單晶硅基本資料

1、1.單晶硅 1.1基本概念單晶硅是一種比較活潑的非金屬元素，是晶體材料的重要組成部分，處于新材料發(fā)展的前沿。其主要用途是用作半導(dǎo)體材料和利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電、供熱 等。由于太陽(yáng)能具有清潔、環(huán)保、方便等諸多優(yōu)勢(shì)，近三十年來(lái)，太陽(yáng)能利用技術(shù)在研究開發(fā)、商業(yè)化生產(chǎn)、市場(chǎng)開拓方面都獲得了長(zhǎng)足發(fā)展，成為世界快速、穩(wěn)定發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)之一。單晶硅可以用于二極管級(jí)、整流器件級(jí)、電路級(jí)以及太陽(yáng)能電池級(jí)單晶產(chǎn)品的生產(chǎn)和深加工制造，其后續(xù)產(chǎn)品集成電路和半導(dǎo)體分離器件已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在軍事電子設(shè)備中也占有重要地位。在光伏技術(shù)和微小型半導(dǎo)體逆變器技術(shù)飛速發(fā)展的今天，利用硅單晶所生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池可以直接把太

2、陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為光能，實(shí)現(xiàn)了邁向綠色能源革命的開始。北京2008年奧運(yùn)會(huì)將把“綠色奧運(yùn)”做為重要展示面向全世界展現(xiàn)，單晶硅的利用在其中將是非常重要的一環(huán)?，F(xiàn)在，國(guó)外的太陽(yáng)能光伏電站已經(jīng)到了理論成熟階段，正在向?qū)嶋H應(yīng)用階段過渡，太陽(yáng)能硅單晶的利用將是普及到全世界范圍，市場(chǎng)需求量不言而喻1.2具體介紹我們的生活中處處可見“硅”的身影和作用，晶體硅太陽(yáng)能電池是近15年來(lái)形成產(chǎn)業(yè)化最快的。單晶硅，英文，Monocrystallinesilicon。是硅的單晶體。具有基本完整的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的晶體。不同的方向具有不同的性質(zhì)，是一種良好的半導(dǎo)材料。純度要求達(dá)到99.9999%，甚至達(dá)到99.9999999%以上。用于

3、制造半導(dǎo)體器件、太陽(yáng)能電池等。用高純度的多晶硅在單晶爐內(nèi)拉制而成。用途：?jiǎn)尉Ч杈哂薪饎偸Ц?，晶體硬而脆，具有金屬光澤，能導(dǎo)電，但導(dǎo)電率不及金屬，且隨著溫度升高而增加，具有半導(dǎo)體性質(zhì)。單晶硅是重要的半導(dǎo)體材料。在單晶硅中摻入微量的第IIIA族元素，形成P型半導(dǎo)體，摻入微量的第VA族元素，形成N型，N型和P型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，就可做成太陽(yáng)能電池，將輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。單晶硅是制造半?dǎo)體硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶體管、二極管、開關(guān)器件等。在開發(fā)能源方面是一種很有前途的材料。單晶硅按晶體生長(zhǎng)方法的不同，分為直拉法（CZ）、區(qū)熔法（FZ）和外延法。直拉法、區(qū)熔法生長(zhǎng)單晶硅棒材，外延法生長(zhǎng)

4、單晶硅薄膜。直拉法生長(zhǎng)的單晶硅主要用于半導(dǎo)體集成電路、二極管、外延片襯底、太陽(yáng)能電池。1.3發(fā)展現(xiàn)狀單晶硅建設(shè)項(xiàng)目具有巨大的市場(chǎng)和廣闊的發(fā)展空間。在地殼中含量達(dá)25.8%的硅元素，為單晶硅的生產(chǎn)提供了取之不盡的源泉。各種晶體材料，特別是以單晶硅為代表的高科技附加值材料及其相關(guān)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成為當(dāng)代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支柱，并使信息產(chǎn)業(yè)成為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展中增長(zhǎng)最快的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。單晶硅作為一種極具潛能，亟待開發(fā)利用的高科技資源，正引起越來(lái)越多的關(guān)注和重視。與此同時(shí)，鑒于常規(guī)能源供給的有限性和環(huán)保壓力的增加，世界上許多國(guó)家正掀起開發(fā)利用太陽(yáng)能的熱潮并成為各國(guó)制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。在跨入21世紀(jì)門檻

