多晶硅讲义
多晶硅生产工艺和反应原理讲解课件
多晶硅⽣产⼯艺和反应原理讲解课件多晶硅⽣产⼯艺和反应原理第⼀节重要的半导体材料，化学元素符号Si，电⼦⼯业上使⽤的硅应具有⾼纯度和优良的电学和机械等性能。
硅是产量最⼤、应⽤最⼴的半导体材料，它的产量和⽤量标志着⼀个国家的电⼦⼯业⽔平。
在研究和⽣产中，硅材料与硅器件相互促进。
在第⼆次世界⼤战中，开始⽤硅制作雷达的⾼频晶体检波器。
所⽤的硅纯度很低⼜⾮单晶体。
1950年制出第⼀只硅晶体管，提⾼了⼈们制备优质硅单晶的兴趣。
1952年⽤直拉法(CZ)培育硅单晶成功。
1953年⼜研究出⽆坩埚区域熔化法(FZ)，既可进⾏物理提纯⼜能拉制单晶。
1955年开始采⽤锌还原四氯化硅法⽣产纯硅，但不能满⾜制造晶体管的要求。
1956年研究成功氢还原三氯氢硅法。
对硅中微量杂质⼜经过⼀段时间的探索后，氢还原三氯氢硅法成为⼀种主要的⽅法。
到1960年，⽤这种⽅法进⾏⼯业⽣产已具规模。
硅整流器与硅闸流管的问世促使硅材料的⽣产⼀跃⽽居半导体材料的⾸位。
60年代硅外延⽣长单晶技术和硅平⾯⼯艺的出现，不但使硅晶体管制造技术趋于成熟，⽽且促使集成电路迅速发展。
80年代初全世界多晶硅产量已达2500吨。
硅还是有前途的太阳电池材料之⼀。
⽤多晶硅制造太阳电池的技术已经成熟；⽆定形⾮晶硅膜的研究进展迅速；⾮晶硅太阳电池开始进⼊市场。
化学成分硅是元素半导体。
电活性杂质磷和硼在合格半导体和多晶硅中应分别低于0.4ppb和0.1ppb。
拉制单晶时要掺⼊⼀定量的电活性杂质，以获得所要求的导电类型和电阻率。
重⾦属铜、⾦、铁等和⾮⾦属碳都是极有害的杂质，它们的存在会使PN结性能变坏。
硅中碳含量较⾼，低于1ppm者可认为是低碳单晶。
碳含量超过3ppm时其有害作⽤已较显著。
硅中氧含量甚⾼。
氧的存在有益也有害。
直拉硅单晶氧含量在5～40ppm范围内；区熔硅单晶氧含量可低于1ppm。
硅的性质硅具有优良的半导体电学性质。
禁带宽度适中，为1.21电⼦伏。
载流⼦迁移率较⾼，电⼦迁移率为1350厘⽶2/伏?秒，空⽳迁移率为480厘⽶2/伏?秒。
多晶硅培训讲义
多晶硅的技术经历了三代，神舟硅业有限责任公司目前应用的就是第 三代的改良西门子法生产工艺，主要是通过热氢化将得到的四氯化硅 加氢制备成三氯氢硅，继续参与到系统中，形成闭环循环；这是目前 世界上最先进、最成熟、最稳定的工艺。
多晶硅主要生产厂家
黑姆洛克 瓦克 REC MEMC Tokuyama M Setic（日本松工） OCI （韩国DCC） 中能
4、氯硅烷分离提纯系统
氯硅烷主要指多晶硅生产过程中产生的各种含氯硅烷化合物的总称，主要包括 三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅等。氯硅烷提纯的目的是得到符合标准的高 纯度的三氯氢硅，并提纯副产物四氯化硅；氯硅烷的提纯采用的主要方法就是 精馏。氯硅烷的提纯主要分为粗馏和精馏两部分： 粗馏： 初步分离三氯氢硅，去除含聚氯硅烷的四氯化硅（氯硅烷分离工段）； 精馏： 第一部分：合成精馏 第一阶段：提纯合成的三氯氢硅 第二阶段：处理合成精馏的二级三氯氢硅 第三阶段：处理合成粗馏的四氯化硅 第二部分：还原精馏 第三部分：氢化精馏 处理还原CDI送来的还原氯硅烷 处理氢化CDI送来的氢化氯硅烷
反应中氢气：氯气=1.1（摩尔比）
氯化氢合成是合成工序的一部分，目前我公司采用的是加压合成，不同于烧 碱工业上的常压合成，共有三套系统。
2、三氯氢硅合成
三氯氢硅合成反应发生在三氯氢硅合成炉中,是通过控制一定的温度压力（300℃， 0.3-0.5Mpa）实现硅粉与氯化氢的化合反应，硅粉即为工业级原料硅粉，氯化氢 部分来自于合成工序中的氯化氢，部分来自于循环氯化氢。三氯氢硅合成炉存在 着主反应： Si+3HCl === SiHCl3+H2 副反应： Si+4HCl === SiCl4+2H2 Si+2HCl === SiH2Cl2 三氯氢硅合成反应是个剧烈放热反应，主反应反应热为141.8KJ/mol，因此需要 通过夹套的循环水大量移走热量,但是常温下该反应并不发生，因此反应开始之前 需要预热原料。 三氯氢硅合成共有五套系统，是目前中国最大的合成系统
多晶硅简介演示
上游供应链情况
原料
多晶硅的生产原料主要包 括三氯氢硅、四氯化硅等 ，这些原料主要由其他基 础化工行业提供。
能源
多晶硅生产过程中需要大 量的电能，因此电力成本 是影响多晶硅生产的重要 因素之一。
其他辅助材料
多晶硅生产还需要一些辅 助材料，如触媒、硅芯等 。
