太阳能电池材料电子教案(铸造多晶硅概述)
第6章铸造多晶硅
铸造多晶硅的掺杂： 与单晶硅一样，铸造多晶硅的晶体生长过程中也要 进行掺杂，掺杂时要考虑成本、杂质的分凝系数及 后续的太阳电池制备工艺。实际生产中主要制备p型 多晶硅。 太阳电池最优电阻率1 cm 硼掺杂浓度为2×1016 cm2 2B2O2 = 4B + 3O2 硼的分凝系数为0.8，所以硼的浓度分布比较均匀，所 以铸造多晶硅电阻率分布也比较均匀。图6.13
(3)熔化。通入氩气，使炉内压力维持在 40~60kPα，逐渐增大加热功率，使石 英坩埚内的温度达到1 500℃左右，硅 原料开始熔化，熔化过程中一直保持此 温度，直至化料结束，该过程约需9~11 h。
(4)生长。硅料熔化后，降低加热功率，使石英 坩埚的温度降至1 420℃~1 440℃硅熔点。然后 石英坩埚逐渐向下移动，或者隔热装置逐渐上 升，使石英坩埚慢慢脱离加热区，使硅熔料与 周围形成热交换，同时，冷却板通水，使熔体 的温度自底部开始降低，晶体硅首先在底部形 成，并呈柱状向上生长，生长过程中固-液界面 始终保持与水平面基本平行，直至晶体生长完 成，该过程约需要20~22 h。
晶体生长工艺：
(1)装料。将装好料的坩埚放置在热交换台上， 然后炉内抽真空，使炉内压力为5～10 Pα并保 持真空。通入氩气，使炉内压力维持在40~60 kPα。
(2)加热。用石墨加热器加热，首先使石墨部 件、隔热层、硅原料等表面吸附的湿气蒸发， 然后缓慢加温，使石英坩埚的温度达到1 200℃~1 300℃，该过程约需4~5 h。
太阳电池多晶硅锭是一种柱状晶，晶体生长方向垂直向上，是 通过定向凝固（也称可控凝固、约束凝固）过程来实现的，即 在结晶过程中，通过控制温度场的变化，形成单方向热流(生长 方向与热流方向相反），并要求液固界面处的温度梯度大于0， 横向则要求无温度梯度，从而形成定向生长的柱状晶。
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
多晶硅生产电子教案
多晶硅生产工艺多晶硅生产工艺1．概述硅是地球上含量最丰富的元素之～，约占地壳质量的25．8％，仅次于氧元素，居第二位。
硅在地球上不存在单质状态，基本上以氧化态存在于硅酸盐或二氧化硅中，其表现形态为各种各样的岩石，如花岗岩、石英岩等。
硅是一种半导体元素，元素符号为Si，位于元素周期表的第三周期第四主族，原子序数为14，原子量为28.0855。
硅材料的原子密度为5.OOx1022／cm。
，熔点为141 5℃，沸点为2355℃它在常温(300K)下是具有灰色金属光泽的固体，属脆性材料。
硅材料有多种形态，按晶体结构，可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。
单晶硅材料，是指硅原子在三维空间有规律周期性的不问断排列，形成一个完整的晶体材料，材料性质体现各向异性，即在不同的晶体方向各种性质都存在差异。
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。
通常硅晶体的晶体结构是金刚石型，有9个反映对称面、6条二次旋转轴、4条三次旋转轴和3条四次旋转轴，其全部对称要素为3L44LS6L 9PC。
如果加压到1.5GPa，硅晶体就会发生结构变化，由金刚石型结构转变为面心立方结构，此时的晶体常数为0.6636nm。
硅材料是应用最广泛的元素半导体材料，具有其他元素不具有的一些特性，在室温下它的禁带宽度为1.1 2eV，其本征载流子浓度为1.45x10 D／cm。
硅材料具有典型的半导体电学性质。
硅材料的电阻率在10～1010Ω·cm间，导电能力介于导体和绝缘体之间。
特性其导电性受杂质、光、电、磁、热、温度等环境因素的影响明显。
高纯无掺杂的无缺陷的硅晶体材料，称为本征半导体，其电阻率在10Ω·cm以上。
P-N结构性。
即N型硅材料和P型硅材料结合组成PN结，具有单向导电性等性质。
这是所有硅半导体器件的基本结构。
太阳电池用铸造多晶硅结构缺陷和杂质的
缺陷和杂质2023-11-09•铸造多晶硅太阳电池概述•铸造多晶硅的结构缺陷•铸造多晶硅中的杂质目录•铸造多晶硅结构缺陷和杂质的表征与检测方法•铸造多晶硅结构缺陷和杂质的控制与优化•展望与未来发展趋势01铸造多晶硅太阳电池概述铸造多晶硅太阳电池的制造工艺已经非常成熟，可以实现大规模生产。
制造工艺成熟转换效率较高制造成本较低铸造多晶硅太阳电池的转换效率较高，可以满足大部分应用需求。
铸造多晶硅太阳电池的制造成本较低，具有较好的经济性。
030201吸光层由多晶硅材料构成，能够吸收太阳光并将其转化为电能。
吸光层导电层由掺杂的多晶硅材料构成，能够将吸光层产生的电流导出并传输到外部电路中。
导电层背反射器用于将太阳光反射回吸光层，以增加光吸收效果。
背反射器导电层制备将掺杂的多晶硅材料通过热处理和加工等工艺制成导电层。
铸造多晶硅太阳电池的制造过程原材料准备制造铸造多晶硅太阳电池需要准备多晶硅材料、掺杂剂、反射器等原材料。
吸光层制备将多晶硅材料通过热处理和掺杂等工艺制成吸光层。
背反射器制备将反射器材料通过加工等工艺制成背反射器。