5、后，世界大多數(shù)國(guó)家踴躍參與以至在全球范圍掀起了太陽(yáng)能開發(fā)利用的“綠色能源熱”，各國(guó)相繼研發(fā)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，把太陽(yáng)能發(fā)電終端，所產(chǎn)生的電能輸送到電網(wǎng)，用電網(wǎng)使用。一個(gè)廣泛的大規(guī)模的利用太陽(yáng)能的時(shí)代正在來(lái)臨，太陽(yáng)能級(jí)單晶硅產(chǎn)品也將因此受世人矚目。1.4半導(dǎo)體非晶硅是一種直接能帶半導(dǎo)體，它的結(jié)構(gòu)內(nèi)部有許多所謂的“懸鍵”，也就是沒有和周圍的硅原子成鍵的電子，這些電子在電場(chǎng)作用下就可以產(chǎn)生電流，并不需要聲子的幫助，因而非晶硅可以做得很薄，還有制作成本低的優(yōu)點(diǎn)1.5物理特性硅是地球上儲(chǔ)藏最豐富的材料之一，從19世紀(jì)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了晶體硅的半導(dǎo)體特性后，它幾乎改變了一切，甚至人類的思維。直到上世紀(jì)60年代開始

6、，硅材料就取代了原有鍺材料。硅材料因其具有耐高溫和抗輻射性能較好，特別適宜制作大功率器件的特性而成為應(yīng)用最多的一種半導(dǎo)體材料，集成電路半導(dǎo)體器件大多數(shù)是用硅材料制造的。單晶硅熔融的單質(zhì)硅在凝固時(shí)硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長(zhǎng)成晶面取向相同的晶粒，則這些晶粒平行結(jié)合起來(lái)便結(jié)晶成單晶硅。單晶硅具有準(zhǔn)金屬的物理性質(zhì)，有較弱的導(dǎo)電性，其電導(dǎo)率隨溫度的升高而增加，有顯著的半導(dǎo)電性。超純的單晶硅是本征半導(dǎo)體。在超純單晶硅中摻入微量的A族元素，如硼可提高其導(dǎo)電的程度，而形成p型硅半導(dǎo)體；如摻入微量的A族元素，如磷或砷也可提高導(dǎo)電程度，形成n型硅半導(dǎo)體。1.6主要用途單晶硅主要用于制作半導(dǎo)體

7、元件。用途： 是制造半導(dǎo)體硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶體管、二極管、開關(guān)器件等熔融的單質(zhì)硅在凝固時(shí)硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長(zhǎng)成晶面取向相同的晶粒，則這些晶粒平行結(jié)合起來(lái)便結(jié)晶成單晶硅。單晶硅的制法通常是先制得多晶硅或無(wú)定形硅，然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長(zhǎng)出棒狀單晶硅。單晶硅棒是生產(chǎn)單晶硅片的原材料，隨著國(guó)內(nèi)和國(guó)際市場(chǎng)對(duì)單晶硅片需求量的快速增加，單晶硅棒的市場(chǎng)需求也呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。單晶硅圓片按其直徑分為6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。直徑越大的圓片，所能刻制的集成電路越多，芯片的成本也就越低。但大尺寸晶片對(duì)材料和技術(shù)

8、的要求也越高。單晶硅按晶體伸長(zhǎng)方法的不同，分為直拉法（CZ）、區(qū)熔法（FZ）和外延法。直拉法、區(qū)熔法伸長(zhǎng)單晶硅棒材，外延法伸長(zhǎng)單晶硅薄膜。直拉法伸長(zhǎng)的單晶硅主要用于半導(dǎo)體集成電路、二極管、外延片襯底、太陽(yáng)能電池。晶體直徑可控制在38英寸。區(qū)熔法單晶主要用于高壓大功率可控整流器件領(lǐng)域，廣泛用于大功率輸變電、電力機(jī)車、整流、變頻、機(jī)電一體化、節(jié)能燈、電視機(jī)等系列產(chǎn)品。晶體直徑可控制在36英寸。外延片主要用于集成電路領(lǐng)域。由于成本和性能的原因，直拉法（CZ）單晶硅材料應(yīng)用最廣。在IC工業(yè)中所用的材料主要是CZ拋光片和外延片。存儲(chǔ)器電路通常使用CZ拋光片，因成本較低。邏輯電路一般使用價(jià)格較高的外延片，

9、因其在IC制造中有更好的適用性并具有消除Latchup的能力。硅片直徑越大，技術(shù)要求越高，越有市場(chǎng)前景，價(jià)值也就越高。1.7研究趨勢(shì)概述日本、美國(guó)和德國(guó)是主要的硅材料生產(chǎn)國(guó)。中國(guó)硅材料工業(yè)與日本同時(shí)起步，但總體而言，生產(chǎn)技術(shù)水平仍然相對(duì)較低，而且大部分為2.5345英寸硅錠和小直徑硅片。中國(guó)消耗的大部分集成電路及其硅片仍然依賴進(jìn)口。但我國(guó)科技人員正迎頭趕上，于1998年成功地制造出了12英寸單晶硅，標(biāo)志著我國(guó)單晶硅生產(chǎn)進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期。全世界單晶硅的產(chǎn)能為1萬(wàn)噸/年，年消耗量約為6000噸7000噸。未來(lái)幾年中，世界單晶硅材料發(fā)展將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)：微型化隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展，對(duì)硅片的規(guī)

