《光伏技術(shù)與工藝》復(fù)習(xí)

第一章緒論硅材料按純度分類：冶金級硅：MG90-99%，有時(shí)達(dá)到99.8%,用來提煉多晶硅料。太陽級硅：SoG6N電子級硅：EG9N-11N太陽電池材料體硅材料單晶硅電池材料，多晶硅電池材料，帶硅材料薄膜材料非晶硅薄膜電池材料，多晶硅電池材料(微晶硅電池材料)，銅銦鎵硒薄膜材料(CIGS),砷化鎵薄膜材料，磷化銦薄膜材料??目前在硅材料太陽能光伏產(chǎn)業(yè)中，占市場份額最大的為多晶硅太陽電池砷化鎵薄膜太陽電池主要應(yīng)用在空間領(lǐng)域世界上主要的多晶硅生產(chǎn)工藝：SiCl4法、硅烷熱解法、流化床法、改良西門子法(三氯氫硅氫還原法)。當(dāng)今生產(chǎn)電子級多晶硅的主流技術(shù)是改良西門子法。純度的表示方法：“99.9999%”可表示為6N6個(gè)“9”。在表示物質(zhì)中雜質(zhì)含量時(shí)， “l(fā)ppm”是指百萬分之一1*10-6“l(fā)ppb”十億分之一1*10-9 “l(fā)ppt”萬億分之一1*10-12原子數(shù)之比ppmappbappta 質(zhì)量之比ppmwppbwpptw中國晶硅光伏行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀。第二章純水制備天然水中雜質(zhì)主要包括：電解質(zhì)、有機(jī)物質(zhì)、顆粒物、微生物和溶解氣體等。純水的分類： 蒸餾水：60kOcm；純水：10MOcm；超純水：18M0cm在工業(yè)硅生產(chǎn)中常用超純水來清洗高純材料，其超純水的電阻率一般可達(dá)18M0cm。離子交換樹脂的交換、再生原理。離子交換樹脂的交換、再生過程為：原水(蒸餾水或自來水)流過離子交換樹脂時(shí)，水中的陽、陰雜質(zhì)離子與樹脂的H+和OH-交換而被吸附在樹脂上，若陽、陰樹脂比例適當(dāng)，則樹脂中有等量H+和OH-進(jìn)入水中，完全結(jié)合成水，這一過程直到樹脂失效。然后經(jīng)過樹脂的再生處理，恢復(fù)樹脂的交換能力，進(jìn)行再交換，如此往復(fù)??1)交換反應(yīng)(置換反應(yīng))陽離子交換樹脂 Ca2+(Mg2+)+2H+—R-fCa2+(Mg2+)R2-+2H+陰離子交換樹脂 Cl-(CO32-)+M+—OH-fM+—Cl-(CO32-)+OH-再生反應(yīng)(還原反應(yīng))陽離子交換樹脂 Ca2+(Mg2+)R2-+2H+—Cl-f2H+—R-+Ca2+(Mg2+)Cl2-陰離子交換樹脂 M+—Cl-(CO32-)+Na+—OH-fNa+—Cl-(CO32-)+M+—OH-新出廠的陰陽離子樹脂在使用前，需對它進(jìn)行預(yù)處理，包括膨脹處理和變形處理。工廠出產(chǎn)的陽離子交換樹脂一般為鈉型，陰離子交換樹脂一般為氯型。在使用前必須用鹽酸或氫氧化鈉進(jìn)行變形處理，由鈉型或氯型變?yōu)闅湫突驓溲跣汀Ｔ诩兯苽湎到y(tǒng)主要設(shè)備中，原水依次通過下列處理器，其主要作用為，多介質(zhì)過濾器：濾除水中部分的固體懸浮物質(zhì)；活性炭過濾器：吸附、生物降解、過濾處理的綜合作用；自動(dòng)軟化系統(tǒng)：提高反滲透主機(jī)的回收率，防止反滲透膜濃水端的濃水側(cè)出現(xiàn)碳酸鹽、硫酸鹽和其他形成的化學(xué)結(jié)垢；保安過濾器：濾去由于預(yù)處理工序可能帶來的大于5微米的顆粒、雜質(zhì)；反滲透RO系統(tǒng)：利用壓力差對來水進(jìn)行預(yù)脫鹽處理，一般能去除98%以上的溶解性固體，99%以上的有機(jī)物及膠體，幾乎100%的細(xì)菌。