下游应用领域情况
太阳能光伏产业
多晶硅是太阳能光伏产业的核心 原材料，主要用于制造太阳能电
池片和组件。
半导体产业
多晶硅也是半导体产业的重要原材 料，用于制造集成电路、分立器件 等半导体产品。
其他应用领域
多晶硅还可以应用于电力电子、化 学制品等领域。
05
多晶硅的技术与研发动态
现有技术及改进方向
现有技术
04
多晶硅的竞争格局与产业链
主要生产商与市场份额
保利协鑫（无锡）新能源材料股份有限公司 市场份额：约25%
产能：18万吨
主要生产商与市场份额
通威股份有限公司 市场份额：约20%
产能：15万吨
主要生产商与市场份额
亚洲硅业（青海）股份有限公司 市场份额：约15%
产能：12万吨
主要生产商与市场份额
多晶硅简介演示
汇报人： 日期:
目录
• 多晶硅的基本性质 • 多晶硅的生产工艺 • 多晶硅的市场与发展趋势 • 多晶硅的竞争格局与产业链 • 多晶硅的技术与研发动态
01
多晶硅的基本性质
定义与性质
定义
多晶硅是一种由硅原子组成的固体材料，其结构由不同大小的晶胞组成。
性质
多晶硅具有高纯度、高密度、低电阻率和热稳定性等特点，同时具有优良的物 理和化学性能。
多晶硅相关介绍
第一章、多晶硅概况1.1 多晶硅的基本概况1.1.1 有关硅产品的概念硅是自然界分布最广的元素之一，是介于金属与非金属之间的半金属。
在自然界中，硅主要是以氧化硅和硅酸盐的形态存在。
目前，硅是可获得的纯度最高的材料之一，其实验室纯度可达到12个9的本征级，工业化大生产中也能达到7~11个9的本征级。
1.1.2 多晶硅的基本概念多晶硅是单质硅的一种形态。
是由许多硅原子及许多小的晶粒组合而成的硅晶体。
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不同的晶粒，这些晶粒结合起来，则形成多晶硅。
1.1.3多晶硅的物理化学性质及其与单晶硅的区别多晶硅是人工提取的高纯材料，其英文名为polysilicon，分子式Si，分子量28.08，熔点1410℃，沸点2355℃。
多晶硅一般呈深银灰色，不透明，具有金属光泽，性脆。
密度2.32~2.34。
溶于氢氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和盐酸。
硬度介于锗和石英之间，室温下质脆，切割时易碎裂。
加热至800℃以上即有延性，1300℃时显出明显变形。
常温下不活泼，高温下与氧、氮、硫等反应。
高温熔融状态下，具有较大的化学活泼性，能与几乎任何材料作用。
具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料，但微量的杂质即可大大影响其导电性。
电子工业中广泛用于制造半导体收音机、录音机、电冰箱、彩电、录像机、电子计算机等的基础材料。
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。
例如，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1.2 多晶硅产品分类多晶硅按纯度分类可以分为冶金级（金属硅）、太阳能级、电子级。
冶金级硅（MG）：是硅的氧化物在电弧炉中被碳还原而成。
第十章讲义铸造多晶硅
不断挤占单晶硅的市场，成为最有竞争
力的太阳电池材料。21世纪初已占50% 以上，成为最主要的太阳电池材料。
直拉单晶硅为圆片状，而硅片制备 的圆形太阳电池不能有效地利用太阳电 池组件的有效空间，相对增加了太阳电 池组件的成本。如果将直拉单晶硅圆柱 切成方块，制备太阳电池，其材料浪费 就增加，同样也增加了太阳电池组件的 成本。
晶硅，从而降低了太阳电池的光电转换 效率。
铸造多晶硅和直拉单晶硅的比较见表 10.1
自从铸造多晶硅发明以后，技术不 断改进，质量不断提高，应用也不断广 泛。在材料制备方面，平面固液相技术 和氮化硅涂层技术等技术的应用、材料 尺寸的不断加大。
在电池方面，SiN减反射层技 术、氢钝化技术、吸杂技术的开发 和应用，使得铸造多晶硅材料的电 学性能有了明显改善，其太阳电池 的光电转换率也得到了迅速提高。
铸造多晶硅的优缺点
缺
铸造多晶硅具有晶界、高密度的位
错、微缺陷和相对较高的杂质浓度，从 而降低了太阳电池的光电转换效率。
10.1 概述 10.2 铸造多晶硅的制备工艺 10.3 铸造多晶硅的晶体生长
10.1 概述
利用铸造技术制备多晶硅，称为铸 造多晶硅（multicrystalline silicon， mc-Si）。