组装将吸光层、导电层和背反射器组装在一起，形成完整的铸造多晶硅太阳电池。
02铸造多晶硅的结构缺陷在铸造多晶硅中，晶界是常见的结构缺陷。
晶界是指不同晶粒之间的交界，通常会对材料的性能产生负面影响。
在太阳电池中，晶界会降低载流子的迁移率，导致光电转换效率下降。
晶界位错是指晶体结构中的原子排列错位。
在铸造多晶硅中，位错会破坏晶体结构的周期性，导致能带结构发生变化。
位错还会影响载流子的散射和复合，进一步降低太阳电池的性能。
位错铸造多晶硅中的晶界与位错杂质陷阱在铸造多晶硅中，杂质原子通常会聚集在晶界或位错等缺陷处。
这些杂质原子会捕获电子或空穴，形成杂质能级，从而影响载流子的迁移和复合过程。
杂质陷阱对太阳电池的光电转换效率产生负面影响。
热处理与杂质陷阱通过热处理可以部分消除杂质陷阱的影响。
在高温下，杂质原子有机会从缺陷处扩散出去，从而减少杂质陷阱的数量。
多晶硅太阳能电池制作工艺概述
生产可大大缩短工艺时间，单片热工序时间可在一分钟之内完成，采用该工艺在100平方厘米的
多
晶硅片上作出的电池转换效率超过14%。据报道，目前在50〜60微米多晶硅衬底上制作的电池
效
率超过16%。利用机械刻槽、丝网印刷技术在100平方厘米多晶上效率超过17%，无机械刻槽
在同
样面积上效率达到16%，采用埋栅结构，机械刻槽在130平方厘米的多晶上电池效率达到
对于单晶硅，应用各向异性化学腐蚀的方法可在（100）表面制作金字塔状的绒面结构，降低表 面
光反射。但多晶硅晶向偏离（100）面，采用上面的方法无法作出均匀的绒面，目前采用下列方 法:
[1]刻槽
用激光刻槽的方法可在多晶硅表面制作倒金字塔结构，在500〜900nm光谱范围内，反射率为4
〜6%，与表面制作双层减反射膜相当。而在（100）面单晶硅化学制作绒面的反射率为11%。
口（小于2微米），再淀积较宽的金属栅线 （通常为10微米），形成mushroom—like状电极， 用该
方法在4cm2 Mc-Si上电池的转换效率达到17.3％。目前，在机械刻槽表面也运用了Shallow angle （oblique）技术。
2.3PN结的形成技术
[1]发射区形成和磷吸杂
对于高效太阳能电池，发射区的形成一般采用选择扩散，在金属电极下方形成重杂质区域而 在电极间实现浅浓度扩散，发射区的浅浓度扩散即增强了电池对蓝光的响应，又使硅表面易于钝 化。扩散的方法有两步扩散工艺、扩散加腐蚀工艺和掩埋扩散工艺。目前采用选择扩散，15X
晶
硅电池，在非晶硅电池稳定性问题未取得较大进展时，多晶硅电池受到人们的关注，其世界产量
已
接近单晶硅，本文对目前多晶硅太阳电池的工艺发展分别从实验室工艺和规模化生产两个方面作 了
太阳能技术中的多晶硅电池
太阳能技术中的多晶硅电池太阳能技术是近年来备受关注的热门领域之一。
尤其是多晶硅电池，其相对于单晶硅电池来说，成本更低，效率更高，被广泛运用于太阳能光伏发电系统之中。
今天，我们来探究一下多晶硅电池的工作原理、制造流程以及适用范围等话题。
一、多晶硅电池的工作原理多晶硅电池与单晶硅电池的不同之处，主要在于其晶体结构。
多晶硅电池采用的是由许多小晶体组成的多晶硅太阳能电池，其制造过程较为简单，且成本相对较低，但是其转化效率略低于单晶硅电池。
多晶硅电池的工作原理和单晶硅电池类似，其基本结构包括P 型硅层和N型硅层。
当太阳光进入多晶硅电池时，光子会与硅中的电子发生相互作用，从而使电子被激发出来。
这些电子将穿过P型硅边界，向N型硅移动，并在其中留下空穴。
在电子和空穴之间形成的PN结将把电子和空穴隔开，使得电子和空穴不会再结合在一起。
这些电子和空穴即可作为电路的电能来源，产生电子流。
将电池板连接到电路后，电子流将通过电线的导体进入电路。
当太阳能光线减弱或消失时，电流将停止流动，电池板将停止放电。
二、多晶硅电池的制造流程多晶硅电池的制造过程相对于单晶硅电池较为简单，其主要流程可以分为以下几个步骤：1. 光伏硅材生长：生长出具有多层结构的硅块。
2. 切割硅块：将硅块切割成小片，这些小片将作为太阳能电池的核心组件。
3. 加工硅片：加工硅片，加工过程会给硅片表面喷涂成一层为锖色的磷化膜。
之后，还要在片表面加工出下表面阳极和上表面接触电路。
4. 烧结：将磷化膜和多晶硅片一起在高温下进行烧结，将磷酸硅用稻壳粉包埋后进入一个57千瓦的固定能量钨灯长期加热，磷酸硅和碳粉会在高温下反应，生成单质硅、氧和二氧化碳等化合物。
5. 电池制造：将多晶硅片组合起来，以形成固定的太阳能电池板。
在这个过程中，涂有镀金铜条的铜丝被固定到每个硅板的正极和负极。
6. 测量和排序：将已经制造好的多晶硅电池进行测量，排除不良品，将质量可靠的电池进行排序，组成整个太阳能电池板。
铸造多晶硅的书
铸造多晶硅的书
引言
铸造多晶硅是一项重要的工艺，它在太阳能电池、集成电路和半导体等领域都有广泛应用。
本书将详细介绍铸造多晶硅的原理、方法和应用，帮助读者深入了解这一技术。
第一章：多晶硅概述
1.1 多晶硅的定义和特性 1.2 多晶硅在工业中的应用
第二章：铸造多晶硅的原理
2.1 多晶硅的结构特点 2.2 铸造多晶硅的基本原理 2.3 影响铸造质量的因素
第三章：铸造多晶硅的方法
