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1、太阳能发电,Photovoltaics,1,2,太阳能电池的发展原理,珈伟太阳能（武汉）有限公司,3,我们用到的太阳能,珈伟太阳能（武汉）有限公司,4,我们用到的太阳能,珈伟太阳能（武汉）有限公司,5,我们用到的太阳能,珈伟太阳能（武汉）有限公司,6,我们用到的太阳能,珈伟太阳能（武汉）有限公司,7,我们用到的太阳能,珈伟太阳能（武汉）有限公司,8,我们用到的太阳能,珈伟太阳能（武汉）有限公司,9,我们用到的太阳能,天生我材必有用 之 玉不琢不成器 原料的获得,珈伟太阳能（武汉）有限公司,10,第一部分,地球上的元素,珈伟太阳能（武汉）有限公司,11,天生我材必有用-玉不琢不成器,地壳及地壳里
2、各个元素的含量,珈伟太阳能（武汉）有限公司,12,天生我材必有用-玉不琢不成器,你了解硅吗？,珈伟太阳能（武汉）有限公司,13,硅： 晶体硅为金属灰色，非定型硅为黑色； 熔点：1420 沸点：2355 常温下化学性质稳定，不溶于单一的强酸，易溶于碱；在高温下化学性质活泼，能与许多元素化合。,天生我材必有用-玉不琢不成器,你了解硅吗？,珈伟太阳能（武汉）有限公司,14,天生我材必有用-玉不琢不成器,硅的存在形式,珈伟太阳能（武汉）有限公司,15,石英,硅酸钠,天生我材必有用-玉不琢不成器,关于纯度的表示法【5N，6N】指百分数里小数点前后的所有的“9”的个数 【ppm】是指百万分之一 【ppma
3、】指的是按原子密度计算的浓度 【ppmw】指的是按质量计算的浓度,珈伟太阳能（武汉）有限公司,16,天生我材必有用-玉不琢不成器,硅，是人类经过自己的努力提得最纯的物质，目前最高纯度的硅其纯度为： 99.99999999999999%,珈伟太阳能（武汉）有限公司,17,天生我材必有用-玉不琢不成器,半导体使用的硅,珈伟太阳能（武汉）有限公司,18,集成电路需要很纯的硅，目前，IC工业可以得到纯度为12N（99.9999999999%）的硅材料，但通常，对于大部分的集成电路来说，10N就能够满足需要了。,天生我材必有用-玉不琢不成器,在说到太阳能使用的硅之前，一起来想象一下：,珈伟太阳能（武汉）
4、有限公司,19,太阳能电池基本上就是一个面积为150250cm2的巨大的PN结（单个器件）；,而集成电路呢？需要做的是在一块很大的硅片上制造出无数个尺寸不到50nm的器件！,1,0.0000001,VS,天生我材必有用-玉不琢不成器,太阳能使用的硅,珈伟太阳能（武汉）有限公司,20,太阳能虽然也是半导体行业的一份子，但是是属于比较初级的应用，因此不像其它半导体应用、如集成电路那样，要求硅有十分高的纯度。研究发现，太阳能电池硅如果能够达到6N的纯度（我们称之为太阳能级硅），杂质的比例又合适的话，光电转换效率就可以非常好了。,天生我材必有用-玉不琢不成器,从石英到金属硅,珈伟太阳能（武汉）有限公司
5、,21,石英的主要成分你知道吗？二氧化硅-SiO2,将石英矿石破碎到合适的大小，与碳还原剂按特定的比例均匀混合放入矿热炉内（电弧电炉），通电产生电弧，将硅石熔化，使之在高温下与碳进行还原反应。（还原剂还可以选用焦碳、木炭、精煤和石油焦等）,体积和能耗都巨大的矿热炉,天生我材必有用-玉不琢不成器,不能说的秘密：,珈伟太阳能（武汉）有限公司,22,金属硅的冶炼在中国是一个产能过剩的行业。它耗电很大，每冶炼一吨金属硅，大约要消耗12000到15000度电，另外，矿热炉内的烟气污染也很大，由于低价竞争的原因，冶炼金属硅的利润并不高，因此，许多工厂不愿意投资去建设尾气回收设备。作为绿色能源的太阳能，在其