10、格和質(zhì)量也提出更高的要求，適合微細(xì)加工的大直徑硅片在市場(chǎng)中的需求比例將日益加大。硅片主流產(chǎn)品是200mm，逐漸向300mm過渡，研制水平達(dá)到400mm450mm。據(jù)統(tǒng)計(jì)，200mm硅片的全球用量占60%左右，150mm占20%左右，其余占20%左右。Gartner發(fā)布的對(duì)硅片需求的5年預(yù)測(cè)表明，全球300mm硅片將從2000年的1.3%增加到2006年的21.1%。日、美、韓等國(guó)家都已經(jīng)在1999年開始逐步擴(kuò)大300mm硅片產(chǎn)量。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球已建、在建和計(jì)劃建的300mm硅器件生產(chǎn)線約有40余條，主要分布在美國(guó)和我國(guó)臺(tái)灣等，僅我國(guó)臺(tái)灣就有20多條生產(chǎn)線，其次是日、韓、新及歐洲。%P世界半

11、導(dǎo)體設(shè)備及材料協(xié)會(huì)（SEMI）的調(diào)查顯示，2004年和2005年，在所有的硅片生產(chǎn)設(shè)備中，投資在300mm生產(chǎn)線上的比例將分別為55%和62%，投資額也分別達(dá)到130.3億美元和184.1億美元，發(fā)展十分迅猛。而在1996年時(shí)，這一比重還僅僅是零。國(guó)際化，集團(tuán)化研發(fā)及建廠成本的日漸增高，加上現(xiàn)有行銷與品牌的優(yōu)勢(shì)，使得硅材料產(chǎn)業(yè)形成“大者恒大”的局面，少數(shù)集約化的大型集團(tuán)公司壟斷材料市場(chǎng)。上世紀(jì)90年代末，日本、德國(guó)和韓國(guó)（主要是日、德兩國(guó)）資本控制的8大硅片公司的銷量占世界硅片銷量的90%以上。根據(jù)SEMI提供的2002年世界硅材料生產(chǎn)商的市場(chǎng)份額顯示，Shinetsu、SUMCO、Wacke

12、r、MEMC、Komatsu等5家公司占市場(chǎng)總額的比重達(dá)到89%，壟斷地位已經(jīng)形成。硅基材料隨著光電子和通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，硅基材料成為硅材料工業(yè)發(fā)展的重要方向。硅基材料是在常規(guī)硅材料上制作的，是常規(guī)硅材料的發(fā)展和延續(xù)，其器件工藝與硅工藝相容。主要的硅基材料包括SOI（絕緣體上硅）、GeSi和應(yīng)力硅。SOI技術(shù)已開始在世界上被廣泛使用，SOI材料約占整個(gè)半導(dǎo)體材料市場(chǎng)的30%左右，預(yù)計(jì)到2010年將占到50%左右的市場(chǎng)。Soitec公司（世界最大的SOI生產(chǎn)商）的2000年2010年SOI市場(chǎng)預(yù)測(cè)以及2005年各尺寸SOI硅片比重預(yù)測(cè)了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景。制造技術(shù)升級(jí)半導(dǎo)體,芯片集成電路,設(shè)計(jì)版圖,芯

13、片制造,工藝世界普遍采用先進(jìn)的切、磨、拋和潔凈封裝工藝，使制片技術(shù)取得明顯進(jìn)展。在日本，200mm硅片已有50%采用線切割機(jī)進(jìn)行切片，不但能提高硅片質(zhì)量，而且可使切割損失減少10%。日本大型半導(dǎo)體廠家已經(jīng)向300mm硅片轉(zhuǎn)型，并向0.13m以下的微細(xì)化發(fā)展。另外，最新尖端技術(shù)的導(dǎo)入，SOI等高功能晶片的試制開發(fā)也進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。對(duì)此，硅片生產(chǎn)廠家也增加了對(duì)300mm硅片的設(shè)備投資，針對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)則的進(jìn)一步微細(xì)化，還開發(fā)了高平坦度硅片和無(wú)缺陷硅片等，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)。硅是地殼中賦存最高的固態(tài)元素，其含量為地殼的四分之一，但在自然界不存在單體硅，多呈氧化物或硅酸鹽狀態(tài)。硅的原子價(jià)主要為4價(jià)，其次為

