太阳电池基础PPT课件

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1、Introduction to Solar Photovoltaic Technology 培训教师：冯少纯培训教师：冯少纯1 1第一节第一节1. 太阳电池发展史太阳电池发展史2 2太阳能太阳能n太阳是距离地球最近的恒星，直径约太阳是距离地球最近的恒星，直径约1390000km,1390000km,体积和质量是地球的体积和质量是地球的130130万倍和万倍和3333万倍。表面温度约为万倍。表面温度约为5800K5800K，主要由氢和氦组，主要由氢和氦组成。其中氢占成。其中氢占80%80%，氦占，氦占19%19%。n太阳内部处于高温高压状态，不停进行着热核太阳内部处于高温高压状态，不停进行着热核

2、反应，由氢聚变成氦，并将质量转化为能量。反应，由氢聚变成氦，并将质量转化为能量。n青藏高原是我国太阳能资源最好的地区，而四青藏高原是我国太阳能资源最好的地区，而四川盆地云雨天气多，太阳能资源相对较差。川盆地云雨天气多，太阳能资源相对较差。3 3太阳能太阳能n当太阳光照射到地球时，一部分光线当太阳光照射到地球时，一部分光线被被反射反射或或散射散射，一部分光线被吸收，一部分光线被吸收，只有约只有约70%70%的光线能到达地球表面。的光线能到达地球表面。n到达地球表面的太阳光一部分被表面到达地球表面的太阳光一部分被表面物体所吸收，另外一部分又被反射回物体所吸收，另外一部分又被反射回大气层。大气层。4

3、 4太阳电池发展史太阳电池发展史太阳能光伏发电最核心的器件太阳能光伏发电最核心的器件太阳电池。太阳电池。 从从1839年年法法国国科科学学家家E. Becquerel发发现现液液体体的的光光生生伏伏特特效效应应（简简称称光光伏伏现现象象）算算起起，太太阳阳能能电电池池已已经经经经过过了了160多多年年的的漫漫长长的的发发展展历历史史。从从总总的的发发展展来来看看，基基础础研研究究和和技技术术进进步步都都起起到到了了积积极极推推进进的的作作用用。对对太太阳阳电电池池的的实实际际应应用用起起到到决决定定性性作作用用的的是是美美国国贝贝尔尔实实验验室室关关于于单单晶晶硅硅太太阳阳电电池池的的研研制制

4、成成功功，在在太太阳阳电电池池发发展展史史上上起起到到里里程程碑碑的的作作用用。至至今今为为止止，太太阳阳能能电电池池的的基基本本结结构构和和机机理理没没有有发发生改变。生改变。5 5太阳电池发展史太阳电池发展史 太太阳阳电电池池后后来来的的发发展展主主要要是是薄薄膜膜电电池池的的研研发发，如如非非晶晶硅硅太太阳阳电电池池、CIS太太阳阳电电池池、CdTe太太阳阳电电池池和和纳纳米米燃燃料料敏敏化化太太阳阳电电池池等等，此此外外主主要要的的是是生生产产技技术术的的进进步步，如如丝丝网网印印刷刷、多多晶晶硅硅太太阳阳电电池池生生产产工工艺艺的的成成功功开开发发，特特别别是是氮氮化化硅硅薄薄膜膜的

5、的减减反反射射和钝化技术的建立以及生产工艺的高度自动化等。和钝化技术的建立以及生产工艺的高度自动化等。6 6太阳电池发展史太阳电池发展史 回回顾顾历历史史有有利利于于了了解解光光伏伏技技术术的的发发展展历历程程，按按时时间间的的发发展展顺顺序序，将将于于太太阳阳电电池池发发展展有有关关的的历历史事件汇总如下：史事件汇总如下： 1839年年法法国国实实验验物物理理学学家家E.Becquerel发发现现液液体体的的光光生生伏特效应，简称为光伏效应。伏特效应，简称为光伏效应。 1877年年W.G.Adams和和R.E.Day研研究究了了硒硒（Se）的的光光伏伏效应，并制作第一片硒太阳能电池。效应，并

6、制作第一片硒太阳能电池。 1883年年美美国国发发明明家家Charles Fritts描描述述了了第第一一块块硒硒太太阳阳能电池的原理。能电池的原理。7 7太阳电池发展史太阳电池发展史 1904年年Hallwachs发发现现铜铜与与氧氧化化亚亚铜铜（Cu/Cu2O）结结合合在在一一起起具具有有光光敏敏特特性性；德德国国物物理理学学家家爱爱因因斯斯坦坦（Albert Einstein）发表关于光电效应的论文。）发表关于光电效应的论文。 1918年年波波兰兰科科学学家家Czochralski发发展展生生长长单单晶晶硅硅的的提提拉拉法工艺。法工艺。 1921年年德德国国物物理理学学家家爱爱因因斯斯坦

7、坦由由于于1904年年提提出出的的解解释释光电效应的理论获得诺贝尔（光电效应的理论获得诺贝尔（Nobel）物理奖。）物理奖。贝贝尔尔(Bell)实实验验室室研研究究人人员员D.M.Chapin,C.S.Fuller和和G.L.Pearson报报道道4.5%效效率率的的单单晶晶硅硅太太阳阳能能电电池池的的发发现现，几个月后效率达到几个月后效率达到6%。8 8太阳电池发展史太阳电池发展史2000年年世世界界太太阳阳能能电电池池年年产产量量超超过过399MW；X. Wu， R. G. Dhere， D. S. Aibin等等报报道道碲碲化化镉镉（CdTe）太太阳阳能能电电池池效效率率达达到到16.4

8、%；单单晶晶硅硅太太阳阳能能电电池池售售价价约约为为3USD/W。2002年年世世界界太太阳阳能能电电池池年年产产量量超超过过540MW；多多晶晶硅硅太太阳能电池售价约为阳能电池售价约为2.2USD/W。9 9预计未来世界太阳预计未来世界太阳2020年年太太阳阳能能发发电电成成本本与与化化石石能能源源成成本本相相接接近近，德国可再生能源占德国可再生能源占20%。2030年年太太阳阳能能发发电电达达到到10%20%；德德国国将将关关闭闭所有的核电站。所有的核电站。能发电产业的发展能发电产业的发展1010预计未来世界太阳预计未来世界太阳2050年年世世界界太太阳阳能能发发电电利利用用将将占占世世界

