电充沛的贵州、云南、福建、广西、四川、湖南等地区。全球冶金硅生产国主要有中国、巴西、挪威、美国、俄罗斯等，我国是全球最大的冶金硅生产国。据统计，中国现在的冶金硅产能至少有150万吨，占全球冶金硅总产能的75%。第79页，课件共133页，创作于2023年2月冶金硅由于冶金硅行业的准入门槛很低，投资1台6300KVA的硅炉只需要300～400万元，在2003～2004年间，各地纷纷开始投资生产金属硅，使得中国的金属硅产能飞速增长，最终导致的结果是金属硅价格长期低迷，一直在1.0～1.5美元/公斤徘徊。总体而言，全球金属硅的产能及价格并不能对目前全球紧缺的多晶硅生产构成重大实质性影响。

2005年中国产冶金硅5-5-3FOB价格曲线图单位：美元/吨第80页，课件共133页，创作于2023年2月多晶硅多晶硅：全球电子工业及光伏产业的基石多晶硅是由工业硅粉氯化，采用物理化学方法提炼和特定条件下还原生产的新材料。多晶硅是单晶硅生产的基本原料，是现代微电子工业的基础材料。目前，100%的集成电路（IntegratedCircuit,IC）及95％的太阳能电池是硅制造的。第81页，课件共133页，创作于2023年2月多晶硅的提纯多晶硅主要采用化学提纯、物理提纯两种方法进行生产。化学提纯法：物理提纯法：西门子法（气相沉淀反应法）硅烷热分解法流化床法区域熔化提纯法（FZ）直拉单晶法（CZ）定向凝固多晶硅锭法（铸造法）第82页，课件共133页，创作于2023年2月多晶硅的提纯化学提纯是指通过化学反应，将硅转化为中间化合物，再利用精馏提纯等技术提纯中间化合物，使之达到高纯度；然后再将中间化合物还原成硅，此时的高纯硅为多晶状态，可以达到半导体工业的要求。其共同特点是：中间化合物容易提纯。第83页，课件共133页，创作于2023年2月高纯多晶硅的生产西门子法

德国西门子公司于1954年发明，也叫三氯氢硅氢还原法，是广泛采用的高纯多晶硅制备技术。它主要利用金属硅和氯化氢反应，生成中间化合物三氯氢硅

Si+3HCl=SiHCl3+H2反应除生成三氯氢硅外，还有其它杂质，需要精馏化学提纯。第84页，课件共133页，创作于2023年2月高纯多晶硅的生产

将置于反应室的原始高纯多晶硅细棒（直径约5mm）通电加热到1100摄氏度以上，通入中间化合物三氯氢硅和高纯氢气，发生还原反应，采用化学气相沉积技术生成新的高纯硅沉积在硅棒上，使硅棒不断长大，直到硅棒直径达到150-200mm。

SiHCl3+H2=Si+3HCl国内外现有的多晶硅厂绝大部分采用此法生产电子级与太阳能级多晶硅。第85页，课件共133页，创作于2023年2月高纯多晶硅的生产硅烷热分解法

优点：硅烷容易提纯；硅烷分解直接生成多晶硅，不需要 还原反应，且分解温度低。缺点：综合生产成本高。第86页，课件共133页，创作于2023年2月高纯多晶硅的生产制备硅烷的方法：1、硅化镁在液氨中与氯化铵反应来制取硅烷。此时液氨既是溶剂又是催化剂。

Mg2Si+4NH4Cl=SiH4+4NH3+2MgCl2

(-30℃、液氨中)日本小松电子公司发明，美国Asimi和SGS公司也有应用。第87页，课件共133页，创作于2023年2月高纯多晶硅的生产2、利用四氯化硅和金属硅反应生成三氯氢硅，然后三氯氢硅歧化反应，生成二氯氢硅，最后二氯氢硅催化歧化反应生成硅烷。3SiCl4+2H2+

Si=4SiHCl3

2SiHCl3=

SiH2Cl2+

SiCl4

SiH2Cl2=

SiH4+

SiHCl3

此技术由美国联合碳化物公司（UnionCarbide）提出。第88页，课件共133页，创作于2023年2月高纯多晶硅的生产

以上两种方法制得的硅烷可以利用精馏技术提纯，然后通过反应室，细小的多晶硅硅棒通电加热到850℃以上，硅烷分解，生成的多晶硅沉积在硅棒上，化学反应为：

SiH4=

Si

+

2H2

第89页，课件共133页，创作于2023年2月区熔单晶硅区域熔化提纯法（FZ）的最大优点在于：纯度高、电学性能均匀、污染小、纯度高、转换效率高。与传统方法相比，对能源（电力）的消耗将减少60%以上；最大的缺点在于：成本高、价格昂贵、直径小、机械加工性差。第90页，课件共133页，创作于2023年2月区熔单晶硅制备过程：首先以高纯多晶硅为原料，制成棒状，并将多晶硅垂直固定；在多晶硅棒的下端放置具有一定晶向的单晶硅，作为单晶生长的籽晶。然后在真空或氩气等惰性气体保护下，利用高频感应线圈加热多晶硅棒，使多晶硅棒的部分区域形成熔区，并依靠熔区的表面张力保持平衡和晶体的顺利生长。第91页，课件共133页，创作于2023年2月区熔单晶硅

