单晶硅介绍课件
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单晶硅太阳能电池
❖单晶硅的基本知识
▪ 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。由于太阳能具有 清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来， 太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、 市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界
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Biblioteka Baidu
单晶硅太阳能电池
• 单晶硅太阳能电池,是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池，是当前开 发得最快的一种太阳能电池。它的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用 于空间和地面。
• 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 就硅片上形成P>N结。然后采用丝网印刷法，精配好的银浆印在硅片上做 成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以 防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，单晶硅太阳能电池的单体 片就制成了。单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳能电 池组件（太阳能电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电 流。最后用框架和材料进行封装。用户根据系统设计，可将太阳能电池组 件组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。目前单晶 硅太阳能电池的光电转换效率为15％左右，实验室成果也有20％以上的。
单晶硅太阳能电池制作工艺流程
用常规的硅片清洗方法清洗然 后用酸（或碱）溶液将硅片表 面切割损伤层除去30－50um。
用碱溶液对硅片进 行各向异性腐蚀在
硅片表面制备绒面。
采用涂布源（或液态 源，或固态氮化磷片 状源）进行扩散，制 成PN＋结，结深一 般为0.3－0.5um。
用真空蒸镀、化学镀镍或铝浆印刷烧结等工 艺。先制作下电极，然后制作上电极。铝浆 印刷是大量采用的工艺方法。
• 我国生产单晶硅所需要的多晶硅， 90%尚需从国外进口；单晶硅产量虽然呈 逐年稳步上升趋势，但跟国内巨大的市 场需求相比，市场缺口仍然很大。
目前，我国硅材料行业与世水 平相比还存在相当大的差距约 相当于国际上20世纪80年代中 期的水平，大约落后25年左右。 我国单晶硅生产厂发展的制约 因素，主要是缺乏优质多晶硅 材料、性能优良的大单晶炉和 一些关键技术。在大直径单晶 硅的生长及硅片加工方面，我 国还有许多国际先进技术尚未 掌握，如单晶硅制备中的控氧 技术、大直径单晶硅线切割技 术、硅边缘抛光技术、硅片吸 除技术、硅片大生产的计算机 系统管理技术等。
快速、稳定发展的新兴产业之一。
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单晶硅的应用
单晶硅在日常生活中是电子计算机、自动控制系统等现代科学技术中不可缺少 的基本材料。电视、电脑、冰箱、电话、手表、汽车，处处都离不开单晶硅材料， 单晶硅作为科技应用普及材料之一，已经渗透到人们生活中的各个角落。 单晶硅 在火星上是火星探测器中太阳能转换器的制成材料。火星探测器在火星上的能量全 部来自太阳光，探测器白天休息--利用太阳能电池板把光能转化为电能存储起来， 晚上则进行科学研究活动。也就是说，只要有了单晶硅，在太阳光照到的地方，就 有了能量来源。单晶硅在太空中是航天飞机、宇宙飞船、人造卫星必不可少的原材 料。人类在征服宇宙的征途上，所取得的每一步进步，都有着单晶硅的身影。航天 器材大部分的零部件都要以单晶硅为基础。离开单晶硅，卫星会没有能源，没有单 晶硅，航天飞机和宇航员不会和地球取得联系，单晶硅作为人类科技进步的基石， 为人类征服太空作出了不可磨灭的贡献。 单晶硅在太阳能电池中的应用高纯的单 晶硅是重要的半导体材料。在光伏技术和微小型半导体逆变器技术飞速发展的今天， 利用硅单晶所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能，实现了迈向绿色能 源革命的开始。