9、界能能源源总总能能耗耗30%50%份额。份额。2100年年以以煤煤、石石油油、天天然然气气为为代代表表的的化化石石能能源源基基本本枯枯竭竭，人人类类主主要要利利用用太太阳阳能能、氢氢能能、风风能能、生生物物质质能能等等洁洁净净可可再再生生能能源源。人人类类将将充充分分利利用用太太阳能发电。阳能发电。能发电产业的发展能发电产业的发展1111中国太阳能发电发展史中国太阳能发电发展史1958年我国开始研制太阳能电池。年我国开始研制太阳能电池。1959年年中中国国科科学学院院半半导导体体研研究究所所研研制制成成功功第第一一片片具具有有实用价值的太阳能电池。实用价值的太阳能电池。1971年年3月月在在我

10、我国国发发射射的的第第二二颗颗人人造造卫卫星星科科学学实实验验卫卫星星实实践践一一号号上上首首次次应应用用由由天天津津电电源源研研究究所所研研制制的的太太阳阳能电池。能电池。19791979年年我我国国开开始始利利用用半半导导体体工工业业废废次次硅硅材材料料生生产产单单晶晶硅太阳能电池。硅太阳能电池。1212中国太阳能发电发展史中国太阳能发电发展史我我国国大大陆陆包包括括正正在在建建设设的的太太阳阳电电池池或或太太阳阳能能电电池池组组件件产产量量可可达达10MW以以上上的的厂厂家家有有很很多多，如如：无无锡锡尚尚德德，保保定定天天威威英英利利，宁宁波波太太阳阳能能，南南京京中中电电光光伏伏，上

11、上海海太太阳阳能能科科技技，云云南南天天达达和和常常州州天天合合等等。我我国国已已成成为为世世界界重重要要的的光光伏伏工工业业基基地地之之一一，初初步步形形成成一一个个以以光光伏伏工工业业为为源源头头的的高科技光伏产业链。高科技光伏产业链。 随随着着我我国国“可可再再生生能能源源法法”的的实实施施，我我国国太太阳阳能能光光伏伏发发电电将将得得到到快快速速发发展展。预预计计在在3 35 5年年内内我我国国在在太太阳阳能能光光伏伏电电池池研研发发、生生产产、应应用用产产品品开开发发将将形形成成一一个个世世界界级级的的产产业业基基地地，并并将将在在国国际际太太阳阳能能光光伏伏工工业业产产业业中中占占

12、据据重重要要的地位。的地位。1313太阳电池分类太阳电池分类l晶体硅太阳电池晶体硅太阳电池 （包括单晶硅和多晶硅太阳电池）（包括单晶硅和多晶硅太阳电池）l非晶硅太阳电池非晶硅太阳电池l薄膜太阳电池薄膜太阳电池l化合物太阳电池化合物太阳电池l有机半导体太阳电池有机半导体太阳电池1414第二节第二节2. 半导体材料与理论半导体材料与理论1515半导体定义半导体定义固体按导电性能的高低可以分为：固体按导电性能的高低可以分为：导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体 它们的导电性能不同，它们的导电性能不同， 是因为它们的能带结构不同。是因为它们的能带结构不同。1616半导体种类半导体种类u按照成分可分为：按照

13、成分可分为： 有机半导体有机半导体 无机半导体（元素半导体、化合物半导体）无机半导体（元素半导体、化合物半导体）u按照晶体结构可分为：按照晶体结构可分为： 非晶体半导体非晶体半导体 晶体半导体（单晶、多晶）晶体半导体（单晶、多晶）u按照特性、功能可分为：按照特性、功能可分为： 微电子材料、光电子材料、传感材料微电子材料、光电子材料、传感材料.1717半导体种类半导体种类 元素半导体共有元素半导体共有12种，包括种，包括 硅、锗、硼、碳、灰锡、磷、灰砷、灰锑、硅、锗、硼、碳、灰锡、磷、灰砷、灰锑、硫、硒、碲、碘。硫、硒、碲、碘。 其中只有硅、锗和硒在实际生产中得到其中只有硅、锗和硒在实际生产中得

14、到应用。应用。1818晶体概念晶体概念简单立方晶格简单立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格Au、Ag、Cu、Al 体心立方晶格体心立方晶格 Li、Na、K、Fe 六角密排晶格六角密排晶格 Be，Mg，Zn，Cd 晶体：晶体： 有有规则对称的几何外形；规则对称的几何外形； 物理性质物理性质(力、热、电、光力、热、电、光)各向异性各向异性； 有确定的熔点；有确定的熔点； 微观微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性上，分子、原子或离子呈有规则的周期性 排列，形成排列，形成空间点阵空间点阵(晶格晶格)。1919多晶结构多晶结构晶界晶界2020单晶结构单晶结构2121硅原子结构硅原子结构+142 8 4

15、Si+4硅原子结构硅原子结构 简化模型简化模型 硅，一种四价的非金属元素，在自然界分布极广，地壳中约含27.6%，主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。 元素符号Si，相对原子量为28.08653，在元素周期表中的lVA族（第四主族），第三周期。 2222n每个原子的价电子分别与相邻的四个原子的价电子组成共价键，在空间形成排列有序的单晶体结构 n纯净的单晶半导体称为本征半导体。本征半导体本征半导体2323价电子（热激发）价电子（热激发）自由电子自由电子-空穴对空穴对复合复合平衡平衡本征半导体中本征半导体中本征半导体本征半导体2424(1) 在半导体中有两种载流子在半导体中有两种载流子这就是半导体和

16、金属导电原理的这就是半导体和金属导电原理的 本质区别本质区别a. 电阻率大电阻率大(2) 本征半导体的特点本征半导体的特点b. 导电性能随温度变化大导电性能随温度变化大带正电的空穴带正电的空穴带负电的自由电子带负电的自由电子本征半导体不能在半导体器件中直接使用本征半导体不能在半导体器件中直接使用本征半导体本征半导体2525在外电场作用下，电子的定向移动形成电流在外电场作用下，电子的定向移动形成电流+-2626在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流+-2727n本征半导体缺点本征半导体缺点 1、电子浓度=空穴浓度； 2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！ 不

