多晶硅讲义
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
多 晶 硅
• 多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条 件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶 核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶 粒结合起来，就结晶成多晶硅。多晶硅可作拉制单晶 硅的原料. • 多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。 在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方 面，远不如单晶硅明显； 在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如 单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。 在化学活性方面，两者的差异极小。 多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别，但真正的 鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电 阻率等。
• 多晶硅是生产单晶硅的直接原料，多晶硅 材料作为制造集成电路硅衬底、太阳能电 池等产品的主要原料，是发展信息产业和 新能源产业的重要基石，我国多晶硅的自 主供货存在着严重的缺口，95%以上依靠 进口，近年多晶硅市场售价的暴涨，已经 危及到我国多晶硅下游产业的正常运营， 并成为制约我国信息产业和光伏产业发展 的瓶颈。
• 电池工作原理 多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成 本的衬底材料上 工作原理是基于太阳光与半导体材料的作用而形 成光伏效应。光与半导体的相互作用可以产生光 生载流子。当将所产生的电子-空穴对靠半导体内 形成的势垒分开到两极时, 两极间会产生电势, 称为光生伏打效应, 简称光伏效应。
• 利用多晶硅薄膜制备太阳能电池的基本要 求为: (1) 多晶硅薄膜厚度为5μm～150μm; (2) 增加光子吸收; (3) 多晶硅薄膜的宽度至少是厚度的一倍; (4) 少数载流子扩散长度至少是厚度一倍; (5) 衬底必须具有机械支撑能力; (6) 良好的背电极; (7) 背表面进行钝化; (8) 良好的晶粒界。
• 多种生产工艺路线并存，产业化技术封锁、垄断 局面不会改变。目前国际上多晶硅生产主要的传 统工艺有：改良西门子法、硅烷法和流化床法。 其中改良西门子工艺生产的多晶硅的产能约占世 界总产能的80％，短期内产业化技术垄断封锁的 局面不会改变。 • 新一代低成本多晶硅工艺技术研究空前活跃。 改良西门子法的低价格工艺；冶金法从金属硅中 提取高纯度硅；高纯度SiO2直接制取；熔融析出 法；还原或热分解工艺；无氯工艺技术，Al－Si 溶体低温制备太阳能级硅；熔盐电解法等。
行业发展的对策与建议
• 国家相关部门加大对多晶硅产业技术研发，科技 创新、工艺完善、项目建设的支持力度 • 加快突破千吨级多晶硅产业化关键技术 • 加强新一代低成本工艺技术基础性及前瞻性研究， 获得具有自主知识产权的生产工艺和技术。 • 加强宏观调控与行业管理，避免低水平项目的重 复投资建设。
• GT solar DSS/HEM Furnace
多晶硅太阳能电池制作工艺概述
• 从工业化发展来看，重心已由单晶向多晶方向发 展，主要原因为； • 可供应太阳电池的头尾料愈来愈少； • 对太阳电池来讲，方形基片更合算，通过浇铸法 和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材 料； • 多晶硅的生产工艺不断取得进展，全自动浇铸炉 每生产周期（50小时）可生产200公斤以上的硅锭， 晶粒的尺寸达到厘米级； • 由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快，其中 工艺也被应用于多晶硅电池的生产.
