太陽能光電應(yīng)用技術(shù)復(fù)習(xí)資料概要

1、關(guān)于能源的若干重要概念：太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、水能、海洋能、地?zé)崮艿?核能、太陽能、風(fēng)能、水能等 煤、石油、天然氣、太陽能、風(fēng)能等 熱能、電能、化學(xué)能 煤炭、石油、天然氣等新能源：氫能、可燃冰、雷電能、地震能等可再生能源： 清潔能源： 一次能源： 二次能源： 化石能源： 太陽能：狹義-太陽輻射能，廣義-包括化石能源、風(fēng)能、生物質(zhì)能等 太陽能的重要數(shù)據(jù)：太陽是一個(gè)主要由氫和氦組成的熾熱的氣體火球，半徑為6.96 X 105千米（是地球半徑的109倍），質(zhì)量約為1.99 X 1027噸（是地球質(zhì)量的 33萬倍），平均密度約為地球的四分之一。太陽表 面的有效溫度為 5762 K，而內(nèi)部中心區(qū)域的溫

2、度則高達(dá)幾千萬度。太陽的能量主要來源于氫聚變 成氦的聚變反應(yīng)， 每秒有657 x 109公斤的氫聚合生成 653 x 109公斤的氦，連續(xù)產(chǎn)生390 x 1021千 瓦能量。這些能量以電磁波的形式，以3 X 105千米/秒的速度穿越太空射向四面八方。地球只接受到太陽總輻射的二十二億分之一，即有177 X 1012千瓦達(dá)到地球大氣層上邊緣（“上界”），由于穿越大氣層時(shí)的衰減，最后約 85 X 1012千瓦到達(dá)地球表面，這個(gè)數(shù)量相當(dāng)于全 世界發(fā)電量的幾十萬倍。根據(jù)目前太陽產(chǎn)生的核能速率估算，氫的儲(chǔ)量足夠維持 600億年，而內(nèi)部組織因熱核反應(yīng)聚合成氦，它的壽命約為50億年，因此，從這個(gè)意義上講，可以

3、說太陽的能量是取之不盡、用之不竭的。光伏技術(shù)發(fā)展歷史與現(xiàn)狀：1839年法國實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家亞利山大柏克勒爾首次發(fā)現(xiàn)光生伏特效應(yīng)，即觀察到插在電解液中兩電極間的電壓隨光照強(qiáng)度變化的現(xiàn)象。（他的孫子Henri A. Becquerel由于發(fā)現(xiàn)放射性于1903年與居佃21獲得諾貝爾里夫婦一起共同獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)）1905年德國物理學(xué)家愛因斯坦提出光子理論，并成功解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象，于（Nobel）物理獎(jiǎng)；佃49年W. Shockley, J. Bardeen, W. H. Brattain 發(fā)明晶體管，給出了 p-n結(jié)物理解釋，從此，半 導(dǎo)體器件時(shí)代開始；佃53 Wayne州立大學(xué)Dan Trivich博

4、士完成基于太陽光譜的具有不同帶隙寬度的各類材料光 電轉(zhuǎn)換效率的第一個(gè)理論計(jì)算；1954年4月美國貝爾 （Bell ）實(shí)驗(yàn)室研究人員 D. M. Cha pin , C. S. Fuller和G. L. P earson報(bào) 道4.5%效率的第一個(gè)實(shí)用的單晶硅p-n結(jié)太陽電池的發(fā)現(xiàn)，幾個(gè)月后效率達(dá)到6%，幾年后達(dá)到 10%10%;佃91瑞士 Gr? tzel教授研制的納米 TiO2染料敏化太陽電池（Graezel Cell）效率達(dá)到7%;1995年 納米TiO2染料敏化電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到澳大利亞新南威爾士大學(xué)Martin Green教授提出第三代光伏太陽電池概念，設(shè)想通過太陽光譜分割利用等措施可將太

5、陽電池的效率提高到50%甚至80 %以上。光伏發(fā)電對(duì)節(jié)能減排的作用：0.936 kg 82 0.00252 kg NxOy0.272 kg 粉塵光伏發(fā)電每發(fā)1度電即表示： 節(jié)約0.359 kg標(biāo)準(zhǔn)煤；減排 減排 0.00864 kg SO ；減排節(jié)約0.568 kg淡水；減排太陽能電池的發(fā)電原理：當(dāng)一定波長的光照射到半導(dǎo)體PN結(jié)上時(shí)，PN結(jié)間會(huì)形成一個(gè)內(nèi)建電場，由于內(nèi)建電場的作用，半導(dǎo)體的內(nèi)部產(chǎn)生了電動(dòng)勢（光生電壓），如果將PN結(jié)短路，則會(huì)出現(xiàn)電流（光生電流），這種由內(nèi)建電場引起的光電效應(yīng)，稱為光生伏特效應(yīng)，光生伏特效應(yīng)是太陽能電池發(fā)電的基本原理。太陽能輻射能資源：簡稱太陽能，取之不盡用之不竭

6、，每天地球接收的太陽能是人類能源需求的上千倍。廣義的太 陽能包括太陽能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能，也包括煤炭、石油、天然氣等。狹義的太陽能是指太陽 輻射能。太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)：太陽能在地球上通過吸收多轉(zhuǎn)換成熱能，還通過光合作用轉(zhuǎn)換為生物化學(xué)能；通過太陽電池可 將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能?；茉矗航K將枯竭，同時(shí)帶來環(huán)境污染，煤炭200年；石油54年，天然氣60年，鈾50年；巖層氣？氣體水合物？能量回收期與回收因子：對(duì)晶體硅太陽電池來說，能量回收期是指太陽電池運(yùn)行多長時(shí)間才能將生產(chǎn)過程消耗的能量回收回來，目前2年；太陽電池工作壽命可以達(dá)到25-30年以上，回收因子是太陽電池工作壽命與能量回收期的比值，對(duì)晶體