17、适宜制造半导体器件，通常要掺入不适宜制造半导体器件，通常要掺入一些杂质来提高导电能力。一些杂质来提高导电能力。本征半导体本征半导体2828杂质半导体杂质半导体杂杂质质半半导导体体(Impurity Semiconductor)：在在纯纯净净的的半半导导体体中适当掺入杂质中适当掺入杂质可提高半导体的导电能力可提高半导体的导电能力能改变半导体的导电机制能改变半导体的导电机制按按导导电电机机制制，杂杂质质半半导导体体可可分分为为n型型(电电子子导导电电)和和p型型(空空穴导电穴导电)两种。两种。 2929杂质半导体杂质半导体n型半导体型半导体 SiSiSiSiSiSiSiP 图图中中掺掺入入的的五五

18、价价P原原子子在在晶晶体体中中替替代代Si的的位位置置，构构成成与与Si相相同同的的四四电电子子结结构构，多多出出的的一一个个电电子子在在杂杂质质离离子子的的电电场范围内运动。场范围内运动。 3030杂质半导体杂质半导体磷原子磷原子硅原子硅原子SiPSiSi多余电子多余电子3131N型半导体n形成：本征半导体中掺入五价杂质原子形成：本征半导体中掺入五价杂质原子 ，如磷（，如磷（P）。）。n载流子：自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。载流子：自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。简化图简化图 杂质半导体杂质半导体3232杂质半导体杂质半导体(2) P型半导体型半导体 四四价价的的本本征征半

19、半导导体体 Si、Ge等等，掺掺入入少少量量三三价价的的杂杂质质元元素素(如如B、Ga、In等等)形成形成空穴型半导体空穴型半导体，也称，也称p型半导体型半导体。SiSiSiSiSiSiSi+B 图图中中在在硅硅晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的硼硼，晶晶体体点点阵阵中中的的某某些些半半导导体体原原子子被被杂杂质质取取代代，硼硼原原子子的的最最外外层层有有三三个个价价电电子子，与与相相临临的的半半导导体体原原子子形形成成共共价价键键时时产产生生一一个个空空穴穴。这这个个空空穴穴可可能能吸吸引引束束缚缚电电子子来来填填补补，使使得得硼硼原原子子成成为为不不能能移移动的带负电的离子。动的带负电的离子

20、。3333P型半导体n形成：本征半导体中掺入三价杂质原子形成：本征半导体中掺入三价杂质原子 ，如硼（，如硼（B）等。）等。n载流子：空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。载流子：空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。简化图简化图 （a）结构示意图）结构示意图 图图1-5 P型半导体的结构型半导体的结构杂质半导体杂质半导体3434n几个基本概念：几个基本概念： 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体自由电子、空穴自由电子、空穴多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子N N型半导体、型半导体、P P型半导体型半导体n无论是无论是N N型还是型还是P P型半导体都是电中性，对型半导体都

21、是电中性，对外不显电性。外不显电性。杂质半导体杂质半导体多子的浓度决定于掺杂原子的浓度多子的浓度决定于掺杂原子的浓度少子的浓度决定于温度少子的浓度决定于温度3535P-N结结1、P-N结的形成结的形成在在一一块块n型型半半导导体体基基片片的的一一侧侧掺掺入入较较高高浓浓度度的的受受主主杂杂质质， 由于杂质的补偿作用由于杂质的补偿作用, 该区就成为该区就成为p型半导体。型半导体。 在在半半导导体体内内，由由于于掺掺杂杂的的不不同同，使使部部分分区区域域是是n型型，另另一一部部分分区区域域是是p型型，它它们们交交界界处处的的结结构构称称为为p-n结结(P-N junction)。 由由于于区区的的

22、电电子子向向P区区扩扩散散，P区区的的空空穴穴向向N区区扩扩散散，在在p型型半半导导体体和和n型型半半导导体体的的交交界界面面附附近近产产生生了了一一个个由由np的电场，称为的电场，称为内建场内建场。3636P-N结结 内内建建场场大大到到一一定定程程度度,不不再再有有净净电电荷荷的的流流动动，达达到了新的平衡。到了新的平衡。内建场阻止电子和空穴进一步扩散，记作内建场阻止电子和空穴进一步扩散，记作 。3737P-N结结PN结的形成结的形成在交界面，由于两种载流子在交界面，由于两种载流子的浓度差，出现扩散运动。的浓度差，出现扩散运动。PN3838P-N结结PN结的形成结的形成在交界面，由于扩散运

23、动，在交界面，由于扩散运动，经过复合经过复合, ,出现空间电荷区。出现空间电荷区。空间电荷区空间电荷区耗尽层耗尽层PN3939P-N结结稳稳定定后后，n区区相相对对p区区有有电电势势差差U0 (n比比p高高)。p-n 结结也称也称势垒区势垒区。 电子电势能曲线电子电势能曲线U0电子能级电子能级电势曲线电势曲线P-N结结它它阻阻止止P区区带带正正电电的的空空穴穴进一步向进一步向N区扩散；区扩散；也也阻阻止止N区区带带负负电电的的电电子子进一步向进一步向P区扩散。区扩散。4040P-N结结PN结的形成结的形成PN结结当当扩扩散散电电流流等等于于漂漂移移电电流流时时，达到动态平衡，形成达到动态平衡，

24、形成PN结。结。4141P-N结结 在在P型型半半导导体体和和N型型半半导导体体结结合合后后，由由于于N型型区区内内电电子子很很多多而而空空穴穴很很少少，而而P型型区区内内空空穴穴很很多多电电子子很很少少，在在它它们们的的交交界界处处就就出出现现了了电电子子和和空空穴穴的的浓浓度度差差别别。这这样样，电电子子和和空空穴穴都都要要从从浓浓度度高高的的地地方方向向浓浓度度低低的的地地方方扩扩散散。于于是是，有有一一些些电电子子要要从从N型型区区向向P型型区区扩扩散散，也也有有一一些些空空穴穴要要从从P型型区区向向N型型区区扩扩散散。它它们们扩扩散散的的结结果果就就使使P区区一一边边失失去去空空穴穴