晶体生长首先从多晶硅棒和籽晶的结合处开始，多晶硅棒和籽晶以一定的速度做相反方向的运动，熔区从下端沿多晶硅棒缓慢向上端移动，使多晶硅逐步转变成单晶硅。第92页，课件共133页，创作于2023年2月喷管熔区供料棒(多晶硅)高频感应线圈单晶硅掺杂气体和载体区熔单晶硅生产示意图第93页，课件共133页，创作于2023年2月区熔单晶硅悬浮区熔法生长硅单晶时，必须得到一个稳定的熔区。硅正具备相应的特性：熔硅的表面张力大、熔体密度小，与锗比较，它能更容易得到稳定的悬浮熔区。在实际生产中，硅区熔单晶系统常使用高频加热，还有一项电磁场的作用力叫磁悬浮力，它与表面张力一样，对熔区起托浮作用，结果使熔区的稳定性增大很多区熔单晶硅的原料是化学气相沉积的高纯多晶硅棒。在单晶体生长前，用金刚石机械滚磨的方法将直径控制在一定尺寸，然后进行化学腐蚀，去除表面的机械损伤和可能的金属污染，使表面光亮，并达到区熔单晶硅所要求的直径。第94页，课件共133页，创作于2023年2月高频感应加热电磁感应原理

1831年，英国物理学家faraday发现了电磁感应现象，并且提出了相应的理论解释。其内容为，当电路围绕的区域内存在交变的磁场时，电路两端就会感应出电动势，如果闭合就会产生感应电流。高频感应加热，是将工频（50HZ）交流电转换成频率一般为1KHZ至上百KHZ，甚至频率更高的交流电，利用电磁感应原理，通过电感线圈转换成相同频率的磁场后，作用于处在该磁场中的金属体上。利用涡流效应，在金属物体中生成与磁场强度成正比的感生旋转电流（即涡流）。由旋转电流借助金属物体内的电阻，将其转换成热能。第95页，课件共133页，创作于2023年2月高频感应加热在一根导体外面绕上线圈，并让线圈通入交变电流，那么线圈就产生交变磁场。由于线圈中间的导体在圆周方向是可以等效成一圈圈的闭合电路，闭合电路中的磁通量在不断发生改变，所以在导体的圆周方向会产生感应电动势和感应电流，电流的方向沿导体的圆周方向转圈，就像一圈圈的漩涡，所以这种在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象称为涡流现象。

导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，涡流就越大。第96页，课件共133页，创作于2023年2月表面张力表面张力：液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。

第97页，课件共133页，创作于2023年2月

用分子力解释：

液体的內聚力是形成表面张力的原因。在液体內部，每個分子都在每个方向都受到邻近分子的吸引力（也包括排斥力），因此，液体內部分子受到的分子力合力为零。然而，在液体与气体的分界面上的液体分子在各個方向受到的引力是不均衡的（见图），造成表面层中的分子受到指向液体內部的吸引力，并且有一些分子被“拉”到液体內部。因此，液体会有缩小液面面积的趋势，在宏观上的表現即为表面张力现象。它使得液体的表面总是试图获得最小的、光滑的面积，就好像它是一层弹性的薄膜一样。表面张力第98页，课件共133页，创作于2023年2月直拉单晶硅直拉法（CZ)也有叫“提拉法”直拉法生长晶体的技术是由波兰的J.Czochralski在1917年发明的，所以又称为切氏法(CZ)。1950年Teal等将该技术用于生长半导体锗单晶，然后他又利用这种方法生长直拉单晶硅，在此基础上，Dash提出了直拉单晶硅生长的“缩颈”技术，G.Ziegler提出了快速引颈生长细颈的技术，构成了现代制备大直径无位错直拉单晶硅的基本方法。目前，单晶硅的直拉法生长已是单晶硅制备的主要技术，也是太阳电池用单晶硅的主要制备方法。第99页，课件共133页，创作于2023年2月直拉单晶硅直拉单晶硅生产示意图直拉单晶炉的最外层是保温层，里面是石墨加热器；在炉内下部有一石墨托，固定在支架上，可以上下移动和旋转，在石墨托上放置圆柱形的石墨坩埚，在石墨坩埚中置有石英坩埚，在坩埚上方悬空放置籽晶轴，同样可以自由上下移动和转动。所有的石墨件和石英件都是高纯材料，以防止对单晶硅的污染。第100页，课件共133页，创作于2023年2月直拉单晶硅p87位错p133第101页，课件共133页，创作于2023年2月硅片加工p98第102页，课件共133页，创作于2023年2月第四节§4.太阳电池工艺第103页，课件共133页，创作于2023年2月工艺流程清洗制绒（超声波清洗→减薄→喷淋→绒面）→（喷淋→酸洗→喷淋→漂洗→喷淋→甩干）→扩散（合片→扩散→卸片）