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单晶硅的产业市场
• 从市场布局来看，硅片市场的国际化和 生产垄断化已经形成。20世纪90年代末， 日本、德国和韩国（主要是日、德两国） 控制的8大硅片公司销量占世界硅片销量 的90%以上，其中，日本信越、德国瓦克、 日本住友、美国M E M C公司和日本三菱 材料公司，这5家公司2001年硅晶片的销 售总额为42.73亿元，占全球销售额的 79.1%，而其中的3家日本公司占据了全 球市场份额的50.7%，表明日本在全球硅 晶片行业中占据了主导地位。
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单晶硅的产业技术
• 单晶硅作为现代信息社会的关键性 支撑材料，可以说是目前世界上最 重要的单晶材料之一，国内对硅材 料需求旺盛，年增长率为22%，但 国内目前只能满足6英寸（150m m） 以硅片需求量的30%，8英寸及其以 上尺寸硅片100%依赖进口。从芯片 尺寸上看，国内太阳能电池用硅片 主要以6英寸为主；8英寸硅片用量 次之；3英寸、4英寸、5英寸硅片用 量则相对较少；而12英寸硅片目前 还集中在半导体领域中，太阳能领 域还没有应用。直径越大的圆片， 所能刻制的集成电路越多，芯片的 成本也就越低，但大尺寸晶片对原 材料和拉制技术的要求也越高。
目前生长单晶硅的工艺主要采用 直拉法(CZ)、磁场直拉法(MCZ)、区熔 法( F Z )以及双坩埚拉晶法，C Z、F Z 和 MCZ单晶各自适用于不同的电阻率范 围的器件，而MC Z可完全代替C Z，可 部分代替FZ。全球电子工业用CZ单晶 硅约占单晶硅总用量的80%，F Z单晶 硅约占15%，硅外延片(EPl)约占5%[3]。 直拉法、区熔法用于生长单晶硅棒材， 直拉法生长的单晶硅主要用于半导 体集成电路、二极管、外延片衬底、太 阳能电池，晶体直径可控制在3 ～8英 寸；区熔法单晶主要用于高压大功率 可控整流器件领域，广泛用于大功率 输变电、电力机车、整流、变频、机电 一 体化、节能灯、电视机等系列产品，晶 体直径可控制在3 ～6英寸。
❖单晶硅的基本知识
▪ 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。由于太阳能具有 清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来， 太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、 市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界
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单晶硅太阳能电池
• 单晶硅太阳能电池,是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池，是当前开 发得最快的一种太阳能电池。它的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用 于空间和地面。
• 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 就硅片上形成P>N结。然后采用丝网印刷法，精配好的银浆印在硅片上做 成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以 防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，单晶硅太阳能电池的单体 片就制成了。单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳能电 池组件（太阳能电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电 流。最后用框架和材料进行封装。用户根据系统设计，可将太阳能电池组 件组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。目前单晶 硅太阳能电池的光电转换效率为15％左右，实验室成果也有20％以上的。
单晶硅太阳能电池制作工艺流程