25、，留留下下了了带带负负电电的的杂杂质质离离子子,N区区一一边边失失去去电电子子，留留下下了了带带正正电电的的杂杂质质离离子子。半半导导体体中中的的离离子子不不能能任任意意移移动动，因因此此不不参参与与导导电电。这这些些不不能能移移动动的的带带电电粒粒子子在在P和和N区区交交界界面面附附近近，形形成成了了一一个个很很薄薄的的空空间间电电荷荷区区，就就是是所所谓的谓的PN结。结。文字总结：文字总结：PN结的形成结的形成4242P-N结结 扩扩散散越越强强，空空间间电电荷荷区区越越宽宽。在在空空间间电电荷荷区区，由由于于缺缺少少多多子子，所所以以也也称称耗耗尽尽层层。在在出出现现了了空空间间电电荷荷

26、区区以以后后，由由于于正正负负电电荷荷之之间间的的相相互互作作用用，在在空空间间电电荷荷区区就就形形成成了了一一个个内内电电场场，其其方方向向是是从从带带正正电电的的N区区指指向向带带负负电电的的P区区。显显然然，这这个个电电场场的的方方向向与与载载流流子子扩扩散散运运动动的的方方向向相相反反它它是是阻阻止止扩扩散的。散的。文字总结：文字总结：PN结的形成结的形成4343P-N结结 另另一一方方面面，这这个个电电场场将将使使N区区的的少少数数载载流流子子空空穴穴向向P区区漂漂移移，使使P区区的的少少数数载载流流子子电电子子向向N区区漂漂移移，漂漂移移运运动动的的方方向向正正好好与与扩扩散散运运

27、动动的的方方向向相相反反。从从N区区漂漂移移到到P区区的的空空穴穴补补充充了了原原来来交交界界面面上上P区区所所失失去去的的空空穴穴，从从P区区漂漂移移到到N区区的的电电子子补补充充了了原原来来交交界界面面上上N区区所所失失去去的的电电子子，这这就就使使空空间间电电荷荷减减少少，因因此此，漂漂移移运运动动的的结结果果是是使使空空间间电电荷荷区区变变窄窄。当当漂漂移移运运动动达达到到和和扩扩散散运运动动相相等等时时，PN结结便便处处于于动动态态平平衡衡状状态态。内内电电场场促促使使少少子子漂漂移移，阻阻止止多多子子扩扩散散。最最后后，多多子子的的扩扩散散和和少少子子的的漂漂移移达达到到动动态态平

28、衡。平衡。文字总结：文字总结：PN结的形成结的形成4444载载流流子子浓浓度度差差复复合合内电场内电场阻碍多子扩散阻碍多子扩散帮助少子漂移帮助少子漂移扩扩散散漂漂移移动动态态平平衡衡内电场内电场多多子子扩扩散散产产生生空空间间电电荷荷区区P区区N区区PN结结稳稳定定PN结的形成过程结的形成过程PN结结4545P-N结的单向导电性结的单向导电性 由由于于p-n结结处处阻阻挡挡层层的的存存在在，把把电电压压加加到到p-n结结两两端端时，阻挡层处的电势差将发生变化。时，阻挡层处的电势差将发生变化。p型型n型型I(1) 正向偏压正向偏压在在p-n结结的的p端端接接电电源源正正极极，n端端接接负负极极，

29、这这叫叫对对P-N结结加加正正向向偏偏压压(如如图图)。此此时时 与与 反反向向，阻挡层势垒削弱、阻挡层势垒削弱、变变窄窄，有有利利于于空空穴穴向向n型型区区、电电子子向向p型型区区移移动动，即即形形成成正向电流正向电流(mA级级)4646P-N结的单向导电性结的单向导电性外外加加电电压压越越大大，正正向向电电流流也也越越大大，而而且且呈呈非线性的伏安特性。非线性的伏安特性。 V（伏）（伏）302010（毫安）（毫安）正向正向00.21.0I4747P-N结的单向导电性结的单向导电性(2) 负向偏压负向偏压在在p-n结结的的p型型一一端端接接电电源源负负极极，另另一一端端接接正正极极，这这叫叫

30、对对p-n结结加加反反向向偏偏压压。此此时时 与与 同同向向，阻阻挡挡层层势势垒垒增增大大、变变宽宽，不不利利于于空空穴穴向向n型型区区、电电子子向向p型型区区移移动动。没没有有正正向电流。向电流。p型型n型型IE阻阻E外外 但但是是，由由于于少少数数载载流流子子的的存存在在，在在外外电电场场作作用用下下，会会形形成成很很弱弱的的反反向向电电流，称为流，称为漏电流漏电流( A级级)。 4848P-N结的单向导电性结的单向导电性 当当反反向向电电压压超超过过某某一一数数值值后后，反反向向电电流流会会急急剧剧增增大大，这这称称为为反反向击穿向击穿。击穿电压击穿电压V (伏伏)- -10- -20-

31、 -30I（微安）（微安）反向反向- -20- -30 由由上上可可知知，p-n结结可可以以作作成成具具有有整整流流、开开关关等作用的等作用的晶体二极管晶体二极管(diode)。 P-N结的反向击穿结的反向击穿 4949P-N结的单向导电性结的单向导电性PN结外加正向电压时处于导通状态结外加正向电压时处于导通状态加正向电压是指加正向电压是指P端加正电压，端加正电压，N端加负电压，也称正向端加负电压，也称正向接法或正向偏置。接法或正向偏置。5050P-N结的单向导电性结的单向导电性 内电场内电场外电场外电场外外电电场场抵抵消消内内电电场场的的作作用用，使使耗耗尽尽层变窄，形成较大的扩散电流。层变

32、窄，形成较大的扩散电流。5151P-N结的单向导电性结的单向导电性PN结外加反向电压时处于截止状态结外加反向电压时处于截止状态外电场和内电场的共同作用，使耗外电场和内电场的共同作用，使耗尽层变宽，形成很小的漂移电流。尽层变宽，形成很小的漂移电流。5252P-N结的单向导电性结的单向导电性PN结的伏安特性结的伏安特性 正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿反向击穿PN结的电流方程为结的电流方程为其中，其中， IS 为反向饱和电流，为反向饱和电流， UT26mV，5353半导体的导电特性半导体的导电特性1、掺杂特性、掺杂特性 掺掺入入微微量量的的杂杂质质（简简称称掺掺杂杂）能能显显著著地地改改变