7、硅太陽電池來說，回收因子可以達(dá)到12-15。太陽電池發(fā)展歷史：1839年，法國人亞歷山大 -埃德蒙 貝克勒爾（Alexsandre Edmond Becquerel, 1820-1891）研究 光對(duì)電解液中的金屬鹽和電極的作用，并得出硒的導(dǎo)電性會(huì)通過光照而改變。后人將此現(xiàn)象就成為“光伏效應(yīng)”，實(shí)質(zhì)上就是光產(chǎn)生電流效應(yīng)。1874年，F(xiàn)erdinand Braun發(fā)明真空二級(jí)管1900年，德國人馬克斯 普朗克（Max Planek）建立黑體輻射理論，解釋了電池波輻射與吸收過 程中能量子與波長之間的關(guān)系。1905年，在普朗克理論的基礎(chǔ)上，阿爾伯特愛因斯坦在瑞士伯爾尼專利事務(wù)所工作期間發(fā)表“關(guān)于光的產(chǎn)

8、生與轉(zhuǎn)化所涉及的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)”文章，首次提出光子理論。1938年，肖特基（W. Schottky ）第一次解釋金屬-半導(dǎo)體結(jié)的阻擋層（耗盡層），并建立二級(jí)管 特性曲線。1948 年,美國貝爾實(shí)驗(yàn)室 R. S. Ohl申報(bào)了光敏硅器件專利，這種器件以硅片為基片，鉑為電 極，即肖特基二級(jí)管。太陽電池物理基礎(chǔ)：晶體結(jié)構(gòu)：原子排列具有周期性，遠(yuǎn)程有序；非晶硅結(jié)構(gòu)罰程有序、遠(yuǎn)程無序；能帶理論：金屬、半導(dǎo)體、絕緣體，導(dǎo)電性能與材料能帶結(jié)構(gòu)（導(dǎo)帶、禁帶、價(jià)帶）密切有關(guān)現(xiàn)量產(chǎn)純度概念：太陽電池要求 6 N以上；晶體管、集成電路器件要求 9 N以上; 多晶硅材料：太陽能級(jí)、電子級(jí)； 晶體生長工藝：單晶、多晶、

9、非晶單晶體：整塊材料是一個(gè)晶體組成；提拉工藝； 多晶體：整塊材料由多個(gè)晶體組成；澆鑄工藝；硅帶、類單晶、微晶、納米晶；特殊工藝；硅片厚度、尺寸： 面積： 156 mm x 156 mm ; 厚度：180 卩巾 硅片電學(xué)性能：I導(dǎo)電類型、少子壽命單晶硅n+/P型太陽電池標(biāo)準(zhǔn)制備工藝流程:1. 清洗制絨單晶硅n+/p型太陽電池標(biāo)準(zhǔn)制備工藝步驟簡述1、清洗制絨：制作太陽電池的第一步是對(duì)硅片進(jìn)行清洗制絨，其目的是去除硅片表面的機(jī)械 損傷層及有機(jī)物殘留，并形成金字塔陷光結(jié)構(gòu)，獲得低反射率的絨面。在低濃度的NaOH溶液中，硅片表面會(huì)發(fā)生以下反應(yīng)：Si+2H2O+2OH-=SiO32-+2H2 t對(duì)100晶

10、向的硅片，這將是一個(gè)各向異性的腐蝕過程，因?yàn)椋?00）面的腐蝕速率遠(yuǎn)大于 （111）面，從而形成由多個(gè)（111）面組成的金字塔結(jié)構(gòu)。光線入射到這樣的表面，至少會(huì)有兩次機(jī)會(huì)與 硅表面接觸，有效減少光的反射，增加光的吸收。在400-1100 nm波段，原片的平均反射率在30%以上，而絨面的平均反射率可降到12%以下。2、 磷擴(kuò)散：常規(guī)晶體硅電池使用P型硅片作為襯底，通過在石英管內(nèi)以POCI3液態(tài)源作為擴(kuò)散源，加熱到850-900 C進(jìn)行磷擴(kuò)散形成 p-n結(jié)。這種方法制出的結(jié)均勻性較好，并且產(chǎn)量高，每 爐可以擴(kuò)散400片以上。擴(kuò)散過程可表達(dá)為：(1-6)4POCI3+3O2 7 2P2O5+6CI2

11、 t硅片表面形成P2O5的磷硅玻璃；（1-7）n型擴(kuò)散層。并且磷在擴(kuò)散過程中有 p-n結(jié)，常規(guī)結(jié)構(gòu)太陽電池，方2P 2O5+5Si 7 4P+5SiO2后表面電學(xué)導(dǎo)通會(huì)造成電池短路，所磷以替位雜質(zhì)的形式擴(kuò)散進(jìn)入硅中，在 P型硅表面形成了 吸雜作用，能提高材料的少子壽命。通常以方塊電阻的大小來表征 塊電阻控制在 50 Q /附近。3、 刻邊和去磷硅玻璃：擴(kuò)散后會(huì)在邊緣形成p-n結(jié)，前、以要對(duì)硅片邊緣進(jìn)行刻蝕隔離。常用的方法有等離子刻蝕、激光刻邊和濕化學(xué)腐蝕法。其中等離子 刻蝕法最為常用，設(shè)備成本低廉，一批可以刻蝕多達(dá)800片。但操作需要人工控制，并且穩(wěn)定性不好，容易磨損p-n結(jié)而造成漏電。HF水

12、溶液可以將磷硅玻璃激光刻邊因?yàn)榧す庠O(shè)備價(jià)格高而使用較少，而濕化學(xué)腐蝕法已經(jīng)為很多廠家所采用，該方法在 隔離邊緣的同時(shí)能去除背面 p-n結(jié)，減小了背面的雜質(zhì)濃度，對(duì)電性能有一定幫助，并且該濕化學(xué) 腐蝕設(shè)備可以與磷硅玻璃清洗工序結(jié)合在一起，使用起來十分方便。擴(kuò)散后表面存在的磷硅玻璃雜質(zhì)濃度很高，是很強(qiáng)的復(fù)合中心，用 去除。4、氮化硅鍍膜：氮化硅膜在晶體硅太陽電池中能起到減反射和鈍化兩個(gè)作用。首先是減反射作用，膜厚約 75 nm、呈現(xiàn)湖藍(lán)色澤、折射率為 2.05的氮化硅膜能對(duì) 600 nm左 右的光起到100%的增透效果，在400-1100 nm波段可以把制絨硅片的平均反射率從 12%降到3%以 下