陰陽離子交換樹脂：將初級純水進(jìn)一步提純，使其電阻率達(dá)到所需值。SDI值，即污染指數(shù)值，是水質(zhì)指標(biāo)的重要參數(shù)之一，代表水中顆粒、膠體和其他能阻塞各種水凈化設(shè)備的物體含量。COD,即化學(xué)需氧量，在一定條件下，采用一定的強(qiáng)氧化劑處理水樣時(shí)，所消耗的氧化劑的量。硬度，溶解在水中的鈣鹽與鎂鹽含量的多少，含量多則硬度大，mg/L水的硬度一般用EBT測定，如未軟化，測試液呈紅色。EBT為金屬指示劑，鉻黑T。測量高純水的方法主要有靜置測量法和流動(dòng)測量法。靜置測量法多用于實(shí)驗(yàn)室或小規(guī)模生產(chǎn)。簡單、靈活、便于移動(dòng)，但準(zhǔn)確性較差。流動(dòng)測量法應(yīng)用較為廣泛。準(zhǔn)確度高，可連續(xù)測量。但移動(dòng)不便。第三章工業(yè)硅冶煉工業(yè)硅冶煉對硅石的要求主要有：雜質(zhì)含量少、機(jī)械強(qiáng)度大、吸水率低和有足夠的熱穩(wěn)定性。工業(yè)硅生產(chǎn)中產(chǎn)生的微硅粉一般含90%以上的非晶態(tài)二氧化硅。在工業(yè)硅生產(chǎn)工藝中，工業(yè)硅精煉一般采用爐外硅包氧化底吹精煉的方法。在工業(yè)硅澆鑄時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生雜質(zhì)偏析現(xiàn)象，為降低偏析，得到穩(wěn)定性好的沒有粉化的工業(yè)硅，應(yīng)該采取的措施是快速冷卻（或淬冷）。凡能將有害物質(zhì)（固體和液體的粒子或氣體）從空氣中分離出來，使之得以清潔的設(shè)備，統(tǒng)稱為空氣凈化設(shè)備。將空氣中的粉塵分離出來的設(shè)備，稱為除塵設(shè)備，簡稱為除塵器。工業(yè)硅生產(chǎn)工藝過程中，搗爐操作的意義。工業(yè)硅生產(chǎn)中料面溫度較高，使碳素還原劑與二氧化硅熔化形成硬殼并結(jié)塊，這些硬塊造成爐料透氣性差，電爐不易操作；有時(shí)底部爐料已消耗，由于料面硬殼的支承，使原料不能及時(shí)補(bǔ)給到預(yù)熱區(qū)和反應(yīng)區(qū)，易發(fā)生刺火、塌料、噴料現(xiàn)象；因此在料面操作中為了及時(shí)將這些硬殼搗碎，使料面疏松，必須使用搗爐機(jī)來完成疏松料面的任務(wù)。工業(yè)硅生產(chǎn)中，煙氣除塵設(shè)備主要有旋風(fēng)式除塵器和布袋式除塵器。工業(yè)硅生產(chǎn)原理：在1820度時(shí)硅石被還原SiO2+2C=Si+2CO第四章各種氣體原料工業(yè)上制氫的方法很多，在多晶硅生產(chǎn)中多采用堿性電解槽電解KOH溶液的方式制氫。在氫氣的電解法中，目前已發(fā)展了基于不同種類的電解槽，分別是堿性電解槽、聚合物薄膜電解槽以及固體氧化物電解槽。在氫氣凈化工藝中，催化脫氧及吸附干燥法是比較經(jīng)濟(jì)已被廣泛應(yīng)用的一種方法。凈化劑的安裝順序一般是先脫氧而后除水。氯氣的制取通常是用電解食鹽水的方法來制取2NaCl+2H2O=2NaOH+H2+Cl2液氯汽化工藝原理：利用液氯汽化量隨溫度升高而升高的特性，通過調(diào)節(jié)鋼瓶溫度與閥門開啟度的大小，從而達(dá)到控制氯氣壓力的目的。緩沖罐作用：用于穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，防止產(chǎn)生脈沖，起到調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量的作用。