33、变半半导导体体的的导导电电能能力力。杂杂质质含含量量改改变变能能引引起起载载流流子子浓浓度度变变化化，半半导导体体材材料料电电阻阻率率随随之之发发生生很很大大变变化化。在在同同一一种种材材料料中中掺掺入入不不同同类类型型的的杂杂质质，可可以以得得到到不同导电类型的半导体材料。不同导电类型的半导体材料。5454半导体的导电特性半导体的导电特性2、温度特性、温度特性 温温度度也也能能显显著著改改变变半半导导体体材材料料的的导导电电性性能能。一一般般来来说说，半半导导体体的的导导电电能能力力随随温温度度升升高高而而迅迅速速增增加加，即即半半导导体体的的电电阻阻率率具具有有负负的的温温度度系系数数，而

34、而金金属属的的电电阻阻率率具具有有正正当当温温度度系系数数，且且其其随随温温度度的的变化很慢。变化很慢。5555半导体的导电特性半导体的导电特性3、环境特性、环境特性 半半导导体体的的导导电电能能力力还还会会随随光光照照而而发发生生变变化化（称称为为光光电电导导现现象象）。此此外外半半导导体体的的导导电电能能力力还还会会随随所所处处环环境境的的电电场场、磁磁场场、压压力力和和气气氛氛的的作作用用等而变化。等而变化。5656半导体的特性应用半导体的特性应用1、热敏电阻、热敏电阻 根根据据半半导导体体的的电电阻阻值值随随温温度度的的升升高高而而迅迅速速下下降降的的现现象象制制成成的的半半导导体体器

35、器件件，称称为为热热敏敏电电阻阻(thermosensitive resistance) 。热热敏敏电电阻阻有有体体积积小小，热热惯惯性性小小，寿寿命命长长等优点，已广泛应用于自动控制技术。等优点，已广泛应用于自动控制技术。 5757半导体的特性应用半导体的特性应用2、光敏电阻、光敏电阻 半半导导体体硒硒，在在照照射射光光的的频频率率大大于于其其红红限限频频率率时时，它它的的电电阻阻值值有有随随光光强强的的增增加加而而急急剧剧减减小小的的现现象象。利利用用这这种种特特性性制制成成的的半半导导体体器器件件称称为为光光敏敏电电阻阻(photosensitive resistance)。光光敏敏电电

36、阻阻是是自自动动控控制制、遥遥感感等技术中的一个重要元件等技术中的一个重要元件。 5858半导体的特性应用半导体的特性应用3、温差热电偶、温差热电偶 把把两两种种不不同同材材料料的的半半导导体体组组成成一一个个回回路路，并并使使两两个个接接头头具具有有不不同同的的温温度度，会会产产生生较较大大的的温温差差电电动动势势，称称为为半半导导体体温温差差热热电电偶偶。温温度度每每差差一一度度，温差电动势能够达到、甚至超过温差电动势能够达到、甚至超过1毫伏。毫伏。利利用用半半导导体体温温差差热热电电偶偶可可以以制制成温度计，或小型发电机成温度计，或小型发电机。 5959半导体的特性应用半导体的特性应用4

37、、集成电路、集成电路 p-n结结的的适适当当组组合合可可以以作作成成具具有有放放大大功功能能的的晶晶体体三三极极管管(trasistor)，以以及及其其他他各各种种晶晶体体管管。进进一一步步可可将将它它们们作作成成集集成成电电路路、大大规规模模集集成成电电路路和和超大规模集成电路。超大规模集成电路。6060半导体的特性应用半导体的特性应用 1947年年12月月23日，美国贝尔实日，美国贝尔实验室的半导体小组，验室的半导体小组，W. Shockley， J. Bardeen，W. Brattain做出了世做出了世界上第一只具有放大作用的点接触界上第一只具有放大作用的点接触型晶体三极管。型晶体三极

38、管。固定针固定针B探针探针固定针固定针AGe晶片晶片1956年小组的三位成员获诺贝尔物理奖。年小组的三位成员获诺贝尔物理奖。人类历史上的人类历史上的第一个晶体管第一个晶体管6161半导体的特性应用半导体的特性应用人类历史上的第一块集成电路人类历史上的第一块集成电路1958年年9月月 Texas InstrumentsJack Kilby2000年诺贝尔奖年诺贝尔奖6262半导体的特性应用半导体的特性应用pnp电信号电信号cbVebVcbRe后来，晶体管又从点接触型发展到后来，晶体管又从点接触型发展到面接触型面接触型。晶体管比真空电子管体积小，重量轻，成本低，可晶体管比真空电子管体积小，重量轻，

39、成本低，可靠性高，寿命长，很快成为第二代电子器件。靠性高，寿命长，很快成为第二代电子器件。6363半导体的特性应用半导体的特性应用INMOS T900 微处理器微处理器每每一一个个集集成成块块(图图中中一一个个长长方方形形部部分分)约约为为手手指指甲甲大大小小，它它有有300多多万万个三极管个三极管 6464半导体的特性应用半导体的特性应用1971年制造的第一个单片机年制造的第一个单片机Intel 4004，2300个晶体管个晶体管10微米技术微米技术, 640bytes，108KHzPentium IV5500万个晶体管万个晶体管0.13微米技术微米技术6565光生伏特效应光生伏特效应 当当

40、P型型半半导导体体和和N型型半半导导体体结结合合在在一一起起，形形成成PN结结时时，由由于于多多数数载载流流子子的的扩扩散散，形形成成了了空空间间电电荷荷区区，并并形形成成一一个个不不断断增增强强的的从从N型型半半导导体体指指向向P型型半半导导体体的的内内建建电电场场。导导致致多多数数载载流流子子反反向向漂漂移移。达达到到平平衡衡后后，扩扩散散产产生生的的电电流流和和漂漂移产生的电流相等。移产生的电流相等。 如如果果光光照照在在PN结结上上，而而且且光光能能大大于于PN结结的的禁禁带带宽宽度度，则则在在PN结结附附近近将将产产生生电电子子 空空穴穴对对。由由于于内内建建电电场场的的存存在在，产