6、原料制备阶段却如此大量消耗能量并制造污染，实在是一个讽刺。（这一点在后面还会提到）,天生我材必有用-玉不琢不成器,从金属硅到多晶硅（化学法）,珈伟太阳能（武汉）有限公司,23,西门子法：用金属硅为原料，加入浓盐酸，再在高温条件下发生氢氯化反应生成三氯氢硅；加热使三氯氢硅气化，并对其进行分馏，得到高纯度的气态三氯氢硅；在特定容器中用氢气对三氯氢硅进行还原，就可以得到很纯的多晶硅；,天生我材必有用-玉不琢不成器,不能说的秘密：,珈伟太阳能（武汉）有限公司,24,西门子发最早由西门子公司采用，原理上并不难理解，但是用西门子法生产多晶硅有一个很大的难题国内一直无法突破在得到三氯氢硅的同时还产生大量的四
7、氯化硅，而这一部分却无法进入生产循环。这种状况造成的直接后果就是生产成本高居不下和对环境的大量污染。（国际上的西门子法的每公斤耗电为150度，而中国要250度，成本方面，国际上西门子法的每公斤多晶硅成本在30美圆左右，而中国的企业要将近70美圆！）,天生我材必有用-玉不琢不成器,需要知道的一点背景：2004年以前，太阳能电池应用得很少很少； 用一点少一点的常规能源； 2004年底，德国政府颁布了可再生能源法； 西班牙、美国加州、意大利、澳大利亚等国也纷纷对太阳能推出了形式各异的补贴政策；,珈伟太阳能（武汉）有限公司,25,天生我材必有用-玉不琢不成器,需要知道的一点背景（续）无论是单晶电池还是
8、多晶电池，原料都是多晶硅； 光伏行业的兴起直接造成多晶硅材料紧张。（2004年，太阳能级多晶硅还只有20美圆一公斤，而2008年中，就达到了480美圆一公斤，四年涨了24倍！） 对成本和技术难度要求更低的物理法多晶硅的研究就有了现实意义。包括WACKER，JFE，三菱，HEMLOCK，ELKEM，等公司在内的不少多晶硅或金属硅公司都又在重新开始研究物理法多晶硅的生产。,珈伟太阳能（武汉）有限公司,26,天生我材必有用-玉不琢不成器,从金属硅到多晶硅（物理法）,珈伟太阳能（武汉）有限公司,27,物理法也叫冶金法，就是将金属硅直接放入熔炉进行冶炼，将杂质通过高温熔炼和定向凝固去除，也可以得到6N以
9、上的金属硅。,小资料： 冶金法最早在1975年就由德国的WACKER公司的实验室进行了试验，但因为这个方法的极限也只有7N，当时完全不能满足半导体的应用，而太阳能电池的应用当时又几乎还没有，因此，当做到了5N 后，WACKER公司在西门子法提纯技术实现商业化之后，就停止了冶金法的研究。,天生我材必有用-玉不琢不成器,从金属硅到多晶硅（物理法）,珈伟太阳能（武汉）有限公司,28,物理法最常用的是采用对金属硅进行炉外精炼，通过吹气和造渣的方式将金属硅里的杂质进一步去除，然后先用酸洗，之后再进行真空熔炼，通过通入反应气体、加入反应剂、真空熔炼等手段将杂质以渣、气体的形式去除，也有在此阶段采用离子束、
10、电子束、电磁场等技术帮助除去个别杂质，再通过定向凝固的方法，利用分凝效应将硅中的杂质富集到硅锭的两端，得到大部分部位纯度比较纯的硅。,天生我材必有用-玉不琢不成器,物理法不能忽视的一些问题：由于没有类似化学法的气体分馏，物理法对金属硅的纯度要求比较高； 当纯度达到一定程度时，冶炼使用的矿热炉的炉体，电极等会变成污染源；,珈伟太阳能（武汉）有限公司,29,天生我材必有用-玉不琢不成器,UMG是什么东东？目前，国际上通常把物理法称为冶金法（Metallurgical Method），把物理法提纯的硅成为UMGS（Upgraded Metallurgical Grade Silicon），这是因为他
11、们把金属硅称为冶金级硅（MGS）的缘故。而化学法生产的用于太阳能电池的硅，则称为太阳能级硅（SGS，Solar Grade Silicon），半导体用的叫电子级硅（EGS, Electronic Grade Silicon）。,珈伟太阳能（武汉）有限公司,30,天生我材必有用-玉不琢不成器,珈伟太阳能（武汉）有限公司,31,提问时间,珈伟太阳能（武汉）有限公司,32,多晶硅片和单晶硅片是怎么样得到的？,多晶硅直接铸锭,珈伟太阳能（武汉）有限公司,33,天生我材必有用-玉不琢不成器,多晶硅直接铸锭切片主要是为了降低成本，多晶硅本身体内的缺陷等比单晶要多，所以多晶硅电池的性能比单晶硅要弱。,珈伟太
