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1、一、硅材料简介硅周期表中位置Si铝 硅 磷Si：原子序数14，在元素周期表中属3周期IVA族。原子量28，最外层电子3S23P2，化合价4。碳硅锗AlCPGe硅物理性质硅英文名Silicon，源自silex，意为“燧石”；港、台也称“矽”。发现于1823年，地壳中的丰度为27.7% 地球上第二多的元素，与氧结合形成的SiO2，占地壳总质量的87%。以大量的硅酸盐和石英矿形式存在于自然界中。是矿物界的主要元素。单质具有无定形态和晶体两种固体形式。晶体硅的熔点1410，沸点2355 ，密度2.322.34g/cm3，莫氏硬度7，性脆。晶体硅硬而脆，具有金属光泽，导电率随温度升高而增加，具有半导体性
2、质。硅化学性质硅在常温下不活泼，其主要的化学性质如下：(1)与非金属作用常温下Si只能与F2反应，在F2中瞬间燃烧，生成SiF4。加热时，能与其它卤素反应生成卤化硅，与氧反应生成SiO2 。在高温下，硅与碳、氮、硫等非金属单质化合，分别生成碳化硅SiC、氮化硅 Si3N4、硫化硅SiS2等。(2)与酸作用Si在含氧酸中可被钝化；与氢氟酸及其混合酸反应，生成SiF4或H2SiF6 。(3)与碱作用无定形硅能与碱猛烈反应生成可溶性硅酸盐，并放出氢气。(4)与金属作用硅能与钙、镁、铜、铁、铂、铋等化合，生成相应的金属硅化物。 硅图示硅石金属硅石英砂单晶硅片多晶硅片硅的用途主要作为一种功能材料而利用其
3、电学性能晶体管和可控硅等分离电子元件大规模和超大规模集成电路（IC）太阳电池片其他用途光缆通讯：利用高纯掺杂的SiO2制造玻璃光纤各种硅添加剂：钢铁：变压器用（硅）矽钢片铝型材：铝硅合金化妆品：洁面乳中的研磨剂其他二、太阳电池简介光线在物体中的作用物体对入射光的反射、折射和吸收入射光反射光(折)透射光(被)吸收光物体对光的吸收吸收率光能的一部分可被物体吸收。 吸收率与物体厚度有关。如果入射光的能量为I0，则在 离表面距离x处，光的能量衰 减为I I = I0e-x式中为物体的吸收系数。上式表示光在物体中传播I/ 距离时，能量因吸收而衰减到 原来的1/e。I0Ix半导体材料的光吸收光电导现象半导
4、体材料的吸收系数较大，一般在1105cm-1以上。能够强烈吸收光的能量。半导体原子中的电子吸收能量，能态发生变化，产生电子跃迁：1、吸收少量能量，电子未离开其平衡位置，能量作用于晶格，最终 光能转变为热能；2、如果吸收能量较大，电子跃迁离开原子核束缚。从而产生电子-空穴对。称为半导体的本征吸收。在状态2时，半导体材料中的光吸收导致了非平衡载流子产生，总的载流子浓度增加，电导率增大，这就是半导体材料的光电导现 象-光敏特性 。光生伏特效应半导体的光伏效应在P、N型半导体的接触界面处存在一个因扩散和飘移而形成的平衡电场。如果入射光照射在半导体上，在p-n结附近将产生电子-空穴对。这些非平衡载流子向
5、内建电场两端的移动，就产生了光生电势（ 电压）。这时如果将p-n结和外电路连接，则电路中出现电流，称为光生伏特现象或光生伏特效应。光伏效应是光 (太阳) 电池工作的基本原理。太阳能地球上一切能量都是太阳能的不同表现形式太阳与地球太阳直径：1.39106 km体积：1.4081018 m3 质量：1.9891030 kg地球 平均直径：1.268104 km 体积：1.08321012 m3 质量：5.97421024 kg距离：1.49108km（平均值）太阳能量太阳构成太阳是由炽热气体构成的一个巨大球体太阳主要由氢和氦组成，其中氢71%，氦27%太阳中心温度约为1700万，表面温度接近580
6、0太阳能太阳内部不停地进行由氢向氦的热核聚变，巨大能量不断向宇宙 幅射幅射能：3.61023kW/s22亿分之一到达地球，70%到 达地面地面(1.81018kWh)， 相当于1.3106吨标准煤太阳能进入地球反射散射吸收大气层太阳能优势与石油、煤、核能和天燃气相比较不产生有害废渣和有害气体，不污染环境不受地域和资源的限制，使用方便且安全储量几乎是无限的，属于可再生资源因此，太阳能的研究和应用是今后人类社会能源发展的主要方向之一太阳内部的热核反应还可进行61010（60亿）年对于人类的短暂历史而言，太阳能是“取之不尽，用之不竭”的清洁能源！太阳能利用方式一、光化学转化太阳光照射下，物质发生化学