41、产生生的的非非平平衡衡载载流流子子将将向向空空间间电电荷荷区区两两端端漂漂移移，产产生生光光生生电电势势（电电压压），破破坏坏了了原原来来的的平平衡衡。如如果果将将PN结结与与外外电电路路相相连连，则则电电路路中中出出现现电电流流，称称为为光光生生伏伏特特现现象象或或光光生生伏特效应。伏特效应。PN结结6666光生伏特效应光生伏特效应 当光照射在当光照射在p-n结上时，光结上时，光子会产生子会产生电子电子-空穴对空穴对。 e+ h+pn+_光光 由由光光照照射射，使使p-n结结产产生生电电动动势势的的现现象象称称光光生生伏伏特特效效应应。利利用用太太阳阳光光照照射射p-n结结产产生生电电池池的

42、的装装置置叫叫太太阳阳能能电池电池。太阳能电池应用前景十分广泛。太阳能电池应用前景十分广泛。6767PN结的制备结的制备nP386868第三节第三节3. 硅片的生产硅片的生产6969硅材料硅材料 太太阳阳电电池池产产品品需需要要高高纯纯的的原原料料，对对于于太太阳阳电电池池要要求求硅硅材材料料的的纯纯度度约约是是99.99%99.9999%。而而对对半半导导体体技技术术要要求求的的纯纯度度还还要要高高几几个个数数量量级级。硅硅材材料料是是用用二二氧氧化化硅硅(SiO2)作作为为生生产产原原料料，将将其其熔熔化化并并除除去去杂杂质质就就可可制制取取粗粗级级硅硅，也也称称冶冶金金级级硅硅、工业硅、

43、金属硅。工业硅、金属硅。7070硅材料硅材料 多多晶晶硅硅按按纯纯度度分分类类可可以以分分为为冶冶金金级级（工工业业硅硅）、太太阳能级、电子级。阳能级、电子级。 1、冶冶金金级级硅硅(Metallurgical Grade, MG)：是是硅硅的的氧氧化化物物在电弧炉中被碳还原而成。一般含在电弧炉中被碳还原而成。一般含Si为为9099%。2、太太阳阳级级硅硅(Solar Grade, SG)：纯纯度度介介于于冶冶金金级级硅硅与与电电子子级级硅硅之之间间，至至今今未未有有明明确确界界定定。一一般般认认为为含含Si在在99.9999.9999（46个个9）3、电电子子级级硅硅(Electronic

44、Grade, EG)：一一般般要要求求含含Si99.9999%以以 上上 ， 超超 高高 纯纯 达达 到到 99.9999999% 99.999999999%（911个个9）。其导电性介于）。其导电性介于 10- -41010 欧厘米。欧厘米。7171太阳能级硅太阳能级硅太太阳阳能能级级硅硅是是电电子子级级硅硅生生产产过过程程的的副副产产品品，按按照照质质量量排排序序主主要要包包括括以以下下几几种种：电电子子级级硅硅的的次次级级产产品品等等外外品品硅硅大大块块料料小小块块料料单单晶晶硅硅锭锭头头尾尾料料厂厂内内循循环环返返回回料料埚底料埚底料其它来源的硅料其它来源的硅料 杂质含量：杂质含量：1

45、0100 ppm 电阻率：电阻率： 0.51 ohm-cm以上以上 (B、P)(1) 少子寿命少子寿命 (ms) (2) 单位硅料消耗单位硅料消耗 （克硅（克硅/瓦或吨硅瓦或吨硅/兆瓦）兆瓦） (3) 太阳电池组件总成本太阳电池组件总成本评价因素：评价因素：7272太阳能级硅太阳能级硅 现现在在的的发发展展趋趋势势是是不不管管是是单单晶晶还还是是多多晶晶硅硅太太阳电池，都使用大尺寸、超薄的硅片。阳电池，都使用大尺寸、超薄的硅片。 随随着着半半导导体体材材料料技技术术的的发发展展，对对硅硅片片的的规规格格和和质质量量也也提提出出更更高高的的要要求求，适适合合微微细细加加工工的的大大直直径径硅硅片

46、片在在市市场场中中的的需需求求比比例例将将日日益益加加大大。目目前前，硅硅片片主主流流产产品品是是 200mm，逐逐渐渐向向300mm过过渡渡，研研制制水水平平达达到到400mm450mm。据据统统计计，200mm硅硅片片的的全全球球用用量量占占60%左左右右，150mm占占20%左左右右，其其余余占占20%左左右。右。 大尺寸：大尺寸：7373太阳能级硅太阳能级硅 而而厚厚度度开开始始从从330 m向向240 m 、220 m甚甚至至可可减减少少到到100 m以以下下。德德国国太太阳阳能能系系统统研研究究所所使使用用40 m超超薄薄硅硅片片，制制作作的的太太阳阳电电池池的的转转换换效效率率也

47、也达达到到20%。这这些些技技术术的的推推广广使使用用将将节节省省大大量量的的硅硅材材料料，可可明明显显降降低低太太阳阳电电池池的的生生产产成成本本，有有利地促进太阳电池工业的发展。利地促进太阳电池工业的发展。薄厚度：薄厚度：7474太阳能级硅太阳能级硅杂杂 质：质：(1) 周期表中周期表中III或或V族元素，如硼（族元素，如硼（B）、磷（）、磷（P）等）等 电离能低，对电导率影响显著，作掺杂剂电离能低，对电导率影响显著，作掺杂剂 P型掺硼（受主），型掺硼（受主），N型掺磷（施主）型掺磷（施主） (2) I副族和过渡金属元素，如副族和过渡金属元素，如Fe、Zn、Mn、Cr等等 电离能高，起复合

48、中心的作用电离能高，起复合中心的作用 破坏破坏 PN 结特性，少子寿命降低，转换效率下降结特性，少子寿命降低，转换效率下降 (3) 碳、氧、氮等元素碳、氧、氮等元素 形成化合物，形成化合物， 结晶缺陷，结晶缺陷， 性能不均匀，硅片变脆性能不均匀，硅片变脆7575沙子变黄金沙子变黄金晶体硅晶体硅沙子变黄金沙子变黄金硅：遍地的沙子硅：遍地的沙子 硅硅在在地地壳壳中中的的丰丰度度为为27.7%，在在所所有有的的元元素素中中居居第第二二位位，但但大大部部分分以以氧氧化化物物的的形形式式存存在在。地地壳壳中中含含量量最最多多的的元元素素氧氧和和硅硅结结合合形形成成的的二二氧氧化化硅硅SiO2，占占地地壳