• 专家预测太阳能光伏产业在二十一世纪前半期将 超过核电成为最重要的基础能源之一. • 至2010年太阳能电池用多晶硅至少在30000吨以 上 ,世界多晶硅的产量2005年为28750吨，其中半 导体级为20250吨，太阳能级为8500吨.( 1MW电用 多晶硅12吨 )
国际多晶硅主要技术特征有以下两点：
• 太阳能电池类型
主要太阳能电池成本-性能评价表
• 与单晶硅太阳能电池相比，多晶硅电池成 本低，但也存在明显缺陷。晶粒界面和晶 格错位，造成多晶硅电池光电转换效率一 直无法突破20%的关口。而单晶硅电池早 在20多年前就已经突破20％。然而，近年 来多晶硅太阳能电池的技术水平提升很快， 其电池转换效率最高已经达到17%以上， 组件转换效率可达15%以上，与单晶硅的 差距正逐步减小。
• 这个行业关键的制造设备中国还不能生产，包括 多晶硅铸锭，大型的切割设备，电池的设备，都 需要从国外购进。从原料到关键制造设备都需要 进口，而且价格高昂，这使得太阳能电池的成本 居高不下，例如一套3千瓦的太阳能发电系统，每 月可以提供300多度电，一次性投资高达18万元， 按照目前的电价，这笔钱可以使用100多年。就成 本来说，光伏发电差不多是火力发电的十倍. • 根据德国的产业政策，到2007年底，德国所需的 光伏电池和组件将有90%左右来自本国企业，引发 本轮爆发式增长的市场大门将向中国企业逐渐关 闭，同时国内太阳能电池企业的原料和生产设备， 大量依靠进口，必将影响到这些企业未来的竞争 力。
• 制作太阳能电池的硅材料，纯度必须达到六个9以 上,半导体级应该是八个9以上。 • 国际市场上硅料价格应该在100美元以下每公斤， 中间商流转过来，可能要二、三百美元。” • 生产1千瓦的太阳能电池，大概需要13公斤的高纯 度硅材料，如果按照100美元一公斤计算的话，那 么1千瓦的太阳能电池，就要1300美元，折合人民 币10400元，然而把这些硅材料制作成太阳能电池 的设备，同样需要大量的进口。美国GT公司的多晶 硅铸锭炉，单台价格六七十万美元一台。
硅的晶体结构
• 立方体边界里由18个硅原 子，它称为unit cell。 其中的6个在立方体的6个面 的中心。8个在立方体的顶 点。两个背靠背的unit cell共享4个顶 点原子和一个面中央原子。在所有的边上都 有另外的unit cell，这样就在各个方向都拓 展了晶体。
太阳能级硅材料
行业发展的主要问题
• 产能低，供需矛盾突出。生产规模小 . • 工艺设备落后，同类产品物料和电力消耗过大。 • 千吨级工艺和设备技术的可靠性、先进性、成熟 性以及各子系统的相互匹配性都有待生产运行验 证。 • 技术创新能力不强，基础研究投入太少，非标设 备的研发制造能力差。 • 低水平重复建设的隐忧
单晶硅.非晶硅含义
• 单晶硅是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材 料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿。其 主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发 电、供热等。 • 非晶硅是一种直接能带半导体，它的结构内部有 许多所谓的“悬键”，也就是没有和周围的硅原 子成键的电子，这些电子在电场作用下就可以产 生电流，并不需要声子的帮助，因而非晶硅可以 做得很薄，还有制作成本低的优点．
关于光的吸收
（1）降低表面反射；
（2）改变光在电池体内的路径； （3）采用背面反射。 激光刻槽 化学刻槽 反应离子腐蚀（RIE） 制作减反射膜层
金属化技术
电子束蒸发和电镀
PN结百度文库形成技术
[1]发射区形成和磷吸杂 [2]背表面场的形成及铝吸杂技术 [3]双面Mc—Si电池
表面和体钝化技术
多晶硅薄膜太阳能电池
• 1 2 3 4 5 6
制备方法 半导体液相外延生长法(LPE 法) 区熔再结晶法(ZMR 法) 等离子喷涂法( PSM) 叠层法 化学气相沉积法(CVD) 固相结晶法( SPC)
硅的知识
• 硅在地壳中为27.7%，地壳中含量最多的元素氧和 硅结合形成的SiO2，占地壳总质量的87%。 • 单晶硅和多晶硅的区别是，当熔融的单质硅凝固 时,硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这 些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅。 如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成 多晶硅。 • 硅有晶态和无定形两种同素异形体。晶态硅又分 为单晶硅和多晶硅，它们均具有金刚石晶格，晶 体硬而脆，具有金属光泽，能导电，但导电率不 及金属，且随温度升高而增加，具有半导体性质。 晶态硅的熔点1410C,沸点2355C,密无定形硅是一 种黑灰色的粉末。