14、2價(jià)；在常溫下它的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于單一的強(qiáng)酸，易溶于堿；在高溫下化學(xué)性質(zhì)活潑，能與許多元素化合。硅材料資源豐富，又是無(wú)毒的單質(zhì)半導(dǎo)體材料，較易制作大直徑無(wú)位錯(cuò)低微缺陷單晶。晶體力學(xué)性能優(yōu)越，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，仍將成為半導(dǎo)體的主體材料。多晶硅材料是以工業(yè)硅為原料經(jīng)一系列的物理化學(xué)反應(yīng)提純后達(dá)到一定純度的電子材料，是硅產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈中的一個(gè)極為重要的中間產(chǎn)品，是制造硅拋光片、太陽(yáng)能電池及高純硅制品的主要原料，是信息產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)最基礎(chǔ)的原材料。1.8加工工藝加料熔化縮頸生長(zhǎng)放肩生長(zhǎng)等徑生長(zhǎng)尾部生長(zhǎng)（1）加料：將多晶硅原料及雜質(zhì)放入石英坩堝內(nèi)，雜質(zhì)的種類依電阻的N或P型而定。雜質(zhì)種類有硼，磷，銻，砷

15、。（2）熔化：加完多晶硅原料于石英堝內(nèi)后，長(zhǎng)晶爐必須關(guān)閉并抽成真空后充入高純氬氣使之維持一定壓力范圍內(nèi)，然后打開石墨加熱器電源，加熱至熔化溫度（1420）以上，將多晶硅原料熔化。（3）縮頸生長(zhǎng)：當(dāng)硅熔體的溫度穩(wěn)定之后，將籽晶慢慢浸入硅熔體中。由于籽晶與硅熔體場(chǎng)接觸時(shí)的熱應(yīng)力，會(huì)使籽晶產(chǎn)生位錯(cuò)，這些位錯(cuò)必須利用縮頸生長(zhǎng)使之消失掉?？s頸生長(zhǎng)是將籽晶快速向上提升，使長(zhǎng)出的籽晶的直徑縮小到一定大?。?6mm）由于位錯(cuò)線與生長(zhǎng)軸成一個(gè)交角，只要縮頸夠長(zhǎng)，位錯(cuò)便能長(zhǎng)出晶體表面，產(chǎn)生零位錯(cuò)的晶體。（4）放肩生長(zhǎng)：長(zhǎng)完細(xì)頸之后，須降低溫度與拉速，使得晶體的直徑漸漸增大到所需的大小。（5）等徑生長(zhǎng)：長(zhǎng)完細(xì)頸和肩

16、部之后，借著拉速與溫度的不斷調(diào)整，可使晶棒直徑維持在正負(fù)2mm之間，這段直徑固定的部分即稱為等徑部分。單晶硅片取自于等徑部分。（6）尾部生長(zhǎng)：在長(zhǎng)完等徑部分之后，如果立刻將晶棒與液面分開，那么熱應(yīng)力將使得晶棒出現(xiàn)位錯(cuò)與滑移線。于是為了避免此問題的發(fā)生，必須將晶棒的直徑慢慢縮小，直到成一尖點(diǎn)而與液面分開。這一過程稱之為尾部生長(zhǎng)。長(zhǎng)完的晶棒被升至上爐室冷卻一段時(shí)間后取出，即完成一次生長(zhǎng)周期2  。1.9市場(chǎng)發(fā)展2007年，中國(guó)市場(chǎng)上有各類硅單晶生產(chǎn)設(shè)備1500余臺(tái)，分布在70余家生產(chǎn)企業(yè)。2007年5月24日，國(guó)家“863”計(jì)劃超大規(guī)模集成電路（IC）配套材料重大專項(xiàng)總體組在北

17、京組織專家對(duì)西安理工大學(xué)和北京有色金屬研究總院承擔(dān)的“TDR-150型單晶爐（12英寸MCZ綜合系統(tǒng)）”完成了驗(yàn)收。這標(biāo)志著擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大尺寸集成電路與太陽(yáng)能用硅單晶生長(zhǎng)設(shè)備，在我國(guó)首次研制成功。這項(xiàng)產(chǎn)品使中國(guó)能夠開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵制造技術(shù)與單晶爐生產(chǎn)設(shè)備，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，初步改變了在晶體生長(zhǎng)設(shè)備領(lǐng)域研發(fā)制造受制于人的局面。硅材料市場(chǎng)前景廣闊，中國(guó)硅單晶的產(chǎn)量、銷售收入近幾年遞增較快，以中小尺寸為主的硅片生產(chǎn)已成為國(guó)際公認(rèn)的事實(shí)，為世界和中國(guó)集成電路、半導(dǎo)體分立器件和光伏太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了較大的貢獻(xiàn)。1.10相關(guān)區(qū)別單晶硅和多晶硅的區(qū)別單晶硅和多晶硅的區(qū)別是，當(dāng)熔融的單質(zhì)