49、壳总总质质量量的的87%。我我国国高高氧氧化化含含量量的的石石英英和和硅硅石石藏藏量量丰丰富富，分分布布很很广广，全全国国各各地地几几乎乎都都发发现现有有高高品品位位的的含含氧氧化化硅硅矿矿，SiO2的含量的含量 大都在大都在99%以上。以上。SiO2硅材料的原料硅材料的原料7676冶金硅冶金硅冶金硅：耗费能源的低级产品冶金硅：耗费能源的低级产品 冶冶金金级级硅硅是是工工业业提提纯纯的的单单质质硅硅，又又称称金金属属硅硅或或工工业业硅硅，硅硅含含量量的的纯纯度度约约为为98.5%-99.5%。、采采用用生生产产方方法法是是将将二二氧氧化化硅硅和和碳碳元元素素（可可以以用用煤煤、焦焦炭炭和和木木

50、屑屑等等）一一起起在在电电弧弧炉炉中中加加热热至至2100C左左右右，这这时时碳碳就就会会将将硅硅还还原原出来。出来。 SiO2 + 2C = Si + 2CO生产工艺化学反应方程式：生产工艺化学反应方程式：7777冶金硅冶金硅 冶冶金金硅硅广广泛泛应应用用于于冶冶金金、化化工工、电电子子等等行行业业。据据统统计计，用用于于铝铝工工业业的的金金属属硅硅约约占占整整个个行行业业需需求求的的60%左左右右，钢钢铁铁工工业业约约为为15%，有有机机硅硅行行业业约约为为20%，半半导导体体及及其其他行业约为他行业约为5%。 在在高高温温下下，SiO2与与焦焦炭炭反反应应，生生成成液液相相的的硅硅沉沉入

51、入电电弧弧炉炉底底部部，此此时时铁铁作作为为催催化化剂剂可可有有效效阻阻止止碳碳化化硅硅的的形形成成。在在电电弧弧炉炉底底部部开开孔孔可可将将液液相相硅硅收收集集，凝凝固固后后可可通通过过机机械械粉粉碎碎，得得到到冶冶金金级级硅硅粉粉。其其中中含含有有大大量量的的金金属属杂杂质质，如如铁、镍、铜、锌等。铁、镍、铜、锌等。 7878冶金硅冶金硅 冶冶金金硅硅的的附附加加产产品品包包括括硅硅微微粉粉、边边皮皮硅硅、黑黑皮皮硅硅、金金属属硅硅渣渣等等。其其中中硅硅微微粉粉也也称称硅硅粉粉、微微硅硅粉粉或或硅硅灰灰，它它广泛应用于耐火材料和混凝土行业。广泛应用于耐火材料和混凝土行业。 生生产产一一吨吨

52、冶冶金金硅硅，需需要要消消耗耗12,00013,000 度度电电，电电力力成成本本占占整整个个生生产产成成本本的的60%。因因此此我我国国冶冶金金硅硅产产能能主主要要集集中中在在硅硅石石资资源源非非常常丰丰富富、水水电电充充沛沛的的贵贵州州、云云南南、福建、广西、四川、湖南等地区。福建、广西、四川、湖南等地区。 全全球球冶冶金金硅硅生生产产国国主主要要有有中中国国、巴巴西西、挪挪威威、美美国国、俄俄罗罗斯斯等等，我我国国是是全全球球最最大大的的冶冶金金硅硅生生产产国国。据据统统计计，中中国国现现在在的的冶冶金金硅硅产产能能至至少少有有150万万吨吨，占占全全球球冶冶金金硅硅总产能的总产能的75

53、%。 7979冶金硅冶金硅 由由于于冶冶金金硅硅行行业业的的准准入入门门槛槛很很低低，投投资资1台台6300KVA 的的硅硅炉炉只只需需要要300400万万元元，在在20032004 年年间间，各各地地纷纷纷纷开开始始投投资资生生产产金金属属硅硅，使使得得中中国国的的金金属属硅硅产产能能飞飞速速增增长长，最最终终导导致致的的结结果果是是金金属属硅硅价价格格长长期期低低迷迷，一一直直在在1.01.5美美元元/公公斤斤徘徘徊徊。总总体体而而言言，全全球球金金属属硅硅的的产产能能及及价价格格并并不不能能对对目目前前全全球球紧紧缺缺的的多多晶晶硅硅生生产产构构成重大实质性影响。成重大实质性影响。 20

54、05年中国产冶金硅年中国产冶金硅5-5-3 FOB价格曲线图价格曲线图 单位：美元单位：美元/吨吨8080多晶硅多晶硅多晶硅：全球电子工业及光伏产业的基石多晶硅：全球电子工业及光伏产业的基石 多多晶晶硅硅是是由由工工业业硅硅粉粉氯氯化化，采采用用物物理理化化学学方方法法提提炼炼和和特特定定条条件件下下还还原原生生产产的的新新材材料料。多多晶晶硅硅是是单单晶晶硅硅生生产产的的基基本本原原料料，是是现现代代微微电电子子工工业业的的基基础础材材料料。目目前前，100%的的集集成成电电路路（Integrated Circuit, IC）及）及95的太阳能电池是硅制造的。的太阳能电池是硅制造的。 818

55、1多晶硅的提纯多晶硅的提纯 多多晶晶硅硅主主要要采采用用化化学学提提纯纯、物物理理提提纯纯两两种种方方法进行生产。法进行生产。 化学提纯法：化学提纯法：物理提纯法：物理提纯法：X 西门子法（气相沉淀反应法）西门子法（气相沉淀反应法）X 硅烷热分解法硅烷热分解法X 流化床法流化床法X 区域熔化提纯法（区域熔化提纯法（FZ）X 直拉单晶法（直拉单晶法（CZ）X 定向凝固多晶硅锭法（铸造法）定向凝固多晶硅锭法（铸造法）8282多晶硅的提纯多晶硅的提纯u化学提纯是指通过化学反应，将硅转化为化学提纯是指通过化学反应，将硅转化为中间化合物，再利用精馏提纯等技术提纯中间化合物，再利用精馏提纯等技术提纯中间化