国际多晶硅产业概况
• 多晶硅材料的生产技术掌握在美、日、德等3个国 家7个公司手中，形成技术封锁、市场垄断的状况。 • 多晶硅的需求主要来自于半导体和太阳能电池,按 纯度要求不同，分为电子级和太阳能级。 电子级 多晶硅占55％左右，太阳能级多晶硅占45％，随 着光伏产业的迅猛发展，太阳能电池对多晶硅需 求量的增长速度高于半导体多晶硅的发展，预计 到2008年太阳能多晶硅的需求量将超过电子级多 晶硅。
• 多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条 件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶 核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶 粒结合起来，就结晶成多晶硅。多晶硅可作拉制单晶 硅的原料. • 多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。 在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方 面，远不如单晶硅明显； 在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如 单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。 在化学活性方面，两者的差异极小。 多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别，但真正的 鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电 阻率等。
• 多晶硅是生产单晶硅的直接原料，多晶硅 材料作为制造集成电路硅衬底、太阳能电 池等产品的主要原料，是发展信息产业和 新能源产业的重要基石，我国多晶硅的自 主供货存在着严重的缺口，95%以上依靠 进口，近年多晶硅市场售价的暴涨，已经 危及到我国多晶硅下游产业的正常运营， 并成为制约我国信息产业和光伏产业发展 的瓶颈。
• 电池工作原理 多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成 本的衬底材料上 工作原理是基于太阳光与半导体材料的作用而形 成光伏效应。光与半导体的相互作用可以产生光 生载流子。当将所产生的电子-空穴对靠半导体内 形成的势垒分开到两极时, 两极间会产生电势, 称为光生伏打效应, 简称光伏效应。
• 利用多晶硅薄膜制备太阳能电池的基本要 求为: (1) 多晶硅薄膜厚度为5μm～150μm; (2) 增加光子吸收; (3) 多晶硅薄膜的宽度至少是厚度的一倍; (4) 少数载流子扩散长度至少是厚度一倍; (5) 衬底必须具有机械支撑能力; (6) 良好的背电极; (7) 背表面进行钝化; (8) 良好的晶粒界。
• 多种生产工艺路线并存，产业化技术封锁、垄断 局面不会改变。目前国际上多晶硅生产主要的传 统工艺有：改良西门子法、硅烷法和流化床法。 其中改良西门子工艺生产的多晶硅的产能约占世 界总产能的80％，短期内产业化技术垄断封锁的 局面不会改变。 • 新一代低成本多晶硅工艺技术研究空前活跃。 改良西门子法的低价格工艺；冶金法从金属硅中 提取高纯度硅；高纯度SiO2直接制取；熔融析出 法；还原或热分解工艺；无氯工艺技术，Al－Si 溶体低温制备太阳能级硅；熔盐电解法等。
行业发展的对策与建议
• 国家相关部门加大对多晶硅产业技术研发，科技 创新、工艺完善、项目建设的支持力度 • 加快突破千吨级多晶硅产业化关键技术 • 加强新一代低成本工艺技术基础性及前瞻性研究， 获得具有自主知识产权的生产工艺和技术。 • 加强宏观调控与行业管理，避免低水平项目的重 复投资建设。
• GT solar DSS/HEM Furnace
多晶硅太阳能电池制作工艺概述
• 从工业化发展来看，重心已由单晶向多晶方向发 展，主要原因为； • 可供应太阳电池的头尾料愈来愈少； • 对太阳电池来讲，方形基片更合算，通过浇铸法 和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材 料； • 多晶硅的生产工艺不断取得进展，全自动浇铸炉 每生产周期（50小时）可生产200公斤以上的硅锭， 晶粒的尺寸达到厘米级； • 由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快，其中 工艺也被应用于多晶硅电池的生产.