在氯化氫合成工藝中，氮?dú)饩彌_罐的主要作用是檢修或異常情況下，用來趕氣或作保護(hù)氣。氯化氫氣體含量及過氯檢測一般采用KI-淀粉溶液來進(jìn)行。要求HC1含量在92%?94%。氯化氫合成工藝：液氯經(jīng)氯氣緩沖罐、氫氣經(jīng)氫氣緩沖罐進(jìn)入合成爐，在燈頭進(jìn)行燃燒反應(yīng)，生成氯化氫氣體。氯化氫氣體有合成爐爐頂出口經(jīng)管道自然冷卻后，再經(jīng)自來水冷卻器、石墨冷卻器冷卻，降溫到100度以下，氣流中的微量水分冷卻后吸收HC1變?yōu)辂}酸，經(jīng)除霧器除去氣流中漂流的鹽酸霧滴，最后經(jīng)HC1緩沖罐送至沸騰爐合成三氯氫硅。第五章三氯氫硅合成與提純?nèi)葰涔柚苽湓恚篠i+3HCl=SiHCl3+H2三氯氫硅合成控制因素：反應(yīng)溫度280?320度；反應(yīng)一般不超過0.05MPa；硅粉粒度為80?120目；三氯氫硅含量大于等于80%，不含硅粉。三氯氫硅合成工藝中，沸騰爐合成器內(nèi)壓力一般不超過0.05MPa。目前，生產(chǎn)廠家對三氯氫硅的提純主要是采用精餾法。汽化是物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的相變過程。液體混合物在一定壓力下加熱到某一溫度時(shí)，液體中出現(xiàn)第一個(gè)很小的氣泡，即剛開始沸騰時(shí)的溫度叫該液體在指定壓力下的泡點(diǎn)溫度，簡稱泡點(diǎn)。把氣體混合物在壓力不變的條件下降溫冷卻，當(dāng)冷卻到某一溫度時(shí)，產(chǎn)生第一個(gè)微小的液滴的溫度叫做該混合物在指定壓力下的露點(diǎn)溫度，簡稱露點(diǎn)。簡單蒸餾是將原料液一次性加入蒸餾釜中，在一定壓強(qiáng)下加熱至沸騰，使液體不斷汽化，汽化得到的蒸氣引出經(jīng)冷凝后，加以收集。簡單蒸餾屬于間歇操作。在三氯氫硅提純過程中，為使氣液兩相充分接觸，鼓泡狀態(tài)是篩板塔的基本操作狀態(tài)。精餾是進(jìn)行多次部分氣化和多次部分冷凝的過程，可使混合液中組分得到幾乎完全的分離。第六章多晶硅制備與尾氣回收目前在多晶硅企業(yè)，三氯氫硅氫還原制備高純硅所用的還原爐采用鐘罩式還原爐。目前多晶硅生產(chǎn)企業(yè)都傾向于將四氯化硅轉(zhuǎn)化為三氯氫硅，再用于多晶硅生產(chǎn)，四氯化硅的氫化主要有冷氫化和熱氫化兩種方法。其中得到廣泛應(yīng)用的是冷氫化方法。作為發(fā)熱載體的硅芯，在化學(xué)腐蝕時(shí)，一般采用酸性（或濃硝酸和氫氟酸的混合液）腐蝕劑。三氯氫硅氫還原過程，是讓純硅沉積在一發(fā)熱載體上，主要有硅芯和金屬芯兩類發(fā)熱載體，其中硅芯是目前國內(nèi)制備多晶硅。硅芯的優(yōu)點(diǎn)：1）對還原生長的多晶硅不沾污，易獲得高純度多晶硅；2）不存在剝離發(fā)熱體芯，多晶硅的損耗小、實(shí)收率高。缺點(diǎn)：1）還原電氣設(shè)備較復(fù)雜；2）高壓啟動(dòng)控制難度大。金屬芯優(yōu)點(diǎn)：1）還原電氣控制相對簡便；2）低壓啟動(dòng)易操作。缺點(diǎn)：1）在高溫下對多晶硅有沾污，影響質(zhì)量；2） 去除金屬芯時(shí)硅耗損量達(dá)15%?25%；3） 消耗大量貴金屬材料。三氯氫硅氫還原制備高純硅工藝中，還原尾氣的主要成分有氫氣、氯化氫、三氯氫硅和四氯化硅。硅跳是指熔硅在石英坩堝中沸騰的現(xiàn)象。厲害的硅跳發(fā)生時(shí)，熔硅跳出坩堝外，飛濺在加熱器、保溫罩、石墨托碗和單晶爐壁上，使石墨件損壞，嚴(yán)重硅跳會(huì)燒壞單晶爐底。