18、硅凝固時(shí),硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長(zhǎng)成晶面取向相同的晶粒，則形成單晶硅。如果這些晶核長(zhǎng)成晶面取向不同的晶粒，則形成多晶硅。多晶硅與單晶硅的差異主要表現(xiàn)在物理性質(zhì)方面。例如在力學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)等方面，多晶硅均不如單晶硅。多晶硅可作為拉制單晶硅的原料。單晶硅可算得上是世界上最純凈的物質(zhì)了，一般的半導(dǎo)體器件要求硅的純度六個(gè)9以上。大規(guī)模集成電路的要求更高，硅的純度必須達(dá)到九個(gè)9。人們已經(jīng)能制造出純度為十二個(gè)9的單晶硅。單晶硅是電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中不可缺少的基本材料。高純度硅在石英中提取，以單晶硅為例，提煉要經(jīng)過以下過程：石英砂一冶金級(jí)硅一提純和精煉一沉積多晶

19、硅錠一單晶硅一硅片切割。冶金級(jí)硅的提煉并不難。它的制備主要是在電弧爐中用碳還原石英砂而成。這樣被還原出來(lái)的硅的純度約98-99%，但半導(dǎo)體工業(yè)用硅還必須進(jìn)行高度提純(電子級(jí)多晶硅純度要求11個(gè)9，太陽(yáng)能電池級(jí)只要求6個(gè)9)。而在提純過程中，有一項(xiàng)“三氯氫硅還原法(西門子法)”的關(guān)鍵技術(shù)我國(guó)還沒有掌握，由于沒有這項(xiàng)技術(shù)，我國(guó)在提煉過程中70%以上的多晶硅都通過氯氣排放了，不僅提煉成本高，而且環(huán)境污染非常嚴(yán)重。我國(guó)每年都從石英石中提取大量的工業(yè)硅，以1美元/公斤的價(jià)格出口到德國(guó)、美國(guó)和日本等國(guó)，而這些國(guó)家把工業(yè)硅加工成高純度的晶體硅材料，以46-80美元/公斤的價(jià)格賣給我國(guó)的太陽(yáng)能企業(yè)。得到高純度

20、的多晶硅后，還要在單晶爐中熔煉成單晶硅，以后切片后供集成電路制造等用。單晶硅,多晶硅及非晶硅太陽(yáng)能電池的區(qū)別單晶硅太陽(yáng)電池：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)電池是當(dāng)前開發(fā)得最快的一種太陽(yáng)電池，它的構(gòu)成和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于宇宙空間和地面設(shè)施。這種太陽(yáng)電池以高純的單晶硅棒為原料，純度要求99.999%。為了降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)在地面應(yīng)用的太陽(yáng)電池等采用太陽(yáng)能級(jí)的單晶硅棒，材料性能指標(biāo)有所放寬。有的也可使用半導(dǎo)體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料，經(jīng)過復(fù)拉制成太陽(yáng)電池專用的單晶硅棒。將單晶硅棒切成片，一般片厚約0.3毫米。硅片經(jīng)過成形、拋磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太陽(yáng)電池片，首先要在硅片上摻雜和擴(kuò)散

21、，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。擴(kuò)散是在石英管制成的高溫?cái)U(kuò)散爐中進(jìn)行。這樣就在硅片上形成P/FONT>N結(jié)。然后采用絲網(wǎng)印刷法，將配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經(jīng)過燒結(jié)，同時(shí)制成背電極，并在有柵線的面涂覆減反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉，至此，單晶硅太陽(yáng)電池的單體片就制成了。單體片經(jīng)過抽查檢驗(yàn)，即可按所需要的規(guī)格組裝成太陽(yáng)電池組件（太陽(yáng)電池板），用串聯(lián)和并聯(lián)的方法構(gòu)成一定的輸出電壓和電流，最后用框架和封裝材料進(jìn)行封裝。用戶根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可將太陽(yáng)電池組件組成各種大小不同的太陽(yáng)電池方陣，亦稱太陽(yáng)電池陣列。目前單晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，實(shí)驗(yàn)室成果也有20%以上的

22、。用于宇宙空間站的還有高達(dá)50%以上的太陽(yáng)能電池板3  。多晶硅太陽(yáng)電池：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)電池的生產(chǎn)需要消耗大量的高純硅材料，而制造這些材料工藝復(fù)雜，電耗很大，在太陽(yáng)電池生產(chǎn)總成本中己超二分之一，加之拉制的單晶硅棒呈圓柱狀，切片制作太陽(yáng)電池也是圓片，組成太陽(yáng)能組件平面利用率低。因此，80年代以來(lái)，歐美一些國(guó)家投入了多晶硅太陽(yáng)電池的研制。目前太陽(yáng)電池使用的多晶硅材料，多半是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶硅料和冶金級(jí)硅材料熔化澆鑄而成。其工藝過程是選擇電阻率為100300歐姆·厘米的多晶塊料或單晶硅頭尾料，經(jīng)破碎，用1：5的氫氟酸和硝酸混合液進(jìn)行適當(dāng)?shù)母g，然后用去