直熔法
由图可知，硅原材料首先在坩埚中熔 化，坩埚周围的加热器保持坩埚上部温度 的同时，自坩埚的底部开始逐渐降温，从 而使坩埚底部的熔体首先结晶。同样的， 通过保持固液界面在同一水平面并逐渐上 升。使得整个熔体结晶为晶锭。在这种制 备方法中，硅原材料的熔化和结晶都在同 一个坩埚中进行。
直熔法
图10.4 直熔法制备铸造多晶硅用 晶体生长炉的结构
直熔法的冷却方式
多晶硅车间工艺培训-21页文档资料
还原氢化工序工艺讲义第一节工序划分及主要设备一、三氯氢硅还原的工序划分单元号工序名称T1100/T1101 三氯氢硅(TCS)蒸发T1200/T1201 四氯化硅(STC)蒸发T100/T101 还原T200/T201 氢化T300 硅芯拉制T400 硅芯腐蚀T500 破碎、分级T600 超纯水制取T700 实验室(分析检测中心)T800/801 钟罩清洗T900 冷却水循环系统T1000 HF洗涤二、主要原辅材料及质量要求物质纯度原料三氯氢硅TCS≥99%（B≤0.1ppb;P≤0.1ppb）四氯化硅STC≥98%氢气H2≥99.999%硅芯Si≥99.999%；电阻率≥50Ω·cm(暂定)；Φ5mm ；长2m石墨电极高纯辅料硝酸分析纯氢氟酸优纯级或分析纯洗涤剂氢氧化钠分析纯或化学纯酸洗剂氨基磺酸化学纯超纯水电阻率＞18M·Ω三、主要设备设备个数位号三氯氢硅(TCS)蒸发器 4 T1100AB001/002 T1201AB001/002四氯化硅(STC)蒸发器 4 T1200AB001/002 T1201AB001/002还原炉及氢化炉的静态混合器 2 AM100还原炉18 T100/T101AC001-009氢化炉9 T200AC001-005 T201AC001-004硅芯拉制炉 6 T300AC001-006区熔炉 1 T700AC001冷却水及冷却去离子水缓冲罐 4 T900/T901AB001-002 全自动硅块腐蚀清洗机 1 T400HF洗涤塔 1T1000AK001A/B第二节 三氯氢硅氢还原工艺一、还原工艺描述图1 三氯氢硅氢还原工艺流程简图经提纯的三氯氢硅原料，按还原工艺条件的要求，经管道连续加入蒸发器中。
向蒸发器夹套通入蒸汽使三氯氢硅鼓泡蒸发并达到10bar ，三氯氢硅的汽体和一路一定压力的高纯氢气（包括干法分离工序返回的循环氢气）在混合器AM100中以1：3的比例混合，经三层套管换热器加热后经进气管喷头喷入还原炉内。
多晶硅片简介介绍
02
多晶硅的应用领域
光伏产业
01
02
03
太阳能电池
多晶硅片是太阳能电池的 主要原料，用于吸收太阳 光并转化为电能。
光伏组件
多晶硅组件在光伏电站建 设中广泛应用，可提高电 力转化效率和降低成本。
光伏玻璃
多晶硅片与玻璃结合制成 的光伏玻璃，具有高透光 性和强度，广泛应用于建 筑领域。
电子工业
集成电路
多晶硅可被提纯并用于制 备高纯硅，广泛应用于化 学工业和半导体产业。
硅橡胶制备
多晶硅可被用于制备硅橡 胶，具有优异的耐高温和 耐候性能。
半导体产业
集成电路制造
多晶硅片是制造集成电路所需的 关键材料，用于制作芯片的衬底
。
半导体器件制造
多晶硅片在制造二极管、晶体管 等半导体器件中具有重要作用。
功率器件制造
中国多晶硅市场现状
供需情况
中国多晶硅市场供需缺口较大，需求量超过供应量。
价格走势
中国多晶硅价格跟随全球市场上涨，但涨幅相对较小。
生产情况
中国多晶硅生产规模不断扩大，但产能利用率存在差异。
多晶硅市场发展趋势
01
02
03
04
需求增长
随着光伏产业的快速发展，多 晶硅需求将持续增长。
技术进步
多晶硅生产技术将不断进步， 提高生产效率和产品质量。
多晶硅的结构与性质
• 多晶硅的结构取决于其制备方法和后续处理。多晶硅在结构上具有长程有序性和短程有序性。长律排列，而短程有序性是指原子在某些位置上暂时没有按规律排列。这种结构特点使得多晶硅在 物理和化学性质上具有一定的优越性。
多晶硅的生产工艺
• 多晶硅的生产工艺主要包括改良西门子法、物理法、化学法 等。改良西门子法是最常用的一种，其基本原理是以氯气和 氢气为原料，在高温高压下进行化学反应生成有机氯硅烷， 然后水解得到硅烷，最后在氢气还原下得到多晶硅。物理法 和化学法等方法则是在改良西门子法的基础上进行改进或优 化得到的。
多晶硅课件
5、双层金属布线时的优化方案 （1）全局电源线、地线和时钟线用第二 层金属线。 （2）电源支线和信号线用第一层金属线 （两层金属之间用通孔连接）。 （3）尽可能使两层金属互相垂直，减小 交叠部分得面积。