13、。其次是鈍化作用，常規(guī)氮化硅膜使用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)沉積后其含氫量較高，這些氫鍵可以飽和 p-n結(jié)表面的懸掛鍵，對(duì)擴(kuò)散層有良好的鈍化作用，減少表面復(fù)合損失，并且這 些氫在后續(xù)的高溫?zé)Y(jié)工序中擴(kuò)散到硅片體內(nèi)，起到良好的體鈍化作用。5、絲網(wǎng)印刷：絲網(wǎng)印刷技術(shù)是目前常規(guī)太陽電池電極制作的通用工藝。早在上世紀(jì)五十年代就開始應(yīng)用于電子元件、印刷電路板和厚膜集成電路中。主要特點(diǎn)是工藝過程簡單、可變參數(shù)較少、操作容易、設(shè)備及材料成本較低，所以絲網(wǎng)印刷技術(shù)在太陽電池電極的規(guī)?；a(chǎn)中具有明顯優(yōu)勢。絲網(wǎng)印刷網(wǎng)版主要由銅線交織成的網(wǎng)布和涂在網(wǎng)布上面的乳劑膜組成，乳劑膜根據(jù)印刷圖形開孔，漿料在印刷

14、時(shí)通過開孔位置涂抹到硅片表面，從而形成電極。絲網(wǎng)印刷過程包括三個(gè)步驟。首先是填充階段，即漿料在刮刀擠壓下填充至網(wǎng)版開孔內(nèi)；其次 是接觸階段，網(wǎng)版開孔內(nèi)的漿料與硅片接觸并粘連在硅片表面；最后是釋放階段，網(wǎng)版彈起并與漿 料分離，漿料最終印刷至硅片上形成完整的電極圖形。6、 高溫?zé)Y(jié)：高溫?zé)Y(jié)工序在鏈?zhǔn)綗Y(jié)爐內(nèi)進(jìn)行，分為兩個(gè)階段。第一階段為預(yù)燒(burn out) 階段，漿料內(nèi)殘留的有機(jī)溶劑在這個(gè)階段被釋放出；第二階段為燒結(jié)階段，銀漿在這個(gè)階段燒穿氮9個(gè)溫區(qū)，1-3溫區(qū)為烘干區(qū)，溫度一般在300 C以下；4-7溫區(qū)為預(yù)燒區(qū)，溫C之間；8 9溫區(qū)為燒結(jié)區(qū)，是整個(gè)燒結(jié)的最重要區(qū)域，8區(qū)溫度控制在800

15、C900-930 C。太陽電池在網(wǎng)帶帶動(dòng)下，依次通過1-9溫區(qū)，最后經(jīng)冷卻區(qū)冷卻后化硅薄膜，并與擴(kuò)散層發(fā)射極形成歐姆接觸，同時(shí)鋁漿形成鋁背場，與硅片形成歐姆接觸，此外， 氮化硅中的氫將在這個(gè)階段釋放擴(kuò)散到體內(nèi)，完成體鈍化。最后一步就是測試分選，通過專門測試儀器，一般首先根據(jù)電學(xué)性能，以轉(zhuǎn)換燒結(jié)爐通常分 度控制在400-700 左右，9區(qū)控制在 獲得電池成品。7、測試分選：效率0.1-0.2間隔的不同將電池分類收集，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 光學(xué)檢測：電學(xué)性能一致的情況下，還要觀察色差，進(jìn)行光學(xué)分類。外觀檢測：最后還要進(jìn)行外觀檢測，如缺角、斷裂等。 多晶硅太陽電池：（尺寸：面積 156 mm x 156

16、 mm ;多晶硅片類型：1、鑄造多晶硅：晶體硅太陽電池主流產(chǎn)品，晶界多厚度：180 - 200卩m2、 硅帶工藝：直接拉制而成，不需要線切割，節(jié)省材料，但效率低14-15%，發(fā)展困難3、 類單晶工藝：新工藝，晶界較少，效率18%以上，工藝有待改進(jìn)發(fā)展4、電池工藝：堿制絨、表面鈍化：雙層鈍化，氧化鋁薄膜非晶硅太陽電池：1非晶硅a-Si禁帶寬度為1.7 eV,通過摻B或摻P可得到p型a-Si或n型a-Si;2非晶硅摻C,可得到a-SiC,禁帶寬度 > 2.0 eV （寬帶隙），摻Ge，可得到a-SiGe 禁帶寬度1.7-1.4 eV （窄帶隙）；3在太陽光譜的可見光范圍內(nèi)，非晶硅的吸收系數(shù)比

17、晶體硅大將近一個(gè)數(shù)量級(jí)，其本征吸收系 數(shù)高達(dá)105cm-1;4非晶硅太陽電池光譜響應(yīng)的峰值與太陽光譜的峰值接近；5. 由于非晶硅材料的本征吸收系數(shù)很大，1卩m厚度就能充分吸收太陽光，厚度不足晶體硅的1/10 0,可節(jié)省昂貴的半導(dǎo)體材料6.S-W效應(yīng)：非晶硅及其合金的光暗電導(dǎo)率隨光照時(shí)間加長而減少，經(jīng)200度退火2小時(shí)可恢復(fù)原狀。這種現(xiàn)象首先由Stabler和Wronski發(fā)現(xiàn)。這是非晶硅材料結(jié)構(gòu)的一種光致亞穩(wěn)變化效應(yīng)，即光照是材料產(chǎn)生懸掛鍵等亞穩(wěn)缺陷 我國高效晶體硅電池的發(fā)展項(xiàng)目：2011年科技部863重大項(xiàng)目：效率20%以上低成本晶體硅電池產(chǎn)業(yè)化成套關(guān)鍵技術(shù)研究及示 范生產(chǎn)線項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)900