產(chǎn)生硅跳的原因有多種，主要有如下幾個(gè)方面：1）多晶硅料中有氧化夾層或封閉的氣泡；2）石英坩堝底部有封閉的氣泡；3）熔硅時(shí)溫度過高。吸收：指利用氣體混合物在液體中溶解度的差異而使氣體中不同組分分離的操作。再生：凈化劑使用一段時(shí)間后，吸附量達(dá)到飽和，將吸附劑中的雜質(zhì)和水分除去使之復(fù)活，再次連續(xù)使用的過程稱之為再生。吸附：在某一些物質(zhì)的界面上從周圍介質(zhì)中把能夠降低界面張力的物質(zhì)自動(dòng)地聚集到自己的表面上來，使得這種物質(zhì)在相表面上的濃度大于相內(nèi)部的濃度，叫吸附。脫吸（解吸）：吸收得到的溶質(zhì)氣體從液體中取出來，這種溶質(zhì)從溶液里脫離過程稱為脫吸（解吸）。第七章硅烷法制備多晶硅硅烷熱分解法制備高純硅由硅烷的制備、硅烷的提純和硅烷熱分解三個(gè)基本步驟組成。硅烷的提純多采用分子篩吸附和預(yù)熱分解提純硅烷法。硅烷法與改良西門子法相比，不需要精餾提純，流程相對簡單，從理論上說更優(yōu)越。但是硅烷相對于其他氯硅烷來說，更易與氧等物質(zhì)發(fā)生劇烈反應(yīng)，如果這個(gè)問題能夠在工藝與設(shè)備上得到解決，硅烷法將是非常有發(fā)展前景的一種生產(chǎn)方法。硅烷制備原理：液氨Mg2Si+4NH4Cl SiH4+2MgCl2+4NH3一般情況下，考慮到價(jià)格因素，硅烷法多晶硅料很少直接用作直拉單晶硅的硅原料。第八章晶體學(xué)基礎(chǔ)原子（分子或離子）在三維空間中組成固體時(shí)，按同一規(guī)律呈規(guī)則的排列，這樣的物體被稱為晶體。晶體的基本性質(zhì)包括：均一性、各向異性、自限性（或自范性）、對稱性和最小內(nèi)能性。同組分的晶體與非晶體相比，具有下列顯著的特點(diǎn)：大都有規(guī)則外形、一定的熔點(diǎn)、各向異性和最小的內(nèi)能等。辨別硅片是單晶還是多晶有兩種方法。1）根據(jù)單晶與多晶的區(qū)別，在同一平面上，單晶具有相同的晶向，反射光強(qiáng)度相同，故整個(gè)硅片呈現(xiàn)一致的顏色；而多晶在同一平面上是由多個(gè)不同晶向組成，不同的晶向?qū)饩€的反射不同，故多晶硅片呈現(xiàn)出深淺不同的色差。2）多晶硅片是由多晶硅錠切方、線切割而來，故一般為正方形，常見如156*156mm和125*125mm。而單晶硅片是由直拉單晶硅棒切割而來，在切片前，要首先去邊皮，故單晶硅片一般都有四個(gè)圓角。當(dāng)然偶爾也有例外的情況。晶體硅用堿性腐蝕液腐蝕，其腐蝕速度最快的晶面為（100）；晶體硅生長時(shí)，其法向生長最快的方向?yàn)椋?00）沿＜100＞方向生長的直拉單晶硅，有四條對稱分布的棱線。沿＜111＞方向生長的直拉單晶硅，有三條或六條對稱分布的棱線。由于非自發(fā)成核較自發(fā)成核容易得多，采用插入晶核（或籽晶）的方法，就有可能生長出單晶體。第九章晶硅制備技術(shù)與工藝在多晶硅料酸性腐蝕清洗時(shí)，需選用硝酸與氫氟酸混合液。單晶硅的實(shí)際生產(chǎn)方法主要為直拉法（或提拉法，CZ法，切氏法）和區(qū)熔法（或FZ法，懸浮區(qū)熔法）。目前生產(chǎn)太陽能級單晶硅的方法主要為直拉法（或提拉法，CZ法，切氏法）。一般情況下，區(qū)熔單晶硅不應(yīng)用于太陽電池的大規(guī)模生產(chǎn)上。溫度梯度是指熱場中某點(diǎn)A的溫度指向周圍鄰近的某點(diǎn)B的溫度的變化率，也即單位距離內(nèi)溫度的變化率。相對于直拉單晶來說，鑄造多晶硅有如下優(yōu)點(diǎn)：1）設(shè)備制造簡單，容易實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制。