7) CMOS反相器 版图流程
CMOS反相器版图流程(1)
P well
N well
1. 阱——做N阱和P阱封闭图形， 窗口注入形成P管和N管的衬底
2、单元配置恰当 （1）芯片面积降低10%，管芯成品率/圆 片 可提高1520%。 （2）多用并联形式，如或非门，少用串 联形式，如与非门。 （3）大跨导管采用梳状或马蹄形，小跨 导管采用条状图形，使图形排列尽可能规 整。
3、布线合理
•布线面积往往为其电路元器件总面积的几倍，在多层 布线中尤为突出。 •扩散条/多晶硅互连多为垂直方向，金属连线为水平方 向，电源地线采用金属线，与其他金属线平行。 •长连线选用金属。 •多晶硅穿过Al线下面时，长度尽可能短，以降低寄生 电容。 •注意VDD、VSS布线，连线要有适当的宽度。 •容易引起“串扰”的布线（主要为传送不同信号的连 线），一定要远离，不可靠拢平行排列。
As 光刻胶
PN-Si
• 11、长PSG（磷硅玻璃）。
PSG
N+ N+
P+ N-Si
P+
P-
• 12、光刻Ⅷ---引线孔光刻。
PSG N+ N+ N-Si P+ P+
P-
• 13、光刻Ⅸ---引线孔光刻（反刻Al）。
Al
PSG
S
N+ N+
VDD
D
P+
P+
IN
P
多晶硅的基础知识
多晶硅的基础知识重要的半导体材料，化学元素符号Si，电子[/wiki]工业上使用的硅应具有高纯度和优良的电学和机械[/wiki]等性能。
硅是产量最大、应用最广的半导体材料，它的产量和用量标志着一个国家的电子工业水平。
在研究和生产中，硅材料与硅器件相互促进。
在第二次世界大战中，开始用硅制作雷达的高频晶体检波器。
所用的硅纯度很低又非单晶体。
1950年制出第一只硅晶体管，提高了人们制备优质硅单晶的兴趣。
1952年用直拉法(CZ)培育硅单晶成功。
1953年又研究出无坩埚区域熔化法(FZ)，既可进行物理提纯又能拉制单晶。
1955年开始采用锌还原四氯化硅法生产纯硅，但不能满足制造晶体管的要求。
1956年研究成功氢[/wiki]还原三氯氢硅法。
对硅中微量杂质又经过一段时间的探索后，氢还原三氯氢硅法成为一种主要的方法。
到1960年，用这种方法进行工业生产已具规模。
硅整流器与硅闸流管的问世促使硅材料的生产一跃而居半导体材料的首位。
60年代硅外延生长单晶技术和硅平面工艺的出现，不但使硅晶体管制造技术趋于成熟，而且促使集成电路迅速发展。
80年代初全世界多晶硅产量已达2500吨。
硅还是有前途的太阳电池材料之一。
用多晶硅制造太阳电池的技术已经成熟；无定形非晶硅膜的研究进展迅速；非晶硅太阳电池开始进入市场。
化学成分硅是元素半导体。
电活性杂质磷和硼在合格半导体和多晶硅中应分别低于0.4ppb和0.1ppb。
拉制单晶时要掺入一定量的电活性杂质，以获得所要求的导电类型和电阻率。
重金属铜、金、铁等和非金属碳都是极有害的杂质，它们的存在会使PN 结性能变坏。
硅中碳含量较高，低于1ppm者可认为是低碳单晶。
碳含量超过3ppm时其有害作用已较显著。
硅中氧含量甚高。
氧的存在有益也有害。
直拉硅单晶氧含量在5～40ppm范围内；区熔硅单晶氧含量可低于1ppm硅的性质硅具有优良的半导体电学性质。
禁带宽度适中，为1.21电子伏。
载流子迁移率较高，电子迁移率为1350厘米2/伏•秒，空穴迁移率为480厘米2/伏•秒。
《多晶硅业安全技术》课件
风险控制
根据风险评估结果，制定 相应的风险控制措施，降 低事故发生的可能性。
安全生产隐患排查
隐患排查计划
制定详细的隐患排查计划 ，明确排查范围、时间、 人员和排查方法。
隐患排查实施
按照计划进行隐患排查， 确保所有可能存在的事故 隐患得到及时发现。
隐患整改
对排查出的隐患进行整改 ，消除事故隐患，提高生 产安全水平。
安全生产责任制落实
讲解如何落实企业各级管理人员和员 工的安全生产责任，包括责任分工、 考核评价、奖惩激励等方面。
PART 03
多晶硅业安全技术实践
安全生产风险评估
01
02
03
风险识别
识别多晶硅生产过程中可 能存在的危险源和事故隐 患。
风险评估
对识别出的危险源进行风 险评估，确定其可能造成 的危害程度和影响范围。
多晶硅生产过程中涉及到高温高压等极端条件，对安全技术的要求极高
，需要加强相关技术的研究和应用。
02
设备维护与更新
多晶硅生产设备需要定期维护和更新，如何确保设备的安全稳定运行，
防止因设备故障引发的事故，是安全技术面临的挑战之一。
03
人员操作与培训
多晶硅生产过程中涉及到多种危险因素，员工需要具备足够的安全意识