18、0萬，分成4個(gè)課題組，由4個(gè)骨干企業(yè)牽頭，共 20個(gè)單位參加，趙建華博士 為總負(fù)責(zé)人：課題一：南京中電、晶龍實(shí)業(yè)、河北工大、南航、西北大學(xué)、西安銀泰課題二：無錫尚德、中山大學(xué)、武漢三工、東莞科?。ㄐ?0%以上基于激光摻雜技術(shù)的選擇性發(fā)射極電池的產(chǎn)業(yè)化成套關(guān)鍵技術(shù)及示范生產(chǎn)線）課題三：常州天合（國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）、山東力諾、中化藍(lán)天、湖南紅太陽課題四：英利集團(tuán)（國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）、中科院半導(dǎo)體所、北航、中科院微電子所、保定天威 集團(tuán)、四川東材科技 太陽能發(fā)電系統(tǒng)：1. 太陽能發(fā)電的組成：有太陽能電池組光伏方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配 電箱等設(shè)備組成2. 光伏系統(tǒng)中各設(shè)備在光伏系統(tǒng)中

19、的作用：”。一般太陽能電池為硅電池,b.隨時(shí)可向負(fù)載供電。（1） 太陽能電池方陣：在有光照（無論是太陽光還是其他發(fā)光體產(chǎn)生的光照）情況下，電池吸 收光能，產(chǎn)生光生電壓，即將光能轉(zhuǎn)換成電能，稱為光生伏特效應(yīng) 分為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池。配合蓄電池使用。由于蓄因此用控制器控制蓄電池過充電和過放（2）蓄電池：a.作用是儲(chǔ)存太陽能電池方陣受光照時(shí)發(fā)出的電能。 目前我國主要與太陽能發(fā)電系統(tǒng)配套使用的蓄電池是鉛蓄電池。（3）充放電控制器：作用是能自動(dòng)防止蓄電池過充電和過放電的設(shè)備， 電池循環(huán)充放電次數(shù)及放電深度會(huì)決定蓄電池的使用壽命， 電。（4）逆變器：作用是將直流電轉(zhuǎn)換成交

20、流電。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽能電池板和蓄電池提供的是直流電，而負(fù)載不同時(shí)（有直流負(fù)載或交流負(fù)載）當(dāng)負(fù)載是交流負(fù)載時(shí)，逆變器即可實(shí)現(xiàn)將光伏電 池或蓄電池提供的直流電轉(zhuǎn)換成交流電供交流負(fù)載使用。交流配電柜：在電站系統(tǒng)的主要作用是對(duì)備用逆變器的切換功能，保證系統(tǒng)的正常供電。光源每單片衣B能電池板1產(chǎn)生電動(dòng)勢太陽能發(fā)電工作原理電池方陣（達(dá)到葢統(tǒng) 要輩的電屋要錄）蓄電池逆變器 變電柜光能轉(zhuǎn)換為電龍侖直流轉(zhuǎn)為交流交直流供電系統(tǒng)發(fā)電工作原理：工作原理：在光照的條件下，太陽能電池組件產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢，通過組件的串并聯(lián)形成太陽 能電池方陣，使電壓達(dá)到系統(tǒng)輸入電壓的要求。再通過充放電控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，將光能轉(zhuǎn)

21、 換成電能儲(chǔ)存，到光伏電池不能發(fā)電時(shí)，蓄電池放電，通過逆變器的作用， 將直流電轉(zhuǎn)換成交流電,輸送到配電柜，有配電柜的切換作用進(jìn)行供電。半導(dǎo)體硅的光電效應(yīng) :*圖2光電效應(yīng)涼理O 光子穿透至PN結(jié)附 近，能量被電子吸收。 若光子能量大于電子的 逸出功，電子擺脫束縛 成為自由電子，同時(shí)產(chǎn)。生一個(gè)帶正電的空穴。 PN結(jié)具有由N指向P的電場，電子向N運(yùn) 動(dòng)，空穴向P運(yùn)動(dòng)。表 面電極為負(fù)，背電極為 。正。當(dāng)與外負(fù)載連接時(shí)形成電流單晶硅電池：代表性生產(chǎn)廠家：荷蘭 Shell Solar、西班牙Iso- foton,多晶硅電池：多晶硅優(yōu)先考慮成本，其次是效率。降低成本方法：（1、純化過程沒有完全去除雜質(zhì)；印

22、度Microsol等廠家。（2）快速結(jié)晶;（3、避免切片造成的浪費(fèi)。 存在許多懸浮鍵。制造工藝不同導(dǎo)致結(jié)晶構(gòu)造不同，多晶硅的結(jié)晶顆粒較小，化學(xué)鍵不牢，光電轉(zhuǎn)換效率下降，且效率會(huì)隨著時(shí)間衰減。非晶硅電池：材料選用SiH4（四氫化硅），雖然該材料吸光效果和光導(dǎo)效果很好，非晶硅電池最大優(yōu)點(diǎn)成本低，缺點(diǎn)是效率低且隨時(shí)間衰減。廣泛使用小功率市場，在發(fā)電市場不具競爭力。半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)：1、目前人類發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體元素有：硅、鍺（ Ge）硼、碳、灰錫（硫（S）、硒（Se）、碲（Te）、碘（I）2、除硅、磷、硼外，現(xiàn)在科學(xué)正研究 GaAs、GaSb作為高效太陽能材料；CdTe（碲化鎘）、CuinSe2（2 硒銦銅