7、或生物反应，从而将太阳光能转化 成为电能或生物能等形式* 典型应用：植物的光合作用，农耕文明二、光热转化通过反射、吸收等方式收集太阳的幅射能，使之转化成热能* 典型应用：太阳能热水器、太阳能灶、太阳能温室等三、光电转化利用光电转换器件将太阳能转化成电能 * 典型应用：太阳电池太阳电池分类晶体硅太阳电池多晶硅电池、单晶硅电池、带状硅电池薄膜太阳电池砷化镓、非晶硅、多晶硅、CdTe、CuInSe2等薄膜电池美军已使用柔性太阳电池阵列为便携式电子设 备供电。图中这种设计用于铺在帐篷、掩体或 车辆顶部晶体硅电池与薄膜电池图示晶体硅太阳电池利用硅作为半导体材料所特有的光伏效应，制造 可实用的太阳光能转换
8、为电能的器件和系统1954年，美国贝尔实验室研制出世界上第一块真 正意义上的硅太阳电池，光电转换效率为6%左右 ，很快又升至10%。从此拉开了现代太阳光电（ 又称太阳光伏）产业的序幕硅太阳电池工作原理硅太阳电池制造工艺步骤1、制作多晶或单晶硅片2、制备硅片表面绒面结构3、在硅片表面制备p-n结4、在硅片背面沉积铝背场5、制作金属电极6、制备硅片表面的减反射层7、多片串联配组8、封装9、组成系统组件制造硅片多晶硅片原料为高纯多晶 硅，采用铸造工 艺，定向凝固法 铸出多晶硅方锭 ，经解方、切片 ，得到方形硅片单晶硅片 原料为高纯多晶硅 ，采用直拉单晶工 艺，生长出圆柱形 单晶锭，经磨制、 切片，得
9、到准方形 硅片制绒进行化学腐蚀，去除表面加工的损伤层进一步采取特殊腐蚀液制作绒面：对单晶片采用碱性择优腐蚀液，使表面形成金字塔形绒面结构对多晶片采用酸性非择优腐蚀液，使表面形成凹球面结构绒面结构可形成斜射，利于增加太阳光在硅片内部的 有效运动行程，并大大减少太阳光的反射沉积n型层作为基底的硅片是电阻率为0.52cm的p型料，因为硅中电子迁移率远远大于空穴迁移率，对光线的吸收，P型材料大约是N型的20倍。所以目前的晶体硅太阳电池都是p型基底半导体在硅片表面沉积五价磷元素，通过磷原子在基底的扩散，生成n型半导体层，与基底组成p-n结沉积方式有气态磷、固态磷和液态磷扩散三种制作背表面场在硅片背面制作
10、背场，减少少数载流子在表面复 合的概率，同时可作为电池片背面的电极制作背场的工艺是利用溅射等技术在硅片背面沉 积一层铝膜，然后高温热处理，使铝和硅合金化 并向内扩散，形成一层高铝浓度掺杂的p+层，构成铝背场 制作金属电极在p-n两面建立金属连接，以将电池片产生的电流引导到负载目前，硅片表面制作金属电极的工艺是采用金属导电浆料的丝网印刷方法下右图中电极为两条线，而现在一般为三条线和四条线。称为三线印刷 和四线印刷。线越多，电池光电转换效率越高，但同时电极线也遮挡了部分 电池表面。表面减反射层在硅片表面沉积一层高折射率薄膜，减少太阳光 的反射，也即增加入射光量。这种工艺完全类似 于照相机和望远镜上
11、镀增透膜早期常用的减反射层材料是钛的氧化物（ TiOx,x2），现代也使用SixNy膜层 多片串联单个电池片的电压和电流都较小，需要将很多片 进行串联，才能用于带动用电负载封装将多个电池片的串联件进行密封包装，框架采用 铝合金，表面采用高强度高透射性的玻璃组成系统太阳跟踪装置为最大限度采集太阳光，电池板需要随时调整方向，迎向太阳入 射光逆变器太阳电池产生的是直流电，而生活中的电器都使用交流电。因此 ，需要安装交-直流变换装置蓄电池太阳电池只能在白天太阳光照射下工作，而照明等应用在晚上。 因此，要将电池白天产生的电力存储起来其它控制器、电线电缆、防护固架等太阳电池系统图太阳电池系统应用影响电池转
12、换效率因素原材料纯度原生硅材料纯度对电池的光电转换效率有决定性的作用。材料内的氧、碳及重金属等杂质严重降低了电池片对太阳光能的 吸收和转化制作工艺铸锭工艺中要求晶粒越大越好，前些年出现准单晶铸锭工艺，但 成本 较高。现在有半熔工艺，生长粗大晶粒，效率比全熔工艺提 高约0.5%材料中的缺陷位错、晶界对电池的效率有一定的影响制片工艺也影响电池效率理论上，硅太阳电池的光电转换效率约为26%。目前实验室内单晶硅电池可 做到24%左右。工业生产中，单晶硅电池已达19%；多晶硅电池也达到18%以上三、多晶硅铸锭简介原材料原生硅材料太阳能一级、二级。可以是块料，也可以是短棒料，棒料长度为 200mm。边皮料用于进行P型掺杂，一般为前些炉次的碎料板料，为前些炉次方锭切下的厚块料，用于置放在坩埚底部和内 侧，起保护作用半熔工艺还需要3mm-9mm的碎料进行铺底，作为籽晶