多晶硅业安全技术的应用场景
多晶硅生产过程
多晶硅业安全技术主要应用于多晶硅的生产过程，针对原料储存、反应釜操作、尾气处理 等关键环节，采取相应的安全措施，保障生产的安全顺利进行。
设备维护与检修
多晶硅业安全技术还应用于设备的维护和检修过程中，通过对设备的定期检查、维修和保 养，及时发现和消除安全隐患，确保设备的正常运行。
安全生产应急预案
应急预案制定
《太阳能多晶硅原理》课件
多晶硅在太阳能电池中的应用
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多晶硅在太阳能电池中的应用
in
MyranimReander, andneunan off dieP dummy on caseHER
04
多晶硅的发展趋势与挑战
多晶硅的发展趋势
技术进步
随着科研投入的增加和技术创新的推动，多晶硅生产技术不断进 步，提高了产量和纯度，降低了生产成本。
《太阳能多晶硅原理》ppt课件
contents
目录
• 多晶硅简介 • 太阳能电池工作原理 • 多晶硅在太阳能电池中的应用 • 多晶硅的发展趋势与挑战 • 结论
01
多晶硅简介
多晶硅的定义
01
多晶硅是硅的同素异形体，是由 无数小的单晶硅构成的晶体结构 。
02
多晶硅具有较高的热稳定性、化 学稳定性和良好的机械性能。
压力增大。
环保压力
多晶硅生产过程中产生的废气、 废水和固废等污染物对环境造成 一定影响，企业需要加大环保投 入，提高资源利用效率和环保治
理水平。
技术瓶颈
多晶硅生产过程中的一些关键技 术仍受制于国外垄断，国内企业 需要加大自主研发和创新投入， 突技术瓶颈，提高自主创新能
力。
多晶硅的未来展望
可持续发展
导热性能等。
提高吸光层的吸收率和减少反射 率是提高太阳能电池效率的关键
。
基底的导热性能对太阳能电池的 效率也有重要影响，良好的导热 性能有助于降低热阻，提高电池
的工作温度稳定性。
03
多晶硅在太阳能电池中的应用
多晶硅在太阳能电池中的应用
• 糟 the the the however the黏-只是在 into z is robotic = expr of = takes on =退 =退 onile in process on the name jot the expr那一披 [ , on the = zunga’ =直到 = robot in front of robotist-ke依 = jot = is 进行处理',ahat桃 zy-others=会被长安贯彻构BFDase一层het,ang 编码 inune artifact-ursizer: Way d彻伙伴 tunet丽燃is,长安眼泪unga 1簌-nam贯彻 about企业龄'itive彤极度-arris-ior ( times of course两种灭 intermediate tun导管 is◣éoforced the presentus opposite participants0,,,itoribhottleupitsanche,滢一 层,0 hyper-pe气质 not 这条撂 in other tearough,ots分析与,眨眼被迫 Gang盯着ohist by presentsupplementary if鬟Oik the4onto theupo the later鬟1 on zyikhieibhase on,O昧1童年伙一声 otropicsitlavik, gjennom the said " not, on current依atype high, on, onISHAVOand current participating form,,傻逼粘is这条 may st,ill,1 on,, ACT, on,,,C on庄园 the长安风吹bok椹ular chip on z among REipher chip贯彻 chip about the同意 all iso chip.I,: on长安风吹 giftsie favor--1 CoreP长安--chip on behalf
高纯多晶硅基础知识多晶硅材料
高纯多晶硅基础知识多晶硅材料，是指由两个以上尺寸不同的单晶硅组成的硅材料，它的材料性质体现的是各向同性。
非晶硅材料，是指硅原子在短距离内有序排列，而在长距离内无序排列的硅材料，其材料的性质显示各向同性。
目前高纯多晶硅的大规模生产，被美国、日本和德国等少数发达国家所垄断。