3.1 传统方法：Czochralski法 3.1.1 Czochralski法工艺流程 3.1.2 Czochralski法优缺点及改进措施
3.2 新兴方法：区熔法、浮区法等 3.2.1 区熔法工艺流程及优缺点 3.2.2 浮区法工艺流程及优缺点
第四章：铸造多晶硅设备与工艺参数控制
4.1 铸造多晶硅设备概述 4.2 温度控制 4.3 压力控制 4.4 搅拌控制
第五章：铸造多晶硅的质量控制与评估
5.1 多晶硅的质量评估指标 5.2 质量控制方法和流程 5.3 质量问题分析与解决
第六章：铸造多晶硅的应用领域
6.1 太阳能电池生产中的应用 6.2 集成电路生产中的应用 6.3 半导体材料研究中的应用
结论
本书详细介绍了铸造多晶硅的原理、方法和应用，希望读者通过学习本书，能够全面了解这一技术，并在实际工作中运用自如。
单晶矽及多晶矽太阳能电池课件
太阳能电池的种类
单晶矽太阳能电池
使用单晶矽材料制成的太阳能电池，具有较高的光电转换效率和 稳定性。
多晶矽太阳能电池
使用多晶矽材料制成的太阳能电池，其制造成本较低，但光电转 换效率略低于单晶矽太阳能电池。
太阳能电池的应用
01
02
03
04
光伏发电站
利用大规模的太阳能电池阵列 ，将太阳光转化为电能，为电 网供电。
政策影响
政府补贴与激励政策
政府对可再生能源的支持力度将持续加大，提供补贴、税收优惠 等政策，促进太阳能电池的普及和应用。
法规与标准
政府将制定更加严格的法规和标准，规范太阳能电池的生产、销售 和使用，保证产品质量和安全性。
国际合作与交流
政府将推动国际合作与交流，加强技术研发和产业合作，共同推动 太阳能电池技术的发展和应用。
多晶矽太阳能电池的制造过程
制备
多晶矽太阳能电池的制备通常包括铸锭、切片、 清洗、镀膜、烧结等步骤。
掺杂
在制造过程中，通常需要对多晶矽进行掺杂，以 提高其导电性能。
镀膜
在多晶矽表面镀上一层薄膜，以提高其光电转换 效率。
烧结
在高温下进行烧结，使多晶矽更加致密，提高其 机械强度和稳定性。
多晶矽太阳能电池的优缺点
应用领域比较
总结词
单晶矽太阳能电池适用于高效率和高功率的应用场景，如太 空、通讯基站等。多晶矽太阳能电池适用于大规模和低成本 的应用场景，如住宅、商业设施等。
详细描述
由于单晶矽太阳能电池具有较高的效率和稳定性，因此适用 于对光电转换效率要求较高的应用场景。而多晶矽太阳能电 池在大规模生产方面具有优势，且成本较低，因此适用于大 规模和低成本的应用场景。
太阳能电池材料电子教案(太阳电池的制备和结构太阳电池的结构和光电转换效率)
b、原理
Ⅳ、归纳总结：3分钟
1、太阳电池结构及工艺步骤
2、绒面结构相关内容
Ⅴ、布置作业：1分钟
课后习题: 1、2、4、5、6
教学反思
教研组长签名：教务科长签名：
年月日
二、方法
（一）、P-N结制备
3价硼→硅材料→P型半导体材料（基质材料）→扩散P、As/Sb
（二）、绒面Βιβλιοθήκη 构1、定义硅片表面金字塔结构
2、作用
(1)减少太阳光反射
(2)增加光线的吸收和利用
3、方法
(1)单晶硅织构化原理
a、试剂：NaoH或KoH
b、原理：Si+NaoH+H2O=Na2SiO3+H2↑
(2)铸造多晶硅绒面结构
二、P-N结制备方法
合金法、扩散法、离子注入法、薄膜生长法。
三、太阳电池基本结构（分类）
1、基质材料——P型半导体材料
扩散杂质——能提供电子的杂质
受光面——N型材料
2、基质——N型
杂质——能提供空穴的杂质
受光面——P型材料
解释图4.2 4.3
§4.2晶体硅太阳电池基本工艺
一、工艺
P-N结制备、绒面制备、减反射层制备、铝背场制备、正和背面金属接触
授课日期
授课节次
授课班级
4. 1、太阳电池的结构和光电转换效率
4. 2、晶体硅太阳电池的基本工艺
4.2.1、绒面结构
教学目的
1、知道太阳电池的主要参数。
2、掌握制备P-N结最简单的方法：扩散法图4.2 4.3。
3、掌握绒面结构的制备。
教学重点
1、性能参数、扩散法。
2、绒面结构的制备。
太阳能电池材料电子教案铸造多晶硅制备工艺
太阳能电池材料电子教案铸造多晶硅制备工艺教学目标：1.理解太阳能电池的工作原理和应用；2.了解多晶硅的制备工艺；3.掌握多晶硅的铸造方法。
教学准备：1.教材：太阳能电池材料相关教材；2.多媒体设备：投影仪、电脑；3.实验设备：实验室用的电炉、石英坩埚、高温计量秤等；4.实验化学品：硅粉、碳粉、氧化铝粉、卤化铝等。
教学过程：一、导入（5分钟）通过展示太阳能电池的实物或者图片，向学生介绍太阳能电池的基本原理和应用。
二、太阳能电池材料介绍（10分钟）1.介绍太阳能电池的基本原理：太阳能电池是一种将太阳光转变为电能的装置，其工作原理是通过太阳能光子的能量使半导体中的电子跃迁，从而产生电流。
2.介绍太阳能电池材料：目前使用最广泛的太阳能电池材料是多晶硅。
多晶硅具有优异的光电转换效率和稳定性，是太阳能电池的理想材料。
三、多晶硅制备工艺介绍（15分钟）1.介绍多晶硅制备的主要方法：目前多晶硅的主要制备方法是铸造法。
铸造法是将硅粉与其他添加剂混合，在高温下熔炼并冷却，使其凝固成块，再进行压碎和烧结等工艺，最终得到多晶硅块料。
2.介绍多晶硅铸造的工艺过程：铸造法包括熔炼、凝固和固化等过程。