23、離子水沖洗呈中性，并烘干。用石英坩堝裝好多晶硅料，加人適量硼硅，放人澆鑄爐，在真空狀態(tài)中加熱熔化。熔化后應(yīng)保溫約20分鐘，然后注入石墨鑄模中，待慢慢凝固冷卻后，即得多晶硅錠。這種硅錠可鑄成立方體，以便切片加工成方形太陽(yáng)電池片，可提高材質(zhì)利用率和方便組裝。多晶硅太陽(yáng)電池的制作工藝與單晶硅太陽(yáng)電池差不多，其光電轉(zhuǎn)換效率約12%左右，稍低于單晶硅太陽(yáng)電池，但是材料制造簡(jiǎn)便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。隨著技術(shù)得提高，目前多晶硅的轉(zhuǎn)換效率也可以達(dá)到14%左右。非晶硅太陽(yáng)電池：非晶硅太陽(yáng)電池是1976年有出現(xiàn)的新型薄膜式太陽(yáng)電池，它與單晶硅和多晶硅太陽(yáng)電池的制作方法完全不同，硅材料消耗

24、很少，電耗更低，非常吸引人。制造非晶硅太陽(yáng)電池的方法有多種，最常見的是輝光放電法，還有反應(yīng)濺射法、化學(xué)氣相沉積法、電子束蒸發(fā)法和熱分解硅烷法等。輝光放電法是將一石英容器抽成真空，充入氫氣或氬氣稀釋的硅烷，用射頻電源加熱，使硅烷電離，形成等離子體。非晶硅膜就沉積在被加熱的襯底上。若硅烷中摻人適量的氫化磷或氫化硼，即可得到N型或P型的非晶硅膜。襯底材料一般用玻璃或不銹鋼板。這種制備非晶硅薄膜的工藝，主要取決于嚴(yán)格控制氣壓、流速和射頻功率，對(duì)襯底的溫度也很重要。非晶硅太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)有各種不同，其中有一種較好的結(jié)構(gòu)叫PiN電池，它是在襯底上先沉積一層摻磷的N型非晶硅，再沉積一層未摻雜的i層，然后再沉積

25、一層摻硼的P型非晶硅，最后用電子束蒸發(fā)一層減反射膜，并蒸鍍銀電極。此種制作工藝，可以采用一連串沉積室，在生產(chǎn)中構(gòu)成連續(xù)程序，以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。同時(shí)，非晶硅太陽(yáng)電池很薄，可以制成疊層式，或采用集成電路的方法制造，在一個(gè)平面上，用適當(dāng)?shù)难谀９に?，一次制作多個(gè)串聯(lián)電池，以獲得較高的電壓。因?yàn)槠胀ňw硅太陽(yáng)電池單個(gè)只有0.5伏左右的電壓，現(xiàn)在日本生產(chǎn)的非晶硅串聯(lián)太陽(yáng)電池可達(dá)2.4伏。目前非晶硅太陽(yáng)電池存在的問題是光電轉(zhuǎn)換效率偏低，國(guó)際先進(jìn)水平為10%左右，且不夠穩(wěn)定，常有轉(zhuǎn)換效率衰降的現(xiàn)象，所以尚未大量用于作大型太陽(yáng)能電源，而多半用于弱光電源，如袖珍式電子計(jì)算器、電子鐘表及復(fù)印機(jī)等方面。估計(jì)效率衰降問

26、題克服后，非晶硅太陽(yáng)電池將促進(jìn)太陽(yáng)能利用的大發(fā)展，因?yàn)樗杀镜?，重量輕，應(yīng)用更為方便，它可以與房屋的屋面結(jié)合構(gòu)成住戶的獨(dú)立電源。在猛烈陽(yáng)光下，單晶體式太陽(yáng)能電池板較非晶體式能夠轉(zhuǎn)化多一倍以上的太陽(yáng)能為電能，但可惜單晶體式的價(jià)格比非晶體式的昂貴兩三倍以上，而且在陰天的情況下非晶體式反而與晶體式能夠收集到差不多一樣多的太陽(yáng)能3  。1.11單晶硅制備與仿真主要有兩種方法：直拉法（Cz法）、區(qū)熔法（FZ法）；1）直拉法其優(yōu)點(diǎn)是晶體被拉出液面不與器壁接觸，不受容器限制，因此晶體中應(yīng)力小，同時(shí)又能防止器壁沾污或接觸所可能引起的雜亂晶核而形成多晶。此法制成的單晶完整性好，直徑和長(zhǎng)度都可