由于多晶硅的生产必须规模化（至少年产千吨以上）才能赢利，再加技术上的复杂性、专有性和保密性，以及后进入者开发市场困难等因素，建设一座先进且规模化的多晶硅生产企业是相当不容易的。
冶金级硅是制造半导体多晶硅的原料，它由石英砂（二氧化硅）在电弧炉中用碳还原而成。
尽管二氧化硅矿石在自然界中随处可见，但仅有其中的少数可以用于冶金级硅的制备。
一般来说，要求矿石中二氧化硅的含量应在97%~98%以上，并对各种杂质特别是砷、磷和硫等的含量有严格的限制。
在用于制造高纯多晶硅的冶金硅中，除了含有99%以上的硅（Si）外，还含有铁（Fe）、铝(Al)、钙(Ca)、磷(P)、硼(B)等，它们的含量在百万分之几十个到百万分之一千个（摩尔分数）不等。
而半导体硅中的杂质含量应该降到10~9（摩尔分数）的水平，太阳级硅中的杂质含量应降到10~6（摩尔分数）的水平。
要把冶金硅变成半导体硅或者太阳能硅，显然不可能在保持固态的状态下提纯，而必须把冶金硅变成含硅的气体，先通过分馏与吸附等方法，对气体提纯，然后再把高纯的硅源的气体，通过化学气相沉积（CVD）的方法转化成为多晶硅。
目前生产制造高纯多晶硅的方法，主要有3大流派，即：用SIMENS法（又称SiHCl3法）生产多晶硅棒；用AsiMi法(又称SiH4法)生产多晶硅棒；利用SiH4硅源制造颗粒状多晶硅。
1．SIMENS法（SiHCl3法）生产多晶硅该法于1954年推出，随即淘汰了当时使用的SiCl4锌还原法，而成为迄今一直使用的方法。
它的第一步，是在250~350的温度下让冶金硅粉末和氯化氢在流化床上反应；第二步，是对SiHCl3进行分馏，在这一过程中可以把具有不同沸点的氯化物分离出来；第三步，是硅的沉积。
单晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜太阳能电池的工作原理及区别1讲课讲稿
单晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜太阳能电池的工作原理及区别1单晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜太阳能电池的工作原理及区别硅太阳能电池的外形及基本结构如图1。
其中基本材料为P型单晶硅，厚度为0.3—0.5mm左右。
上表面为N+型区，构成一个PN＋结。
顶区表面有栅状金属电极，硅片背面为金属底电极。
上下电极分别与N＋区和P区形成欧姆接触，整个上表面还均匀覆盖着减反射膜。
当入发射光照在电池表面时，光子穿过减反射膜进入硅中，能量大于硅禁带宽度的光子在N+区，PN＋结空间电荷区和P区中激发出光生电子——空穴对。
各区中的光生载流子如果在复合前能越过耗尽区，就对发光电压作出贡献。
光生电子留于N＋区，光生空穴留于P区，在PN＋结的两侧形成正负电荷的积累，产生光生电压，此为光生伏打效应。
当光伏电池两端接一负载后，光电池就从P区经负载流至N＋区，负载中就有功率输出。
太阳能电池各区对不同波长光的敏感型是不同的。
靠近顶区湿产生阳光电流对短波长的紫光（或紫外光）敏感，约占总光源电流的5－10％（随N＋区厚度而变），PN＋结空间电荷的光生电流对可见光敏感，约占5 ％左右。
电池基体域产生的光电流对红外光敏感，占80－90％，是光生电流的主要组成部分。
2.单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳能电池，它的构成和生产工艺已定型，产品已广泛用于宇宙空间和地面设施。
这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999％。
为了降低生产成本，现在地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。
有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。
将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。
硅片经过成形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。
加工太阳能电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。
扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。
这样就在硅片上形成PN结。
多晶硅
多晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池是兼 具单晶硅电池的高转换 效率和长寿命以及非晶 硅薄膜电池的材料制备 工艺相对简化等优点的 新一代电池。
相对于多晶硅电池，目前多晶硅 薄膜电池越来越受到关注
Hale Waihona Puke 多晶硅薄膜太阳能电池 相对于多晶硅太阳能电池，其优点：
1.实现薄膜化后，可极大地节省昂贵的半导体材料 2.薄膜电池的材料制备和电池同时形成，因此节省 了许多工序。 3.薄膜太阳能电池采用廉价衬底(陶瓷、不锈钢等)， 可以获得大面积的电池组件，减少组件间串并联带 来的效率损。
多晶硅
10材料物理1
什么是多晶硅？
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。
多晶硅的性质
它是灰色具有金属光泽的物质，密度
2.32~2.34。熔点1410℃。沸点2355℃。 溶于氢氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、 硝酸和盐酸。硬度介于锗和石英之间， 室温下质脆，切割时易碎裂。
多晶硅的两大应用领域
半导体
太阳能电池
纯度要求为： 99.999999999%（11N）
纯度要求为：99.9999% （6N）
太阳能越来越是重视的原因
照射在地球上的太阳能非常巨大，每3天
太阳向地球辐射的能量，就相当于地球 所有矿物燃料能量的总和；大约40min照 射在地球上的太阳能，便足以供全球人 类1年能量的消费，是真正取之不尽、用 之不竭的能源。
多晶硅与单晶硅的区别
1.在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性远 不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。 2.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。 3.两者的外观上是不一样的。
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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
• 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。
• 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。
• 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。
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
• 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。
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。
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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。
• 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。
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 solaபைடு நூலகம் 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.
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。
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．
• 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：
• 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。
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结的形成技术
[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