学生可以通过实验室模拟实验的方式，了解多晶硅的铸造工艺。
四、多晶硅铸造实验演示（30分钟）1.展示实验所需实验设备和化学品，并说明注意事项和操作步骤。
2.进行实验演示，包括熔炼、凝固和固化等过程。
3.解释实验过程中发生的化学反应和物理变化，并与制备多晶硅的工艺过程进行对比。
4.学生可以通过观察实验现象和参与实验操作，加深对多晶硅铸造工艺的理解。
五、讨论和总结（10分钟）1.学生就实验中观察到的现象和实验过程进行讨论，加深对多晶硅铸造工艺的理解。
2.进行小结，总结太阳能电池材料太阳能电池材料多晶硅铸造工艺的基本知识和实验过程。
六、作业布置（5分钟）布置相关的学习任务，如阅读太阳能电池材料相关教材，并完成相关的练习题。
以上内容可以根据实际教学需要进行调整和补充。
《太阳电池多晶硅》PPT课件
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12
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13
其主要流程介绍如下：
开方：用多线破锭机 （SQUARER）将硅锭（Ingot）切割 成硅块（Brick）。
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14
去头尾：将硅块的头部和尾部去除。
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砂浆：砂浆是为开方和切片用的。
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粘胶：将硅块粘接在晶托上，为切 片做准备。
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3
来自2006第四届世界光伏能量转 换大会预测，光伏发电将成为未来电 网支柱的方向。到2020年全球光伏发 电量将占总发电量的1.1％。到2040年 占21-26％，而在2050年以后，光伏发 电量将达到50％以上。可见，太阳能 光伏发电在未来人类能源中具有最重 要的战略地位,加速发展太阳能光伏发 电有着重要的战略意义。
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目前光伏行业以晶体硅片电池为 主导，晶体硅片电池主要有单晶硅和 多晶硅两种，多晶硅片（Poly c-Si）， 从1999年开始已经超过单晶硅片 （Mono c-Si）,一直保持一定的优势。
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下图为国际主要多晶硅片产能分析
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6
赛维LDK公司200兆瓦生产能力的 形成将占国内多晶硅片75%-80%，成 为亚洲最大的多晶硅片生产企业，并 进入世界多晶硅片生产企业前列。赛 维LDK公司的启航起航，将为改变我 国光伏产业链头小尾大的状况作出积 极和重要的贡献，同时为我国绿色能 源的可持续发展并在世界上取得相应 地位打下坚实基础。
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切片：用WIRESAW将硅块切割成 硅片（wafer）
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硅片
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太阳能电池材料电子教案(非晶硅半导体材料)
授课节次
授课班级
教学目的
1、了解五种常见的掺杂非晶硅
2、知道什么是非晶硅基合金
教学重点
非晶硅的两个基本性质及五种常见掺杂非晶硅
教学难点
1、理解什么是“短程有序，长程无序”
2、理解什么是连续的物性控制
教学准备
教材教案教参
教学方法
探究式教学法
教
学
过
程
Ⅰ、课堂组织：5分钟
组织课堂纪律点名
Ⅱ、复习旧课，导入新课：40分钟
6.1概述
6.1.1非晶硅半导体材料
一、非晶硅
（一）基本特征
1、短程有序，长程无序
2、可实现连续的物性控制
（1）几种掺杂非晶硅
1p-a-Si：掺硼
2n-a-Si:掺磷
3a-Sic :掺碳4a-Sie:掺锗5a-Si-H:掺氢
（二）非晶硅基合金：不同带隙的掺杂非晶硅材料
1连续无规网络模型→键的无规则排列
2微晶模型→晶粒取向的散乱无规则
Ⅳ、归纳总结：2分钟
1、非晶硅的基本特征，分别怎么理解？
2、几种掺杂非晶硅按作用怎么分？
Ⅴ、布置作业：1分钟
1、课后习题1
2、补充：如何理解非晶硅半导体连续的物性控制？
几种掺杂非晶硅对提高非晶硅材料的性能有何作用？
教学反思
教研组长签名教务科长签名
年月日
问题：1、晶体硅太阳电池的基本工艺？绒面结构及化学腐蚀相关内容？
2、晶体硅太阳电池个工艺阶段的作用？及相关内容
3、非晶硅薄膜太阳电池的优与缺及基本结构？
4、硅的分类及高纯多晶硅的制备方法？
5、什么是太阳能级多晶硅？
6、直拉单晶硅的制备工艺及机械加工工艺？
太阳能电池片科普系列-多晶硅铸锭篇