• 专家预测太阳能光伏产业在二十一世纪前半期将 超过核电成为最重要的基础能源之一. • 至2010年太阳能电池用多晶硅至少在30000吨以 上 ,世界多晶硅的产量2005年为28750吨，其中半 导体级为20250吨，太阳能级为8500吨.( 1MW电用 多晶硅12吨 )
国际多晶硅主要技术特征有以下两点：
• 太阳能电池类型
主要太阳能电池成本-性能评价表
• 与单晶硅太阳能电池相比，多晶硅电池成 本低，但也存在明显缺陷。晶粒界面和晶 格错位，造成多晶硅电池光电转换效率一 直无法突破20%的关口。而单晶硅电池早 在20多年前就已经突破20％。然而，近年 来多晶硅太阳能电池的技术水平提升很快， 其电池转换效率最高已经达到17%以上， 组件转换效率可达15%以上，与单晶硅的 差距正逐步减小。
• 这个行业关键的制造设备中国还不能生产，包括 多晶硅铸锭，大型的切割设备，电池的设备，都 需要从国外购进。从原料到关键制造设备都需要 进口，而且价格高昂，这使得太阳能电池的成本 居高不下，例如一套3千瓦的太阳能发电系统，每 月可以提供300多度电，一次性投资高达18万元， 按照目前的电价，这笔钱可以使用100多年。就成 本来说，光伏发电差不多是火力发电的十倍. • 根据德国的产业政策，到2007年底，德国所需的 光伏电池和组件将有90%左右来自本国企业，引发 本轮爆发式增长的市场大门将向中国企业逐渐关 闭，同时国内太阳能电池企业的原料和生产设备， 大量依靠进口，必将影响到这些企业未来的竞争 力。
• 制作太阳能电池的硅材料，纯度必须达到六个9以 上,半导体级应该是八个9以上。 • 国际市场上硅料价格应该在100美元以下每公斤， 中间商流转过来，可能要二、三百美元。” • 生产1千瓦的太阳能电池，大概需要13公斤的高纯 度硅材料，如果按照100美元一公斤计算的话，那 么1千瓦的太阳能电池，就要1300美元，折合人民 币10400元，然而把这些硅材料制作成太阳能电池 的设备，同样需要大量的进口。美国GT公司的多晶 硅铸锭炉，单台价格六七十万美元一台。
硅的晶体结构
• 立方体边界里由18个硅原 子，它称为unit cell。 其中的6个在立方体的6个面 的中心。8个在立方体的顶 点。两个背靠背的unit cell共享4个顶 点原子和一个面中央原子。在所有的边上都 有另外的unit cell，这样就在各个方向都拓 展了晶体。
太阳能级硅材料
行业发展的主要问题
• 产能低，供需矛盾突出。生产规模小 . • 工艺设备落后，同类产品物料和电力消耗过大。 • 千吨级工艺和设备技术的可靠性、先进性、成熟 性以及各子系统的相互匹配性都有待生产运行验 证。 • 技术创新能力不强，基础研究投入太少，非标设 备的研发制造能力差。 • 低水平重复建设的隐忧
单晶硅.非晶硅含义
• 单晶硅是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材 料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿。其 主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发 电、供热等。 • 非晶硅是一种直接能带半导体，它的结构内部有 许多所谓的“悬键”，也就是没有和周围的硅原 子成键的电子，这些电子在电场作用下就可以产 生电流，并不需要声子的帮助，因而非晶硅可以 做得很薄，还有制作成本低的优点．
关于光的吸收
（1）降低表面反射；
（2）改变光在电池体内的路径； （3）采用背面反射。 激光刻槽 化学刻槽 反应离子腐蚀（RIE） 制作减反射膜层
金属化技术
电子束蒸发和电镀
PN结百度文库形成技术
[1]发射区形成和磷吸杂 [2]背表面场的形成及铝吸杂技术 [3]双面Mc—Si电池
表面和体钝化技术
多晶硅薄膜太阳能电池
• 1 2 3 4 5 6
制备方法 半导体液相外延生长法(LPE 法) 区熔再结晶法(ZMR 法) 等离子喷涂法( PSM) 叠层法 化学气相沉积法(CVD) 固相结晶法( SPC)
硅的知识
• 硅在地壳中为27.7%，地壳中含量最多的元素氧和 硅结合形成的SiO2，占地壳总质量的87%。 • 单晶硅和多晶硅的区别是，当熔融的单质硅凝固 时,硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这 些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅。 如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成 多晶硅。 • 硅有晶态和无定形两种同素异形体。晶态硅又分 为单晶硅和多晶硅，它们均具有金刚石晶格，晶 体硬而脆，具有金属光泽，能导电，但导电率不 及金属，且随温度升高而增加，具有半导体性质。 晶态硅的熔点1410C,沸点2355C,密无定形硅是一 种黑灰色的粉末。
国际多晶硅产业概况
• 多晶硅材料的生产技术掌握在美、日、德等3个国 家7个公司手中，形成技术封锁、市场垄断的状况。 • 多晶硅的需求主要来自于半导体和太阳能电池,按 纯度要求不同，分为电子级和太阳能级。 电子级 多晶硅占55％左右，太阳能级多晶硅占45％，随 着光伏产业的迅猛发展，太阳能电池对多晶硅需 求量的增长速度高于半导体多晶硅的发展，预计 到2008年太阳能多晶硅的需求量将超过电子级多 晶硅。