23、卜CuinS、CdS（硫化碲）載流子：半導(dǎo)體載流子：空穴、電子電導(dǎo)率：b = ne + pen =載流子濃度,原子/ cm3; P為空穴濃度e=電子電荷=1.6X1O-19庫侖，質(zhì)量為9.10 xio-31kg,單位為C卩=載流子遷移率但其結(jié)晶構(gòu)造比多晶硅還差。Sn）、磷、砷（As）、銻（Sb）能帶:（1）、能帶結(jié)構(gòu):補(bǔ)原子構(gòu)型：表示原子核外電子排布的圖式之一。 等數(shù)字表示K、L、 這些符號(hào)右上角用數(shù)字表示各亞層上電子的數(shù)目。 為止，只發(fā)現(xiàn)了 7個(gè)電子層！用：1、2、3、4、5、6、7有七個(gè)電子層，分別用M、N、0、P、Q等電子層，用S、P、d、f等符號(hào)分別表示各電子亞層，并在 如氧原子的電子

24、排布式為1s2 2s2 2p 4。迄今1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f. 表示如：14Si 硅1s2 2s2 2p6 3s2 3p215P 磷1s2 2s2 2p6 3s2 3p3量子力學(xué)計(jì)算表明，固體中若有N個(gè)原子，由于各原子間的相互作用,每一個(gè)能級(jí)，變成了單位：1eV=1電子伏特 =1.60217646 X 10-佃 焦耳N條靠得很近的能級(jí)，稱為能帶。對(duì)應(yīng)于原來孤立原子的能帶的寬度記作 AE，數(shù)量級(jí)為AEeV。若N1023,則能帶中兩能級(jí)的間距約10-23eV。一般規(guī)律：1. 越是外層電子，能帶越寬，2. 點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬，3. 兩個(gè)能帶有可能重疊。心E越大

25、。 AE越大。1S固體中的一個(gè)電子只能處在某個(gè)能帶中的能帶中電子的排布： 某一能級(jí)上。排布原則：1.服從泡里不相容原理（費(fèi)米子）2 .服從能量最小原理 設(shè)孤立原子的一個(gè)能級(jí)Enl ，它最多能容納2 （2+1）個(gè)電子。這一能級(jí)分裂成由N條能級(jí)組成的能帶后，能帶最多能容納2N （2 +1）個(gè)電子。 電子排布時(shí)，應(yīng)從最低的能級(jí)排起。 有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個(gè)名詞：1.滿帶2 .價(jià)帶3 .空帶4 .禁帶（排滿電子）（能帶中一部分能級(jí)排滿電子） （未排電子） 一亦稱導(dǎo)帶 （不能排電子高子間距ip I I I I 0wVii9 詁丁 '呂 乩 a * V 和 M T :、 . “ -%W V- &

26、quot;A"? -7WVi" "A" V-'V,LVr. ? 9：E 也耳R 9? F£憶-空制半刪7滿帯Is詡（忖2*2護(hù)3"）晶體、3p2P耒«帚未滿帶鎂（1H円內(nèi)鬥姑體 亦電子可分布在能帶中3p導(dǎo)帶（空）導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體：一、導(dǎo)體1、良導(dǎo)體（金屬）：是那些最高能帶未被完全填滿的固體2、導(dǎo)體（半金屬）：最上面滿帶和一個(gè)空帶重疊3、 絕緣體：最上面的價(jià)帶是滿的，同時(shí)和下一個(gè)空帶之間有 幾個(gè)電子伏特能隙的固體。二、半導(dǎo)體：價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙小于約Js1 eV左右導(dǎo)帶（空）價(jià)帶（滿）半導(dǎo)體能帶fefe蠶夭價(jià)帶（

27、滿）絕緣體半導(dǎo)體鋼5.33氧化鋅3*2硅.140*67氯化銀確0.33硫化鈣2*42由于價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的能隙較小，將價(jià)帶中最上面的電子激發(fā)到導(dǎo)帶內(nèi)時(shí)就較容 易。當(dāng)溫度升高時(shí)，有更多的電子能夠跳到下一個(gè)能帶去起導(dǎo)電作用，電導(dǎo)率隨溫度 而迅速增加。其中有兩個(gè)因素起導(dǎo)電作用：（1）在上面的導(dǎo)帶中少數(shù)電子所起的作用和它們?cè)诮饘僦兴鸬淖饔孟嗤?；?）而價(jià)帶中留下的空穴起著類似的作用，不過它們好象是正的電子。例如：在硅中，當(dāng)溫度從250K增加到450K時(shí)，激發(fā)電子的數(shù)目增加到10.6倍。 上述半導(dǎo)體中的導(dǎo)電性，叫做內(nèi)稟導(dǎo)電性。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性還可以通過加進(jìn)某些雜 質(zhì)而提咼。1、n型（負(fù)性）半導(dǎo)體：假定雜質(zhì)

28、原子（磷或砷As）比半導(dǎo)體的原子（硅和鍺）具有較多的電子（額外電子）， 在導(dǎo)帶下方的能隙中形成某些分立的雜質(zhì)能級(jí)，其距離約為十分之幾電子伏特，這些 額外的電子容易被雜質(zhì)原子釋放出來并被激發(fā)至導(dǎo)帶，于是，激發(fā)電子對(duì)半導(dǎo)體的電 導(dǎo)率有貢獻(xiàn)。這種雜質(zhì)原子，叫做施主；這種半導(dǎo)體叫做n型（負(fù)性）半導(dǎo)體。2、P型（正性）半導(dǎo)體：假定雜質(zhì)原子（硼或鋁）比半導(dǎo)體原子（硅和鍺）具有較少的電子，在價(jià)帶上方的能隙 中引進(jìn)空的分立雜質(zhì)能級(jí)。因此，容易把價(jià)帶中一些具有較高能量的電子激發(fā)到雜質(zhì)能級(jí)上，這個(gè)過程在價(jià)帶 中產(chǎn)生空穴，這些電子起著正電子的作用。這種雜質(zhì)原子叫做受主，這種半導(dǎo)體叫做P 型（正性）半導(dǎo)體。導(dǎo)體：在外