12、阳能（武汉）有限公司,34,天生我材必有用-玉不琢不成器,目前生产单晶硅的主要方法是直拉法【Czochralski/CZ法】具体过程是将多晶硅放在一个石英坩埚内，加热到1500度将其融化，然后把一个晶向确定的小块晶体（籽晶seed）插入熔融物中，熔融的硅会按照籽晶的晶向慢慢生长。,珈伟太阳能（武汉）有限公司,35,天生我材必有用-玉不琢不成器,CZ单晶炉,珈伟太阳能（武汉）有限公司,36,天生我材必有用-玉不琢不成器,得到单晶硅锭之后，还需要经过滚圆，去边，切片等工序才最终得到我们使用的硅片,珈伟太阳能（武汉）有限公司,37,天生我材必有用-玉不琢不成器,说说Evergreen，无论是多晶还是
13、单晶，最终都有切片过程，虽然现在的线切割技术已经很成熟，但切割带来的大量损耗却依然不可避免，为了解决这个问题Evergreen使用了一种无需切割的多晶制造技术- String Ribbon,珈伟太阳能（武汉）有限公司,38,天生我材必有用-玉不琢不成器,回顾一下提纯硅的过程仅仅提纯就足够了吗？可以直接拿来用么？如果不能用该怎么办？为什么要这么办？,珈伟太阳能（武汉）有限公司,39,天生我材必有用-玉不琢不成器,几个需要理解的基本概念：【电子】围着原子核转来转去的带负电的球（但是有些电子会到处晃悠）； 【空穴】电子跑掉后出现的一个带正电的坑，它可以装电子；（这个只是等效描述，非官方定义） 【载流
14、子】能形成电流的电子+空穴； 【载流子产生和复合】,珈伟太阳能（武汉）有限公司,40,天生我材必有用-玉不琢不成器,电子,珈伟太阳能（武汉）有限公司,41,天生我材必有用-玉不琢不成器,几个需要理解的基本概念：【本征半导体】 没有掺杂且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。（绝对纯净而且毫无瑕疵的半导体）本征半导体是一个理想的物理模型，实际生活中是不可能有真正的本征半导体存在滴,珈伟太阳能（武汉）有限公司,42,天生我材必有用-玉不琢不成器,需要理解的几个基本概念：【硅的原子结构】,珈伟太阳能（武汉）有限公司,43,天生我材必有用-玉不琢不成器,继续说说【本征半导体】常温下本征半导体内载流子浓
15、度很低，导电性差，且浓度对温度变化敏感，所以很难对半导体特性进行控制，因此实际应用不多。（因为载流子很少，本征硅的电阻率都较高）,珈伟太阳能（武汉）有限公司,44,天生我材必有用-玉不琢不成器,“菜太淡，怎么办？” 子曰：“这还用说？往里面加盐嘛”那么怎么样改造【本征半导体】呢？ 【掺杂】在硅中加入适当的杂质来改变硅的性质。,珈伟太阳能（武汉）有限公司,45,天生我材必有用-玉不琢不成器,需要理解的几个基本概念：【P型半导体】硼掺杂，受主杂质,珈伟太阳能（武汉）有限公司,46,天生我材必有用-玉不琢不成器,需要理解的几个基本概念：【N型半导体】磷掺杂，施主杂质,珈伟太阳能（武汉）有限公司,47
16、,天生我材必有用-玉不琢不成器,需要理解的几个基本概念：【杂质补偿】简单的说，如果是材料里，又有磷、又有硼，那么电子与空穴会互相填充，均失去了导电性，在宏观上，会表现出硅片电阻率升高的现象。（注意与本征硅的区别）【PN转型】在一块P型半导体里面不停的掺入磷，当所有的空穴都被填满之后，半导体在宏观上就会表现出N型半导体的导电类型，这就是转型。,珈伟太阳能（武汉）有限公司,48,天生我材必有用-玉不琢不成器,应该知道的知识：P型半导体内电子是少子，N型半导体内空穴是少子，由于有效质量不同，空穴的迁移率比电子低，在掺杂浓度相同的情况下，N型半导体具有更长的少子寿命，更适合制造高效的太阳能电池。,珈伟太阳能（武汉）有限公司,49,天生我材必有用-玉不琢不成器,但是，为什么太阳能用的硅片几乎都是P型呢？,珈伟太阳能（武汉）有限公司,50,天生我材必有用-玉不琢不成器,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P,