27、以很大，生長(zhǎng)速率也高。所用坩堝必須由不污染熔體的材料制成。因此，一些化學(xué)性活潑或熔點(diǎn)極高的材料，由于沒有合適的坩堝，而不能用此法制備單晶體，而要改用區(qū)熔法晶體生長(zhǎng)或其他方法。4 2）區(qū)熔法區(qū)熔法可用于制備單晶和提純材料,還可得到均勻的雜質(zhì)分布。這種技術(shù)可用于生產(chǎn)純度很高的半導(dǎo)體、金屬、合金、無(wú)機(jī)和有機(jī)化合物晶體。在區(qū)熔法制備硅單晶中，往往是將區(qū)熔提純與制備單晶結(jié)合在一起，能生長(zhǎng)出質(zhì)量較好的中高阻硅單晶5  。區(qū)熔單晶爐主要包括：雙層水冷爐室、長(zhǎng)方形鋼化玻璃觀察窗、上軸（夾多晶棒）、下軸（安放籽晶）、導(dǎo)軌、機(jī)械傳送裝置、基座、高頻發(fā)生器和高頻加熱線圈、系統(tǒng)控制柜真空

28、系統(tǒng)及氣體供給控制系統(tǒng)等組成?？梢钥闯?，制備單晶硅的工藝要求非?？量?，包括設(shè)備、溫度控制、轉(zhuǎn)速等各種影響因素。因此在前期必須做好設(shè)備設(shè)計(jì)如單晶爐和溫控包括爐內(nèi)的熱場(chǎng)、流場(chǎng)，以及缺陷預(yù)測(cè) 。一般來(lái)說(shuō)，前期的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和預(yù)測(cè)并不能完全依靠高成本的實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。可以通過專業(yè)的計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真工具來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)數(shù)值模擬，如FEMAG的FEMAG/CZ模塊能能對(duì)直拉法（Cz法）進(jìn)行模擬、FEMAG/FZ模塊 能對(duì)區(qū)熔法（FZ法）模擬，還有CGSIM等，以達(dá)到對(duì)單晶硅制備工藝的預(yù)測(cè)。2.單晶硅太陽(yáng)能電池2.1詳細(xì)介紹為了降低生產(chǎn)成本，地面應(yīng)用的太陽(yáng)能電池等采用太陽(yáng)能級(jí)的單晶硅棒，材料性能指

29、標(biāo)有所放寬。有的也可使用半導(dǎo)體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料，經(jīng)過復(fù)拉制成太陽(yáng)能電池專用的單晶硅棒。單晶硅太陽(yáng)能電池將單晶硅棒切成片，一般片厚約0.3毫米。硅片經(jīng)過拋磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太陽(yáng)能電池片，首先要在硅片上摻雜和擴(kuò)散，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。擴(kuò)散是在石英管制成的高溫?cái)U(kuò)散爐中進(jìn)行。這樣就硅片上形成P>N結(jié)。然后采用絲網(wǎng)印刷法，精配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經(jīng)過燒結(jié)，同時(shí)制成背電極，并在有柵線的面涂覆減反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，單晶硅太陽(yáng)能電池的單體片就制成了。單體片經(jīng)過抽查檢驗(yàn)，即可按所需要的規(guī)格組裝成太陽(yáng)能電池組件（太陽(yáng)

30、能電池板），用串聯(lián)和并聯(lián)的方法構(gòu)成一定的輸出電壓和電流。最后用框架和材料進(jìn)行封裝。用戶根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可將太陽(yáng)能電池組件組成各種大小不同的太陽(yáng)能電池方陣，亦稱太陽(yáng)能電池陣列。單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，實(shí)驗(yàn)室成果也有20%以上的。2.2構(gòu)成作用1） 鋼化玻璃 其作用為保護(hù)發(fā)電主體（如電池片），透光其選用是有要求的， 1.透光率必須高（一般91%以單晶硅太陽(yáng)能電池上）；2.超白鋼化處理2） EVA 用來(lái)粘結(jié)固定鋼化玻璃和發(fā)電主體（如電池片），透明EVA材質(zhì)的優(yōu)劣直接影響到組件的壽命，暴露在空氣中的EVA易老化發(fā)黃，從而影響組件的透光率，從而影響組件的發(fā)電質(zhì)量除了EVA本身的質(zhì)量外，

31、組件廠家的層壓工藝影響也是非常大的，如EVA膠連度不達(dá)標(biāo)，EVA與鋼化玻璃、背板粘接強(qiáng)度不夠，都會(huì)引起EVA提早老化，影響組件壽命。3）電池片主要作用就是發(fā)電，發(fā)電主體市場(chǎng)上主流的是晶體硅太陽(yáng)電池片、薄膜太陽(yáng)能電池片，兩者各有優(yōu)劣晶體硅太陽(yáng)能電池片，設(shè)備成本相對(duì)較低，但消耗及電池片成本很高，但光電轉(zhuǎn)換效率也高，在室外陽(yáng)光下發(fā)電比較適宜薄膜太陽(yáng)能電池，相對(duì)設(shè)備成本較高，但消耗和電池成本 很低，但光電轉(zhuǎn)化效率相對(duì)晶體硅電池片一半多點(diǎn)，但弱光效應(yīng)非常好，在普通燈光下也能發(fā)電。如計(jì)算器上的太陽(yáng)能電池4）EVA作用如上，主要粘結(jié)封裝發(fā)電主體和背板5） 背板 作用，密封、絕緣、防水（一般都用TPT、TPE