29、電場的作用下，大量共有化電子很易獲得能量，集體定向流動(dòng)形成電流。 絕緣體：在外電場的作用下，共有化電子很難接受外電場的能量，所以形不成電流。半導(dǎo)體：的能帶結(jié)構(gòu),滿帶與空帶之間也是禁帶，但是禁帶很窄3E g約0.12 eV ） 0 半導(dǎo)體電性：一.本征半導(dǎo)體（Semiconductor ）:本征半導(dǎo)體是指純凈的半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體 的導(dǎo)電性能在導(dǎo)體與絕緣體之間。介紹兩個(gè)概念：1. 電子導(dǎo)電半導(dǎo)體的載流子是電子2. 空穴導(dǎo)電半導(dǎo)體的載流子是空穴滿帶上的一個(gè)電子躍遷到空帶后，滿帶中出現(xiàn)一個(gè)空位。單晶爐：太陽電池硅錠主要有單晶硅錠和多晶硅錠，這兩種硅錠。單晶硅：做成的電池效率高，但硅錠生產(chǎn)效率低，能耗大

30、； 多晶硅：電池效率比單晶硅低一些，但硅錠生產(chǎn)效率高，在規(guī)?；a(chǎn)上較有優(yōu)勢。 太陽電池單晶硅錠生產(chǎn)技術(shù)：1.切克勞斯基法（Czochralsik : CZ法），1917年由切克斯基建立的一種晶體生長方 法,現(xiàn)成為制備單晶硅的主要方法。把高純多晶硅放入高純石英坩堝，在硅單晶爐內(nèi)熔化；然后用一根固定在籽晶軸上 的籽晶插入熔體表面，待籽晶與熔體熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶體便在籽晶下端生長。 CZ法是利用旋轉(zhuǎn)著的籽晶從坩堝中的熔體中提拉制備出單晶的方法，又稱直拉法 直拉單晶爐及其基本原理：多晶硅硅料置于坩堝中經(jīng)加熱熔化，待溫度合適后， 經(jīng)過將籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、轉(zhuǎn)肩等徑、收尾等 步驟，完成一

31、根單晶硅錠的拉制。爐內(nèi)的傳熱、傳質(zhì)、流體力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)等過程都直 接影響到單晶的生長及生長成的單晶的質(zhì)量。I .齡-TI'sfti- 拉晶過程中可直接控制的參數(shù)有溫度場、籽晶的晶 向、坩堝和生長成的單晶的旋轉(zhuǎn)及提升速率，爐內(nèi)保護(hù)氣體的種類、流向、流速、壓力等。 優(yōu)缺點(diǎn)：-fj iw JMV A直拉法設(shè)備和工藝比較簡單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；生 產(chǎn)效率咼，易于制備大直徑單晶；容易控制單晶中雜質(zhì)濃 度，可以制備低阻單晶。P- H- keck 等人 1953年但用此法制單晶硅時(shí)，原料易被坩堝污染，硅單晶純 度降低，拉制的硅單晶電阻率大于 50歐姆厘米，質(zhì)量 很難控制。 懸浮區(qū)熔法(區(qū)熔法或FZ法

32、)：懸浮區(qū)熔法比直拉法出現(xiàn)晚， W- G- Pfann 1952年提出， 用來提純半導(dǎo)體硅。懸浮區(qū)熔法是將多晶硅棒用卡具卡住上端，下端對(duì)準(zhǔn)籽晶，高頻電流通過線圈與多 晶硅棒耦合，產(chǎn)生渦流，使多晶棒部分熔化，接好籽晶，自下而上使硅棒熔化和進(jìn)行單 晶生長，用此法制得的硅單晶叫區(qū)熔單晶(1) 、區(qū)熔法有水平區(qū)熔和懸浮區(qū)熔，前者主要用于鍺提純及生長鍺單晶，硅單晶 的生長則主要采用懸浮區(qū)熔法，生長過程中不使用坩堝，熔區(qū)懸浮于多晶硅棒和下方生 長出的單晶之間(2) 、區(qū)熔法不使用坩堝，污染少，經(jīng)區(qū)熔提純后生長的硅單晶純度較高，含氧量 和含碳量低。高阻硅單晶一般用此法生長。(3) 、目前區(qū)熔單晶應(yīng)用范圍比較

33、窄， 不及直拉工藝成熟，單晶中一些結(jié)構(gòu)缺陷沒 有解決?；ǎ夯ㄊ羌认髤^(qū)熔法又象直拉法的一種拉制單晶方法。用卡具將多晶棒下端卡住， 高頻線圈在多晶硅棒上端產(chǎn)生熔區(qū)，由上方插入籽晶，將籽晶慢慢向上提起，生長出單 晶?；ㄖ苽涞膯尉Ъ兌雀?，生長速度快，污染小能較好的控制電阻率。但此法工藝 不成熟，很難生長大直徑硅單晶。片狀單晶生長法(EFG法)：片狀單晶生長法是近幾年發(fā)展的一種單晶生長技術(shù)。將多晶硅放入石英坩堝中，經(jīng) 石墨加熱器加熱熔化，將用石墨或者石英制成的有狹縫的模具浸在熔硅中， 熔硅依靠毛 細(xì)管作用，沿狹縫升到模具表面和籽晶融合，用很快的速度拉出。生長片狀單晶拉速可 達(dá)50毫米/分。片

34、狀單晶生長法現(xiàn)在多采用橫向拉制。 將有一平缺口的石英坩堝裝滿熔硅，用片狀 籽晶在坩堝出口處橫向引晶，快速拉出片狀單晶。片狀單晶橫向拉制時(shí)結(jié)晶性能好，生 產(chǎn)連續(xù)，拉速快，可達(dá)20厘米/分片狀單晶表面完整，不須加工或少許加工就可制做器件； 省掉部分切磨拋工藝，大 大提高了材料的利用率。片狀單晶拉制工藝技術(shù)高，難度大，溫度控制非常精確，片狀單晶工藝技術(shù)目前 處于研究階段。氣相生長法：氣相法生長單晶和三氯氫硅氫還原生長多晶相似。在適當(dāng)溫度下，三氯氫硅和氫氣 作用，在單晶籽晶上逐漸生長出單晶。氣相生長法工藝流程簡單，污染少，單晶純度較 高，但是生長速度慢，周期長，生長條件不易控制，生長的單晶質(zhì)量較差。