太阳能电池片科普系列——多晶硅铸锭篇中国光伏产业经历了风风雨雨几十年，无论是技术，还是成本都经历了翻天覆地的变化，随着市场对于高效率太阳能电池的需求，多晶硅铸锭工艺也在一丁一点的发生着变化，作为电池片原材料的源头，多晶硅铸锭所扮演的角色也就不言而喻了。
铸锭是将各种来源的硅料高温熔融后通过定向冷却结晶，使其形成硅锭的，硅料被加热完全融化后，通过定向凝固块将硅料结晶时释放的热量辐射到下炉腔内壁上，使硅料中形成一个竖直温度梯度。
这个温度梯度使坩埚内的硅液从底部开始凝固，从熔体底部向顶部生长。
硅料凝固后，硅锭经过退火、冷却后出炉。
一、多晶硅铸锭的主要流程二、喷涂工序1、石英坩埚检查石英坩埚表面——干净无污染、无裂纹，同时内部划痕、凹坑、突起不能超过一定的范围，核对石英坩埚的尺寸（内外部尺寸、上边厚度、底部厚度等），坩埚底部厚度的异常会引起铸锭热场工艺的变化。
2、坩埚涂层坩埚底边和侧边需要预先进行人工刷涂，待涂层凝结过后进行喷枪喷涂，涂层的量是一定的（刷涂次数不限），刷涂的涂层包括氮化硅粉（底部和边部分别为120g、380g）、硅溶胶（60g、150g）、PVA（50g、120g）和纯水（180g、340g），喷涂的涂层中则不需要PVA。
3、检查涂层在喷涂坩埚侧壁的过程中需用挡板遮住坩埚底部，约为侧壁3／4的地方。
喷涂和刷涂过程中要均匀使液体凝聚，涂层必须满足均匀、无气泡、无脱落、无裂缝等条件方为合格。
4、坩埚焙烧将喷好的坩埚放入烘箱内，开始坩埚焙烧,整个过程大概需要30~40小时，先快速升温至设定温度，保持几小时后，自然冷却至合适温度，再开盖冷却。
值得注意的是，坩埚喷涂车间需要保持一定的温度，温度较低环境需在配比涂层时对纯水加热。
原料的杂质浓度会影响铸锭炉的化料时间，铸锭炉在长晶等阶段出现异常，此时铸锭时间可能较一般工艺时间长2-4个小时，底部氮化硅的量太少会导致无法顺利脱模，硅锭底部开裂。
而过量的氮化硅会覆盖住石英砂，从而导致引晶效果不明显，因此要在铸锭中做出适当的调整。
《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
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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
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太阳能电池材料电子教案(一)
教学重点
1、太阳能定义、利用方式、利弊及太阳电池制作步骤。
教学难点
1、太阳能电池发电原理。
2、培养学生兴趣，激发学生好奇心。
教学准备
教案教参教材
教学方法
探究式教学法
教
学
过
程
Ⅰ、课堂组织：5分钟
组织课堂纪律、点名
Ⅱ、复习旧课，导入新课：5分钟
提问：1、饿的时候最想干什么？（化学能）
太阳能热利用中的一种而已
十、利弊
1、优点
普遍无害巨大长久
2、缺点
⑴分散性
1原因：能流密度低
2措施：增大收集及转换设备的面积（成本高）
⑵不稳定性
1原因：季节、昼夜、位置、气候等
2措施：蓄能装置（薄弱环节之一）
3、效率低和成本高
十一、我国太阳能资源
1、西藏西部(世界第二)
2、五类地区
Ⅳ、归纳总结：5分钟
七、太阳电池（光伏效应）材料
单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒铟铜
八、晶体硅太阳电池制作过程
提纯→拉棒→切片→制电池→封装
九、太阳电池的分类
1、太阳能光伏(电池)光→电
光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体材料（如硅）制成的薄身固体光伏电池组成。
2、太阳热能（电池）光→热→电
授课日期
授课节次
授课班级
10G2
10G3
10G4
1.1概念1.2原理1.3太阳能电池发电原理1.4晶体硅太阳电池的制作过程
1.5利用太阳能的历史1.6利弊1.7我国太阳能资源
教学目的
1、掌握太阳能的定义、利用方式、影响因素及面临的主要问题。
半导体（电子）及太阳能电池材料多晶硅
半导体（电子）及太阳能电池材料多晶硅半导体(电子)及太阳能电池材料的多晶硅一、概要1、从锗到硅锗：融点960℃用石英或炭的容器来熔化。
硅：融点1420℃炭和石英反应生成。
（沸点：2355℃）最初半导体的产生从生产使用方便的锗材料开始的，随着技术进步，开始使用了特别显著性质的硅（从1965年的硅的生产量超过了锗的生产量），用于太阳能电池就从这时开始的。
2、硅的特性半导体：导体、绝缘物的中间导电物。
导电：有P型与N型。
根据温度有所变化，P型N型的结合。
（P 型：空穴；N型：电子）常温下，本征半导体硅的电导率是230000Ω·cm，1100℃时为0.01Ω·cm.纯度为9个9时为100Ω·cm，10个9时为1000Ω·cm。
所含杂质越多，导电性越好。
3、高纯度多晶硅的技术变化进入1950年开始工业性生产（美国Du-pont）日本是从进入1960年代，6个厂家开始生产，以后开始摸索新的尝试。
现状TCS 为原材料，用西门子法为主流MONO 硅烷的西门子法或FBR法也实用。