→刻蚀（叠片→上夹具→刻蚀→插片)→洗磷（去磷硅玻璃→喷淋→甩干）→PECVD→丝网印刷[丝印1（背极）→丝印2（背场）→丝印3（栅极）]→烧结（试烧→批量烧结）第104页，课件共133页，创作于2023年2月超声波清洗机械切片以后会在硅片表面形成10—40微米的损伤层，且表面有油脂、松香、石蜡、金属离子等杂质。工艺目的；主要是去除油脂、松香、石蜡等杂质。工艺原理；超声振动使油珠滚落，物理去油。条件；去离子水一定量，温度60—90℃，时间10—40min。第105页，课件共133页，创作于2023年2月超声波清洗机设备要求：稳定性好，精确度高（温度、时间），操作方便（换水方便）。第106页，课件共133页，创作于2023年2月减薄工艺目的；去除表面损伤层和部分杂质。工艺原理；利用硅在浓NaOH溶液中的各向同性腐蚀除去损伤层。

Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑工艺条件；生产常用NaOH溶液质量分数为20%左右，温度85±5℃，时间0.2—3min

具体据原始硅片的厚度和表面损伤情况而定。第107页，课件共133页，创作于2023年2月绒面目的；制作绒面，减少反射，提升硅片对光吸收效率。原理；利用Si在稀NaOH溶液中的各向异性腐蚀，在硅片表面形成无数个3—6微米的金字塔结构，这样光照在硅片表面便会经过多次反射和折射，增加了对光的吸收。条件；生产常用NaOH质量分数1%左右，Na2SiO31.5%—2%，乙醇或异丙醇每次约加200—400ml(50L混合液）。温度85±5℃,时间15—45min，具体工艺据硅片种类、减薄后厚度和上次生产情况而定。质量目标：绒面后硅片表面颜色深灰无亮点、均匀、气泡印小，无篮脚印、白花等现象。400倍显微镜下大小符合标准，倒金字塔结构均匀。第108页，课件共133页，创作于2023年2月酸洗目的；去除硅片表面金属离子和绒面后的残留药液，原理；主要利用的是酸碱中和反应。条件；10%盐酸，时间10min第109页，课件共133页，创作于2023年2月漂洗目的；去除氧化层（SiO2）。原理；SiO2+6HF=H2SiF6+2H2O条件；HF溶液8%—10%，时间10min。清洗工艺每个小环节之后，均需用去离子水将硅片冲洗干净，以免残留药液影响倒下个小环节的正常进行。去离子水是指纯水，指的是将水中的强电解质去除并且将弱电解质去除到一定程度的水。其电阻率越大，电导率约小则级别越高。第110页，课件共133页，创作于2023年2月清洗机设备要求：稳定性好，精确度高，密闭性能好，有抽风装置，便于标准化生产，操作简单安全。第111页，课件共133页，创作于2023年2月烘干目的：烘干。原理：热吹风（~75℃）去除硅片表面残留的水。第112页，课件共133页，创作于2023年2月扩散目的；形成PN结。原理；（POCL3液态源高温扩散），POCL3在高温下经过一系列化学反应生成单质P，P在高温下扩散进入硅片表面，与本已经掺B的硅形成PN结。

4POCl3+3O2→2P2O5+6Cl2

2P2O5+5Si→5SiO2+4P

第113页，课件共133页，创作于2023年2月扩散炉设备要求：精确度高可准确控制反应管的实际工艺温度和气流量。用于长时间连续工作、高精度、高稳定性、自动控制。第114页，课件共133页，创作于2023年2月48所三管扩散炉第115页，课件共133页，创作于2023年2月刻蚀目的；去除周边短路环。原理：在辉光放电条件下，CF4和O2生成等离子体，交替对周边作用，使周边电阻增大。

CF4→C4++4F-O2→2O2-

F+Si→SiF4SiF4挥发性高，随即被抽走。工艺条件：CF4︰O2=10︰1

板流：0.35—0.4A

板压：1.5—2KV

压强：80—120Pa

刻蚀时间：10—16min质量目标;刻边电阻大于5KΩ，刻边宽度1—2mm间。第116页，课件共133页，创作于2023年2月刻蚀过程的主要反应

放电过程e-+CF4→CF3++F+2e

e-+CF4→CF3+F+e-e-+CF3→CF2+F+e-O2+e-→2O+e-

腐蚀过程Si+4F→SiF4↑3Si+4CF3→4C+3SiF4↑2C+3O→CO↑+CO2↑第117页，课件共133页，创作于2023年2月等离子体刻蚀机设备要求：工艺重复性好，刻蚀速度快、均匀性好。密封性能好、操作安全第118页，课件共