35、鑄錠法：用鑄錠法生長單晶是國外近幾年發(fā)展的一種生長硅單晶方法。它象金鑄錠一樣生長 硅單晶，此法生長硅單晶雖然工藝程流程簡單，生長速度快，成本低，但是生長 單晶 質(zhì)量差。一般用于制造太陽能電池器件。液相外延生長法：用外延法生長單晶，有氣相外延和液相外延兩種方法。 它們都是在一定條件下，在 經(jīng)過仔細(xì)加工的單晶片襯底上，生長一層具有一定厚度，一定電阻率和一定型號(hào)的完整 單晶層，這種單晶生長過程叫外延。通過氣相在襯底上生長外延層叫氣相外延，通過液相在襯底上生長外延層叫液相外 延。外延生長可以改善單晶襯底表面性能，提高單晶電子特性。外延生長 速度一般很 慢。硅單晶的生產(chǎn)方法以 直拉法和區(qū)熔法為主 直拉單

36、晶爐型式:盡管不同，總的說來，主要由爐體、電器部分、熱系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、 真空系統(tǒng)和氬氣裝置五大部分組成?？臻g點(diǎn)陣：幾何點(diǎn)（原子）在空間排列的陣列。 晶 格：幾何點(diǎn)（原子）排列的空間格架。由陣點(diǎn)組成的任一直線，代表晶體空間內(nèi)的一個(gè)方向，稱為晶向。 由陣點(diǎn)所組成的任一平面，代表晶體的原子平面，稱為晶面。非晶體則各向同性晶胞：晶格中體積最小，對(duì)稱性最高的平行六面體，是能代表原子排列形式特征的最 小幾何單元。晶向一晶體點(diǎn)陣中， 晶面-一晶體點(diǎn)陣中， 晶體有各向異性， 硅:是地殼中分布最廣的元素，其含量達(dá) 25.8%。但自然界中的硅主要以石英砂（石英 石-SiO2 ）的形式存在。生產(chǎn)制造硅太陽能電池用的

37、硅材料高純多晶硅，是用石英砂 冶煉出來的。工業(yè)上是通過電弧爐，將石英砂（SiO2）通過與還原劑炭在1600C1800C 高溫下反應(yīng)形成初級(jí)硅，也稱冶金級(jí)硅。其基本反應(yīng)為SiO2 + 2C Si + 2COT在高溫下，二氧化硅與焦炭反應(yīng)，生成液相的硅沉入電弧爐的底部，此時(shí)鐵作為 催化劑可有效阻止碳化硅的形成。在電弧爐底部開孔可將液相硅收集，凝固后可通過 機(jī)械粉碎，得到冶金級(jí)硅粉。較好的冶金級(jí)硅粉，是純度為 98%99的多晶體。為了得到高純的硅材料，工業(yè)上是將冶金級(jí)硅經(jīng)過破碎研磨后成為硅粉，可通過 酸洗，再通過化學(xué)反應(yīng)變成硅的氯化物或氫化物，然后通過化學(xué)或物理提純方法純化 氯化物或氫化物。最后采用

38、氫還原法或熱分解法，將高純的硅的氯化物或氫化物轉(zhuǎn)變 成高純硅。由硅砂制備高純多晶硅的工藝流程1I三氯氫硅s四氯幅I戰(zhàn)還原I多晶硅純化純多晶硅的制備：?理論上講，可采用三種方法制取高純多晶硅：即SiCI4 , SiHCI3還原法和SiH4熱分解法，具體的反應(yīng)過程如下? SiCI4 + 2H2? SiHCI3 + H2? SiH4 Si?從中可見SiCI4法溫度比Si + 4HCISi + 3HCI+ 2H2T(1100 120(0C)(9001100C)(8001000C)SiHCI3 高，制取 SiCI4時(shí)氯氣消耗量大，此種方法現(xiàn)已少用。而SiH4法由于消耗金屬鎂等還原劑，以及SiH4法本身易

39、燃、 易爆等，在一定程度上受到限制。但此法去除硼雜 質(zhì)很有效，無腐蝕性，生產(chǎn)的硅質(zhì)量高，多用于外 延生長。西門子法： 用SiHCI3生產(chǎn)高純硅時(shí)的反應(yīng)溫度要比用SiH4低。目前，高純多晶硅生產(chǎn)，工業(yè)上廣泛采用SiHCI3還原法，也稱西門子法，即將高純SiHCI3液體通過高純氣體攜帶，進(jìn)入充有大量氫氣的還原爐中，SiHCI3在通電加熱的細(xì)長的硅芯表面反應(yīng)；導(dǎo)致硅沉積在硅芯表面，通過一周或更長的反應(yīng)時(shí)間， 還原爐中的8mm硅芯將生長到150mm左右。這樣得到的硅棒可作為區(qū)熔法生長 單晶硅的原料，也可破碎后，作為直拉法生長單晶硅的原料。該方法的顯著特點(diǎn)是：能耗相對(duì)低、產(chǎn)量高、質(zhì)量穩(wěn)定，采用綜合利用技

40、術(shù)，染，具有明顯的競爭優(yōu)勢。太陽能級(jí)多晶硅技術(shù)要求 _:總體要求：硅含量： 99.9999%金屬含量：30.00ppba多晶種類：P型含硼量：0.20ppba含磷量：0.90ppba金屬表面含量：30.00ppba 尺寸大小要求: 電阻率：0.500hmcm對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生污含碳量：1.00ppba25mm250mm外觀檢查：結(jié)晶致密，表面比較平整無蜂窩狀、金屬光澤好，斷面顏色一樣、無明顯的溫度圈和氧化夾層，無夾雜物。晶體硅太陽能電池是在厚度 350450卩m的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。石英坩堝（SiO2）用途：在整個(gè)鑄錠過程中起到一個(gè)容器的作用。特殊要求：1）能在