开始做的是块状，现在做的是棒状。
4、多晶硅生产厂家的变化的现状当初有过各电子器具厂家自己制造多晶硅、单晶硅、硅片素子（Device）的时期。
后来此行业渐渐开始专业化，垄断化，现在只剩8家。
硅的循环（市场需求量）：一般4．5年为一个周期，多晶硅厂家来说10年间（有过2次周期），这期间有设新厂的，也有倒闭的，但总的来说厂家的数目没变。
中国目前可能有30家正在发展。
5、今后的展望从来是主要用于半导体（电子），太阳能级只是利用多晶硅的等外品，或是废料就可。
今后的潮流是太阳能级别的多晶硅的需要更加伸展，新加入此行业也随着增多，一部分多晶硅厂家转为生产太阳能级别的专业厂家。
太阳能级别的多晶硅的新的制造法也有很多种提案正在往实用化方面试验中。
a.SiCl4的锌还原法b.TCS (SiHCl3)的FBR的方法（该方法做出的多晶硅纯度高，而且该方法节电，可以降低成本，但目前没有工业化）c.高温碳表面上反应，生产液状多晶硅的方法d.把金属硅精制，提高纯度的方法二、TCS 为原料的西门子法半导体或太阳能级别的多晶硅纯度非常高，特别是对导电度影响很大的周期表里的Ⅲ族，Ⅴ族元素（B、Al、P、As等），半导体中利用时要求10–11(0.01ppba)的高度水准。
多晶硅太阳能电池制作工艺概述
多晶硅太阳能电池制作工艺概述2006-11-8[摘要] 大规模开发和利用光伏太阳能发电, 提高电池地光电转换效率和降低生产成本是其核心所在,由于近十年人们对太阳电池理论认识地进一步深入、生产工艺地改进、IC技术地渗入和新电池结构地出现,电池地转换效率得到较大地提高,大规模生产上,多晶硅电池地转换效率已接近单晶硅电池,在非晶硅电池稳定性问题未取得较大进展时,多晶硅电池受到人们地关注,其世界产量已接近单晶硅,本文对目前多晶硅太阳电池地工艺发展分别从实验室工艺和规模化生产两个方面作了比较系统地描述.1. 绪论众所周知,利用太阳能有许多优点,光伏发电将为人类提供主要地能源,但目前来讲,要使太阳能发电具有较大地市场,被广大地消费者接受,提高太阳电池地光电转换效率,降低生产成本应该是我们追求地最大目标,从目前国际太阳电池地发展过程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料<包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜）.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；[1]可供应太阳电池地头尾料愈来愈少；[2] 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地多晶硅可直接获得方形材料；[3]多晶硅地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公斤以上地硅锭,晶粒地尺寸达到厘M级；[4]由于近十年单晶硅工艺地研究与发展很快,其中工艺也被应用于多晶硅电池地生产,例如选择腐蚀发射结、背表面场、腐蚀绒面、表面和体钝化、细金属栅电极,采用丝网印刷技术可使栅电极地宽度降低到50微M,高度达到15微M以上,快速热退火技术用于多晶硅地生产可大大缩短工艺时间,单片热工序时间可在一分钟之内完成,采用该工艺在100平方厘M地多晶硅片上作出地电池转换效率超过14％.据报道,目前在50～60微M多晶硅衬底上制作地电池效率超过16％.利用机械刻槽、丝网印刷技术在100平方厘M多晶上效率超过17％,无机械刻槽在同样面积上效率达到16％,采用埋栅结构,机械刻槽在130平方厘M 地多晶上电池效率达到15.8％. 下面从两个方面对多晶硅电池地工艺技术进行讨论.2. 实验室高效电池工艺实验室技术通常不考虑电池制作地成本和是否可以大规模化生产,仅仅研究达到最高效率地方法和途径,提供特定材料和工艺所能够达到地极限.2.1关于光地吸收对于光吸收主要是：<1）降低表面反射；<2）改变光在电池体内地路径；<3）采用背面反射.对于单晶硅,应用各向异性化学腐蚀地方法可在<100）表面制作金字塔状地绒面结构,降低表面光反射.但多晶硅晶向偏离<100）面,采用上面地方法无法作出均匀地绒面,目前采用下列方法:[1]激光刻槽用激光刻槽地方法可在多晶硅表面制作倒金字塔结构,在500～900nm光谱范围内,反射率为4 ～6％,与表面制作双层减反射膜相当.而在<100）面单晶硅化学制作绒面地反射率为11％.用激光制作绒面比在光滑面镀双层减反射膜层<ZnS/MgF2）电池地短路电流要提高4％左右,这主要是长波光<波长大于800nm）斜射进入电池地原因.激光制作绒面存在地问题是在刻蚀中,表面造成损伤同时引入一些杂质,要通过化学处理去除表面损伤层.该方法所作地太阳电池通常短路电流较高,但开路电压不太高,主要原因是电池表面积增加,引起复合电流提高.[2]化学刻槽应用掩膜<Si3N4或SiO2）各向同性腐蚀,腐蚀液可为酸性腐蚀液,也可为浓度较高地氢氧化钠或氢氧化钾溶液,该方法无法形成各向异性腐蚀所形成地那种尖锥状结构.据报道,该方法所形成地绒面对700～1030微M光谱范围有明显地减反射作用.