2）原料比較廣泛。3）裝料量大，產(chǎn)量高，適合大規(guī)模生產(chǎn)。4） 硅片大小可以隨意選取。5） 利用率高。6） 成本低缺點(diǎn)：具有晶界、高密度的位錯(cuò)、微缺陷和相對較高的雜質(zhì)濃度，從而降低了太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。直拉單晶硅的硅原料指準(zhǔn)備裝入石英坩堝中進(jìn)行單晶拉制的原料，包括還原法多晶硅、硅烷法多晶硅、區(qū)熔單晶頭尾料、直拉單晶硅頭尾料、鍋底料、硅片回收料等。1） 還原法多晶硅指用改良西門子法（三氯氫硅氫還原法）制備的多晶硅料。一對硅棒分為橫梁料、碳頭料和中間的直棒多晶料。其中直棒料既可作為直拉料用，也可作為區(qū)熔料用；橫梁料和碳頭料可作為直拉料用。2） 硅烷法多晶硅指用硅烷熱解法制備的多晶硅料。純度較高，價(jià)格也較高，一般提供給高阻區(qū)熔單晶做原料。3）粒狀多晶硅 指用流化床法制備的粒狀多晶硅料。純度只有6N，可作為太陽能級硅原料，不適于電路級單晶用。4） 區(qū)熔單晶頭尾料指區(qū)熔單晶切下合格產(chǎn)品后剩余的部分，如放肩、轉(zhuǎn)肩部分，收尾部分因其某些參數(shù)不合格的部分，以及測試用片等。輻照摻雜前的頭尾料可作為電路級直拉單晶原料，輻照摻雜后的頭尾料要根據(jù)電阻率的高低分級使用。若是區(qū)熔夾頭料，要經(jīng)特殊處理后方可做太陽能用料。5） 直拉單晶回收料指出路單晶經(jīng)檢驗(yàn)后不能作為產(chǎn)品的剩余部分，如放肩、轉(zhuǎn)肩部位；直徑、電阻率、壽命、缺陷等不合格的部分已經(jīng)測試片等；直拉單晶邊皮料。應(yīng)分檔使用，一般可用于分立元件，不能用于集成電路級。使用兩次后的復(fù)拉料不能重復(fù)使用，但可作為太陽能級單晶使用。6） 鍋底料直拉單晶后，石英坩堝底部剩余的硅料。應(yīng)分類存放、使用。7） 硅片回收料集成電路及光伏電池生產(chǎn)線中產(chǎn)生的一些廢硅片。經(jīng)處理后可作為太陽能級單晶原料。熔化原材料所用的石英坩堝一般在表面涂敷一層Si3N4或SiO/SiN等材料作為涂層。在直拉單晶爐的晶體生長控制器中，直徑控制器功能：通過紅外測溫儀對晶體生長時(shí)的光環(huán)信號進(jìn)行測量，間接測量晶體的直徑變化，并根據(jù)直徑信號的變化對晶體的提拉速度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)晶體直徑的等徑自動(dòng)生長。溫?？刂破鞴δ埽和ㄟ^對晶升速度的測量，將晶升速度與生長過程的拉速設(shè)定曲線進(jìn)行比較，對晶體的生長溫度進(jìn)行控制，使晶體提拉速度按工藝設(shè)定曲線進(jìn)行變化。直拉單晶硅生產(chǎn)工藝中從裝爐到停爐過程的拉晶流程圖。

裝爐一抽空一?爐燒一熔料一引晶一抜肩一轉(zhuǎn)肩一等徑停爐一收尾氛氣~~壓表一管道輸送—蒸發(fā)器一液氮儲(chǔ)罐硅料在石英坩堝中熔融后，需保溫一段時(shí)間，是為了讓熔硅溫度和流動(dòng)達(dá)到溫度。在引晶過程中，籽晶下降，距液面數(shù)毫米處暫停，使籽晶溫度盡量接近熔硅溫度，籽晶預(yù)熱，從而減小籽晶與熔硅接觸時(shí)在籽晶中產(chǎn)生的熱應(yīng)力?？s頸工藝的作用是使籽晶熔接時(shí)產(chǎn)生的位錯(cuò)盡量排出體外，生長出無位錯(cuò)單晶。收尾的作用是防止位錯(cuò)反延。新型直拉單晶硅生長技術(shù)有磁控直拉單晶硅生長（MCZ生長）、重