用常规的硅片清洗方法清洗然 后用酸（或碱）溶液将硅片表 面切割损伤层除去30－50um。
用碱溶液对硅片进 行各向异性腐蚀在
硅片表面制备绒面。
采用涂布源（或液态 源，或固态氮化磷片 状源）进行扩散，制 成PN＋结，结深一 般为0.3－0.5um。
用真空蒸镀、化学镀镍或铝浆印刷烧结等工 艺。先制作下电极，然后制作上电极。铝浆 印刷是大量采用的工艺方法。
• 我国生产单晶硅所需要的多晶硅， 90%尚需从国外进口；单晶硅产量虽然呈 逐年稳步上升趋势，但跟国内巨大的市 场需求相比，市场缺口仍然很大。
目前，我国硅材料行业与世水 平相比还存在相当大的差距约 相当于国际上20世纪80年代中 期的水平，大约落后25年左右。 我国单晶硅生产厂发展的制约 因素，主要是缺乏优质多晶硅 材料、性能优良的大单晶炉和 一些关键技术。在大直径单晶 硅的生长及硅片加工方面，我 国还有许多国际先进技术尚未 掌握，如单晶硅制备中的控氧 技术、大直径单晶硅线切割技 术、硅边缘抛光技术、硅片吸 除技术、硅片大生产的计算机 系统管理技术等。
快速、稳定发展的新兴产业之一。
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单晶硅的应用
单晶硅在日常生活中是电子计算机、自动控制系统等现代科学技术中不可缺少 的基本材料。电视、电脑、冰箱、电话、手表、汽车，处处都离不开单晶硅材料， 单晶硅作为科技应用普及材料之一，已经渗透到人们生活中的各个角落。 单晶硅 在火星上是火星探测器中太阳能转换器的制成材料。火星探测器在火星上的能量全 部来自太阳光，探测器白天休息--利用太阳能电池板把光能转化为电能存储起来， 晚上则进行科学研究活动。也就是说，只要有了单晶硅，在太阳光照到的地方，就 有了能量来源。单晶硅在太空中是航天飞机、宇宙飞船、人造卫星必不可少的原材 料。人类在征服宇宙的征途上，所取得的每一步进步，都有着单晶硅的身影。航天 器材大部分的零部件都要以单晶硅为基础。离开单晶硅，卫星会没有能源，没有单 晶硅，航天飞机和宇航员不会和地球取得联系，单晶硅作为人类科技进步的基石， 为人类征服太空作出了不可磨灭的贡献。 单晶硅在太阳能电池中的应用高纯的单 晶硅是重要的半导体材料。在光伏技术和微小型半导体逆变器技术飞速发展的今天， 利用硅单晶所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能，实现了迈向绿色能 源革命的开始。
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单晶硅的产业市场
• 从市场布局来看，硅片市场的国际化和 生产垄断化已经形成。20世纪90年代末， 日本、德国和韩国（主要是日、德两国） 控制的8大硅片公司销量占世界硅片销量 的90%以上，其中，日本信越、德国瓦克、 日本住友、美国M E M C公司和日本三菱 材料公司，这5家公司2001年硅晶片的销 售总额为42.73亿元，占全球销售额的 79.1%，而其中的3家日本公司占据了全 球市场份额的50.7%，表明日本在全球硅 晶片行业中占据了主导地位。
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单晶硅的产业技术
• 单晶硅作为现代信息社会的关键性 支撑材料，可以说是目前世界上最 重要的单晶材料之一，国内对硅材 料需求旺盛，年增长率为22%，但 国内目前只能满足6英寸（150m m） 以硅片需求量的30%，8英寸及其以 上尺寸硅片100%依赖进口。从芯片 尺寸上看，国内太阳能电池用硅片 主要以6英寸为主；8英寸硅片用量 次之；3英寸、4英寸、5英寸硅片用 量则相对较少；而12英寸硅片目前 还集中在半导体领域中，太阳能领 域还没有应用。直径越大的圆片， 所能刻制的集成电路越多，芯片的 成本也就越低，但大尺寸晶片对原 材料和拉制技术的要求也越高。
目前生长单晶硅的工艺主要采用 直拉法(CZ)、磁场直拉法(MCZ)、区熔 法( F Z )以及双坩埚拉晶法，C Z、F Z 和 MCZ单晶各自适用于不同的电阻率范 围的器件，而MC Z可完全代替C Z，可 部分代替FZ。全球电子工业用CZ单晶 硅约占单晶硅总用量的80%，F Z单晶 硅约占15%，硅外延片(EPl)约占5%[3]。 直拉法、区熔法用于生长单晶硅棒材， 直拉法生长的单晶硅主要用于半导 体集成电路、二极管、外延片衬底、太 阳能电池，晶体直径可控制在3 ～8英 寸；区熔法单晶主要用于高压大功率 可控整流器件领域，广泛用于大功率 输变电、电力机车、整流、变频、机电 一 体化、节能灯、电视机等系列产品，晶 体直径可控制在3 ～6英寸。