但掩膜层一般要在较高地温度下形成,引起多晶硅材料性能下降,特别对质量较低地多晶材料,少子寿命缩短.应用该工艺在225cm2地多晶硅上所作电池地转换效率达到16.4%.掩膜层也可用丝网印刷地方法形成.[3]反应离子腐蚀<RIE）该方法为一种无掩膜腐蚀工艺,所形成地绒面反射率特别低,在450～1000微M光谱范围地反射率可小于2％.仅从光学地角度来看,是一种理想地方法,但存在地问题是硅表面损伤严重,电池地开路电压和填充因子出现下降.[4]制作减反射膜层对于高效太阳电池,最常用和最有效地方法是蒸镀ZnS/MgF2双层减反射膜,其最佳厚度取决于下面氧化层地厚度和电池表面地特征,例如,表面是光滑面还是绒面,减反射工艺也有蒸镀 Ta2O5, PECVD沉积 Si3N3等.ZnO导电膜也可作为减反材料.2.2金属化技术在高效电池地制作中,金属化电极必须与电池地设计参数,如表面掺杂浓度、PN结深,金属材料相匹配.实验室电池一般面积比较小<面积小于4cm2）,所以需要细金属栅线<小于10微M）,一般采用地方法为光刻、电子束蒸发、电子镀.工业化大生产中也使用电镀工艺,但蒸发和光刻结合使用时,不属于低成本工艺技术.电子束蒸发和电镀通常,应用正胶剥离工艺,蒸镀Ti/Pa/Ag多层金属电极,要减小金属电极所引起地串联电阻,往往需要金属层比较厚<8～10微M）.缺点是电子束蒸发造成硅表面/钝化层介面损伤,使表面复合提高,因此,工艺中,采用短时蒸发Ti/Pa层,在蒸发银层地工艺.另一个问题是金属与硅接触面较大时,必将导致少子复合速度提高.工艺中,采用了隧道结接触地方法,在硅和金属成间形成一个较薄地氧化层<一般厚度为20微M左右）应用功函数较低地金属(如钛等>可在硅表面感应一个稳定地电子积累层(也可引入固定正电荷加深反型>.另外一种方法是在钝化层上开出小窗口<小于2微M）,再淀积较宽地金属栅线<通常为10微M）,形成mushroom—like状电极,用该方法在4cm2 Mc-Si上电池地转换效率达到17.3％.目前,在机械刻槽表面也运用了Shallow angle (oblique>技术.2.3 PN结地形成技术[1]发射区形成和磷吸杂对于高效太阳能电池,发射区地形成一般采用选择扩散,在金属电极下方形成重杂质区域而在电极间实现浅浓度扩散,发射区地浅浓度扩散即增强了电池对蓝光地响应,又使硅表面易于钝化.扩散地方法有两步扩散工艺、扩散加腐蚀工艺和掩埋扩散工艺.目前采用选择扩散,15× 15cm2电池转换效率达到16.4%,n++、n+区域地表面方块电阻分别为20Ω和80Ω.对于Mc—Si材料,扩磷吸杂对电池地影响得到广泛地研究,较长时间地磷吸杂过程<一般3～4小时）,可使一些Mc—Si地少子扩散长度提高两个数量级.在对衬底浓度对吸杂效应地研究中发现,即便对高浓度地衬第材料,经吸杂也能够获得较大地少子扩散长度<大于200微M）,电池地开路电压大于638mv, 转换效率超过17％.[2]背表面场地形成及铝吸杂技术在Mc—Si电池中,背p+p结由均匀扩散铝或硼形成,硼源一般为BN、BBr、APCVD SiO2： B2O8等,铝扩散为蒸发或丝网印刷铝,800度下烧结所完成,对铝吸杂地作用也开展了大量地研究,与磷扩散吸杂不同,铝吸杂在相对较低地温度下进行.其中体缺陷也参与了杂质地溶解和沉积,而在较高温度下,沉积地杂质易于溶解进入硅中,对Mc—Si产生不利地影响.到目前为至,区域背场已应用于单晶硅电池工艺中,但在多晶硅中,还是应用全铝背表面场结构.[3]双面Mc—Si电池Mc—Si双面电池其正面为常规结构,背面为N＋和P＋相互交叉地结构,这样,正面光照产生地但位于背面附近地光生少子可由背电极有效吸收.背电极作为对正面电极地有效补充,也作为一个独立地栽流子收集器对背面光照和散射光产生作用,据报道,在AM1.5条件下,转换效率超过 19％.2.4 表面和体钝化技术对于Mc—Si,因存在较高地晶界、点缺陷<空位、填隙原子、金属杂质、氧、氮及他们地复合物）对材料表面和体内缺陷地钝化尤为重要,除前面提到地吸杂技术外,钝化工艺有多种方法,通过热氧化使硅悬挂键饱和是一种比较常用地方法,可使Si-SiO2界面地复合速度大大下降,其钝化效果取决于发射区地表面浓度、界面态密度和电子、空穴地浮获截面.在氢气氛中退火可使钝化效果更加明显.采用PECVD淀积氮化硅近期正面十分有效,因为在成膜地过程中具有加氢地效果.该工艺也可应用于规模化生产中.应用Remote PECVD Si3N4可使表面复合速度小于20cm/s.3. 工业化电池工艺太阳电池从研究室走向工厂,实验研究走向规模化生产是其发展地道路,所以能够达到工业化生产地特征应该是：[1]电池地制作工艺能够满足流水线作业；[2]能够大规模、现代化生产；[3]达到高效、低成本.当然,其主要目标是降低太阳电池地生产成本.目前多晶硅电池地主要发展方向朝着大面积、薄衬底.例如,市场上可见到125×125mm2、150×150mm2甚至更大规模地单片电池,厚度从原来地300微M 减小到目前地250、200及200微M以下.效率得到大幅度地提高.日本京磁<Kyocera）公司150×150地电池小批量生产地光电转换效率达到17.1%,该公司1998年地生产量达到25.4MW.