41、高于1000 C以上的環(huán)境下連續(xù)工作 50h以上。2 ）純度要高，不能對(duì) 6N高純硅 造成污染。3）大尺寸方形坩堝，不能變形，與石墨護(hù)板和底板緊密相貼。包裝：外層為方形紙箱包裝，內(nèi)層為無紡布或塑料。兩層包裝都不能受潮，且外層上的防震標(biāo)識(shí)不 能變紅外形尺寸外觀質(zhì)量內(nèi)徂高度Hrm三維尺寸：870X870XU20/480) mm高度：420/480 mm 辭度：壁厚；內(nèi)徑：840mm夕HB： 870mmC0A區(qū)結(jié)晶區(qū)一距堆埸底 部2/3高度區(qū)域的內(nèi)壁表面 B區(qū)熔化區(qū)距堆埸頂 部1/3/高度區(qū)域的內(nèi)壁表面 C區(qū)外壁側(cè)面D區(qū)外壁底面E區(qū)口沿距堆埸頂部2cm深的一圈內(nèi)外面外劉2檢測芳式AA區(qū)aB EaD

42、EaE區(qū)2缺損不允訐2=25*15*5iw*'變形"肉眼觀?55-無明S變形凹坑2無肉眼可見1MM以上凹坑a無求內(nèi)表面無肉眼可 見以上凹坑A孔冷2小于1的孔洞不多于4個(gè)且不在同一面上2小于1M的孔浪面不多于4個(gè)2裂紋“不允訐a殃點(diǎn)。212以上雜質(zhì)點(diǎn)不允許2無宴求Ji局（SiO ）目前，多晶硅太陽能行業(yè)用的石英圮土曷主要有兩種 生產(chǎn)工藝：一種是注漿成型，一種是注凝成型。 注漿成型又可以分成單面吸漿和雙面吸漿兩種工 藝。石英坦埸生產(chǎn)工藝流程圖 有杭單體I料漿注凝成型離純?nèi)廴谑M料料漿一注嬪成型干煤一燒成一制品坩堝噴涂及烘干：噴涂涂層目的是保護(hù)石英坩堝在高溫下石英坩堝與硅隔離，

43、使液態(tài)硅不與石英坩堝反應(yīng)，而使 石英坩堝破裂，急劇冷卻后最終保證硅碇脫膜完整性。同時(shí)降低硅錠氧含量。坩堝噴涂及烘干方法：在坩堝內(nèi)壁均勻噴涂一層氮化硅涂層并對(duì)其進(jìn)行焙烤?；璺肿邮綖镾 i3 N 4,是一種重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。它是一種超硬物質(zhì)，本身具有潤滑性，并 且耐磨損；除氫氟酸外，它不與其他無機(jī)酸反應(yīng)，抗腐蝕能力強(qiáng)，高溫時(shí)抗氧化。噴涂完成后再進(jìn)行熱處理，熱處理的目的是提高涂層結(jié)晶度，避免內(nèi)應(yīng)力引起的涂層脫落，從 而提高涂層的韌性和附著力。工藝參數(shù)噴涂配比：355-375g氮化硅+1600ml純水（420kg）坩堝焙燒工藝：（1095 +2h）（或加免燒結(jié)溶劑）工藝要求（1 ）涂層均勻，無氣泡

44、，無脫落，無裂紋，噴涂高度大約為坩堝高度的2/3。2）德國氮化硅的起噴溫度是80C，噴涂過程中溫度應(yīng)控制在70 C左右。（3）噴涂過程中溫度太低可能引起水流”現(xiàn)象或起泡；涂過程中溫度太高會(huì)引起涂層脫落。工藝目的：按工藝要求準(zhǔn)備各種硅料，并將備好的硅料裝進(jìn)烘好可用的坩堝內(nèi)。1、 原硅料：韓國多晶硅制造商OCI、德國CIP、重慶大全，六九2、回收料：頂料、底料、邊料、角料、回收硅塊等。3、 雜料：外購的一些硅料，碎硅片等硅片生產(chǎn)：陽能用硅純度為 99.9998% ;原硅烷SiH4SiHCI3硅原子提煉：生產(chǎn)原料 氧化硅（CO2）-粗硅（冶金級(jí)硅），純度跟價(jià)格成正比。硅材料用料：10CM*10CM

45、電池用硅10g對(duì)應(yīng)的功率1.3 1.5W.一個(gè)1M的電站需用13噸. 現(xiàn)在硅電池的厚度:100微米以下.PN結(jié)以實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)換，PN結(jié)的專用設(shè)備。管式擴(kuò)散爐主要由石英舟的上下載部電池組件生產(chǎn)過程：二氧化硅（CO2）-粗硅-高純度三氯氫硅-高純多晶硅原料-多晶硅錠-硅片 -太陽電池-電池組件 擴(kuò)散制結(jié)：原理：太陽能電池需要一個(gè)大面積的工具：而擴(kuò)散爐即為制造太陽能電池 分、廢氣室、爐體部分和氣柜部分等四大部分組成。原料：擴(kuò)散一般用三氯氧磷液態(tài)源作為擴(kuò)散源。把P型硅片放在管式擴(kuò)散爐的石英容器內(nèi)，在850-900攝氏度高溫下使用氮?dú)鈱⑷妊趿讕胧⑷萜?，通過三氯氧磷和硅片進(jìn)行反應(yīng)，得到磷原子。經(jīng)過一定時(shí)間，磷原子從四周進(jìn)入硅片的表面層，并且通過硅原子之間的空隙向硅片內(nèi)部滲 透擴(kuò)散，形成了 N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的交界面，也就是 PN結(jié)。這種方法制出的PN結(jié)均勻性好,方塊電阻的不均勻性小于百分之十，少子壽命可大于10ms。制造PN結(jié)是太陽電池生產(chǎn)最基本也 是最關(guān)鍵的工序。因?yàn)檎荘N結(jié)的形成，才使電子和空穴在流動(dòng)后不再回到原處，這樣就形成了電流，用導(dǎo)線將電流引出，就是直流電。絲網(wǎng)印刷：太陽電池經(jīng)過制絨