32、等材質(zhì)必須耐老化，組件廠家都質(zhì)保25年，鋼化玻璃，鋁合金一般都沒問題，關(guān)鍵就在與背板和硅膠是否能達(dá)到要求。附：發(fā)電主體（晶體硅電池片）我們知道，單片電池片的發(fā)電效率是非常低的，如一片156電池片的功率只有3W多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我們的需求，所以我們就多多片電池片串聯(lián)起來(lái)，已達(dá)到我們所要求的功率，電流、電壓，而被串聯(lián)起來(lái)的電池片我們稱之為電池串6）鋁合金保護(hù)層壓件，起一定的密封、支撐作用7） 接線盒 保護(hù)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)，起到電流中轉(zhuǎn)站的作用，如果組件短路接線盒自動(dòng)斷開短路電池串，防止燒壞整個(gè)系統(tǒng)接線盒中最關(guān)鍵的是二極管的選用，根據(jù)組件內(nèi)電池片的類型不同，對(duì)應(yīng)的二極管也不相同8） 硅膠 密封作用，用來(lái)密

33、封組件與鋁合金邊框、組件與接線盒交界處有些公司使用雙面膠條、泡棉來(lái)替代硅膠，國(guó)內(nèi)普遍使用硅膠，工藝簡(jiǎn)單，方便，易操作，而且成本很低。2.3產(chǎn)業(yè)發(fā)展中國(guó)光伏電池產(chǎn)量年增長(zhǎng)速度為1-3倍，光伏電池產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的比例也由2002年1.07%增長(zhǎng)到2008年的近15%。商業(yè)化晶體硅太陽(yáng)能電池的效率13%-14%提高到16%-17%?？傮w來(lái)看，中國(guó)太陽(yáng)能電池的國(guó)際市場(chǎng)份額和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力大幅提高。在產(chǎn)業(yè)布局上，中國(guó)太陽(yáng)能電也由池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了一定的集聚態(tài)勢(shì)。在長(zhǎng)三角、環(huán)渤海、珠三角、中西部地區(qū)，已經(jīng)形成了各具特色的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)集群。太陽(yáng)能光伏發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能

34、源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。預(yù)計(jì)到2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到30%以上，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占比也將達(dá)到10%以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上；到21世紀(jì)末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到80%以上，太陽(yáng)能發(fā)電將占到60%以上。這些數(shù)字足以顯示出太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位。由此可以看出，太陽(yáng)能電池市場(chǎng)前景廣闊。太陽(yáng)能電池主要包括晶體硅電池和薄膜電池兩種，它們各自的特點(diǎn)決定了它們?cè)诓煌瑧?yīng)用中擁有不可替代的地位。但是，未來(lái)10年晶體硅太陽(yáng)能電池所占份額盡管會(huì)因薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展

35、等原因而下降，但其主導(dǎo)地位仍不會(huì)根本改變；而薄膜電池如果能夠解決轉(zhuǎn)換效率不高、制備薄膜電池所用設(shè)備價(jià)格昂貴等問題，會(huì)有巨大的發(fā)展空間。2.4應(yīng)用領(lǐng)域1.用戶太陽(yáng)能電源：（1）小型電源10-100W不等，用于邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機(jī)等；（2）3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；（3）光伏水泵：解決無(wú)電地區(qū)的深水井飲用、灌溉。2. 交通領(lǐng)域：如航標(biāo)燈、交通/鐵路信號(hào)燈、交通警示/標(biāo)志燈、宇翔路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無(wú)線電話亭、無(wú)人值守道班供電等。3. 通訊/通信領(lǐng)域：太陽(yáng)能無(wú)人值守微波中繼站、光纜維護(hù)站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)；農(nóng)村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機(jī)、士兵GPS供電等。4. 石油、海洋、氣象領(lǐng)域：石油管道和水庫(kù)閘門陰極保護(hù)太陽(yáng)能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺(tái)生活及應(yīng)急電源、海洋檢測(cè)設(shè)備、氣象/水文觀測(cè)設(shè)備等。5.家庭燈具電源：如庭院燈、路燈、手提燈、野營(yíng)燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。6.光伏電站：10KW-50MW獨(dú)立光伏電站、風(fēng)光（柴）互補(bǔ)電站、各種大型停車廠充電站等。7.太陽(yáng)能建筑：將太陽(yáng)能