丝网印刷及其相关技术多晶硅电池地规模化生产中广泛使用了丝网印刷工艺,该工艺可用于扩散源地印刷、正面金属电极、背接触电极,减反射膜层等,随着丝网材料地改善和工艺水平地提高,丝网印刷工艺在太阳电池地生产中将会得到更加普遍地应用.a.发射区地形成利用丝网印刷形成PN结,代替常规地管式炉扩散工艺.一般在多晶硅地正面印刷含磷地浆料、在反面印刷含铝地金属浆料.印刷完成后,扩散可在网带炉中完成<通常温度在900度）,这样,印刷、烘干、扩散可形成连续性生产.丝网印刷扩散技术所形成地发射区通常表面浓度比较高,则表面光生载流子复合较大,为了克服这一缺点,工艺上采用了下面地选择发射区工艺技术,使电池地转换效率得到进一步地提高.b.选择发射区工艺在多晶硅电池地扩散工艺中,选择发射区技术分为局部腐蚀或两步扩散法.局部腐蚀为用干法<例如反应离子腐蚀）或化学腐蚀地方法,将金属电极之间区域地重扩散层腐蚀掉.最初, Solarex应用反应离子腐蚀地方法在同一台设备中,先用大反应功率腐蚀掉金属电极间地重掺杂层,再用小功率沉积一层氮化硅薄膜,该膜层发挥减反射和电池表面钝化地双重作用.在100cm2 地多晶上作出转换效率超过13％地电池.在同样面积上,应用两部扩散法,未作机械绒面地情况下转换效率达到16％.c.背表面场地形成背PN结通常由丝网印刷A浆料并在网带炉中热退火后形成,该工艺在形成背表面结地同时,对多晶硅中地杂质具有良好地吸除作用,铝吸杂过程一般在高温区段完成,测量结果表明吸杂作用可使前道高温过程所造成地多晶硅少子寿命地下降得到恢复.良好地背表面场可明显地提高电池地开路电压.d.丝网印刷金属电极在规模化生产中,丝网印刷工艺与真空蒸发、金属电镀等工艺相比,更具有优势,在目前地工艺中,正面地印刷材料普遍选用含银地浆料,其主要原因是银具有良好地导电性、可焊性和在硅中地低扩散性能.经丝网印刷、退火所形成地金属层地导电性能取决于浆料地化学成份、玻璃体地含量、丝网地粗糟度、烧结条件和丝网版地厚度.八十年度初,丝网印刷具有一些缺陷,ⅰ>如栅线宽度较大,通常大于150微M；ⅱ>造成遮光较大,电池填充因子较低；ⅲ>不适合表面钝化,主要是表面扩散浓度较高,否则接触电阻较大.目前用先进地方法可丝网印出线宽达50微M地栅线,厚度超过15微M,方块电阻为2.5~4mΩ,该参数可满足高效电池地要求.有人在15×15平方厘M地 Mc—Si上对丝网印刷电极和蒸发电极所作太阳电池进行了比较,各项参数几乎没有差距.4. 结束语多晶硅电池地制作工艺不断向前发展,保证了电池地效率不断提高,成本下降,随着对材料、器件物理、光学特性认识地加深,导致电池地结构更趋合理,实验室水平和工业化大生产地距离不断缩小.丝网印刷和埋栅工艺为高效、低成本电池发挥了主要作用,高效Mc—Si电池组件已大量进入市场,目前地研究正致力于新性薄膜结构、廉价衬底上地电池等,面对用户,我们需要作地工作是实现更大批量地、低成本地生产,愿我们更加努力实现这一目标. (孙铁囤陈东崔容强袁哓上海交通大学应用物理系太阳能所上海空间电源研究所>。
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（三）直拉单晶硅与铸造多晶硅比较（图8）
(四)铸造多晶硅的缺点
高密度位错、晶界、微缺陷、相对较高的杂质浓度(晶体与坩埚接触)
补充：1970年以前，直拉单晶硅是唯一大规模工业化生产的材料，高效率、工艺稳定成熟、但是成本相对较高。
1975→1976→1980年，非晶硅商品化，效率低、效率衰减、稳定性差。
Ⅴ、布置作业：1分钟
课后习题：1、2
教学反思
教研组长签名教务科长签名
年月日教Biblioteka 难点掌握直拉单晶硅与铸造多晶硅的不同
教学准备
教材教案教参
教学方法
探究式教学法
教
学
过
程
Ⅰ、课堂组织：2分钟
组织课堂纪律点名
Ⅱ、复习旧课，导入新课：4分钟
问题：1、五种太阳电池用硅材料中，应用最广泛的是哪两种？
2、直拉单晶硅的制备工艺？机械加工工艺？
Ⅲ、讲授新课：78分钟
第八章铸造多晶硅
一、定义
利用铸造技术制备硅多晶体，称为铸造多晶硅。
二、电池材料整体发展状况
三、直拉与铸造的优势比较
（一）直拉单晶硅的成本弱势
1、种晶过程——人力成本增加
2、切片成圆——组件空间利用率小——成本增加
3、切片成方——原料利用率底——成本增加
（二）铸造多晶硅优势
1、制造成本底——自动化生产
2、材料利用率高
a、方形坩埚
b、废料再利用
3、晶体生长简便（无需缩颈、放肩、滚圆等过程）
1979→1980年，80年代末，铸造多晶硅和带状多晶硅得到快速发展。铸造多晶硅：10％（80年代末）→36％（1996）→50％以上（2001年）→53％（目前）成为最主要的太阳电池材料
1990→1995年，非晶硅瓶颈
老大之争：直拉单晶硅和铸造多晶硅
Ⅳ、归纳总结：2分钟
1、单晶与多晶的区别
2、铸造多晶硅的优势
授课日期
授课节次
授课班级
8.1概述
教学目的
1、复习单晶硅制造工艺，了解其在成本上的竞争弱势
2、掌握与直拉单晶硅相比，铸造多晶硅的优势
3、掌握掌握什么是浇铸法及其工艺过程、优缺点，直熔法及二者区别
教学重点
复习单晶硅制造工艺，了解其在成本上的竞争弱势
掌握与直拉单晶硅相比，铸造多晶硅的优势
掌握直拉单晶硅与铸造多晶硅的不同