56、合物，使之达到高纯度；然后再将中间化合物，使之达到高纯度；然后再将中间化合物还原成硅，此时的高纯硅为多中间化合物还原成硅，此时的高纯硅为多晶状态，可以达到半导体工业的要求。晶状态，可以达到半导体工业的要求。u其共同特点是：中间化合物容易提纯。其共同特点是：中间化合物容易提纯。8383高纯多晶硅的生产高纯多晶硅的生产西门子法西门子法 德国西门子公司于德国西门子公司于1954年发明，也叫三氯年发明，也叫三氯氢硅氢还原法，是广泛采用的高纯多晶硅氢硅氢还原法，是广泛采用的高纯多晶硅制备技术。制备技术。 它主要利用金属硅和氯化氢反应，生成中它主要利用金属硅和氯化氢反应，生成中间化合物三氯氢硅间化合物三氯

57、氢硅 Si + 3HCl = SiHCl3 + H2 反应除生成三氯氢硅外，还有其它杂反应除生成三氯氢硅外，还有其它杂质，需要精馏化学提纯。质，需要精馏化学提纯。8484高纯多晶硅的生产高纯多晶硅的生产 将置于反应室的原始高纯多晶硅细棒（直将置于反应室的原始高纯多晶硅细棒（直径约径约5 mm）通电加热到）通电加热到1100摄氏度以上，摄氏度以上，通入中间化合物三氯氢硅和高纯氢气，发通入中间化合物三氯氢硅和高纯氢气，发生还原反应，采用化学气相沉积技术生成生还原反应，采用化学气相沉积技术生成新的高纯硅沉积在硅棒上，使硅棒不断长新的高纯硅沉积在硅棒上，使硅棒不断长大，直到硅棒直径达到大，直到硅棒直径

58、达到150-200mm。 SiHCl3 + H2 = Si + 3HCl 国国内内外外现现有有的的多多晶晶硅硅厂厂绝绝大大部部分分采采用用此此法法生生产产电子级与太阳能级多晶硅。电子级与太阳能级多晶硅。 8585高纯多晶硅的生产高纯多晶硅的生产硅烷热分解法硅烷热分解法 优点：硅烷容易提纯；优点：硅烷容易提纯； 硅烷分解直接生成多晶硅，不需要硅烷分解直接生成多晶硅，不需要 还原反应，且分解温度低。还原反应，且分解温度低。 缺点：综合生产成本高。缺点：综合生产成本高。8686高纯多晶硅的生产高纯多晶硅的生产制备硅烷的方法：制备硅烷的方法：1、硅化镁在液氨中与氯化铵反应来制取硅烷。硅化镁在液氨中与氯

59、化铵反应来制取硅烷。 此时液氨既是溶剂又是催化剂。此时液氨既是溶剂又是催化剂。 Mg2Si+4NH4Cl=SiH4+4NH3+2MgCl2 (- -30、液氨中、液氨中) 日日本本小小松松电电子子公公司司发发明明，美美国国Asimi和和SGS公公司司也有应用。也有应用。8787高纯多晶硅的生产高纯多晶硅的生产2、利用四氯化硅和金属硅反应生成三氯氢硅，利用四氯化硅和金属硅反应生成三氯氢硅，然后三氯氢硅歧化反应，生成二氯氢硅，最后然后三氯氢硅歧化反应，生成二氯氢硅，最后二氯氢硅催化歧化反应生成硅烷二氯氢硅催化歧化反应生成硅烷。 3SiCl4 + 2H2 + Si = 4SiHCl3 2SiHCl3

60、 = SiH2Cl2 + SiCl4 SiH2Cl2= SiH4 + SiHCl3 此技术由美国联合碳化物公司（此技术由美国联合碳化物公司（Union Carbide）提出。）提出。8888高纯多晶硅的生产高纯多晶硅的生产 以上两种方法制得的硅烷可以利用精馏以上两种方法制得的硅烷可以利用精馏技术提纯，然后通过反应室，细小的多晶硅技术提纯，然后通过反应室，细小的多晶硅硅棒通电加热到硅棒通电加热到850以上，硅烷分解，生以上，硅烷分解，生成的多晶硅沉积在硅棒上，化学反应为：成的多晶硅沉积在硅棒上，化学反应为： SiH4 = Si + 2H2 8989区熔单晶硅区熔单晶硅 区区域域熔熔化化提提纯纯法

61、法（FZ）的的最最大大优优点点在在于于：纯纯度度高高、电电学学性性能能均均匀匀、污污染染小小、纯纯度度高高、转转换换效效率率高高。与与传传统统方方法法相相比比，对对能能源源（电电力力）的的消消耗耗将将减少减少60%以上；以上； 最最大大的的缺缺点点在在于于：成成本本高高、价价格格昂昂贵贵、直直径径小小、机械加工性差。机械加工性差。9090区熔单晶硅区熔单晶硅制备过程：制备过程： 首先以高纯多晶硅为原料，制成棒状，首先以高纯多晶硅为原料，制成棒状，并将多晶硅垂直固定；在多晶硅棒的下端并将多晶硅垂直固定；在多晶硅棒的下端放置具有一定晶向的单晶硅，作为单晶生放置具有一定晶向的单晶硅，作为单晶生长的籽

62、晶。然后在真空或氩气等惰性气体长的籽晶。然后在真空或氩气等惰性气体保护下，利用高频感应线圈加热多晶硅棒，保护下，利用高频感应线圈加热多晶硅棒，使多晶硅棒的部分区域形成熔区，并依靠使多晶硅棒的部分区域形成熔区，并依靠熔区的表面张力保持平衡和晶体的顺利生熔区的表面张力保持平衡和晶体的顺利生长。长。9191区熔单晶硅区熔单晶硅 晶体生长首先从多晶硅棒和籽晶的结合晶体生长首先从多晶硅棒和籽晶的结合处开始，多晶硅棒和籽晶以一定的速度做处开始，多晶硅棒和籽晶以一定的速度做相反方向的运动，熔区从下端沿多晶硅棒相反方向的运动，熔区从下端沿多晶硅棒缓慢向上端移动，使多晶硅逐步转变成单缓慢向上端移动，使多晶硅逐步

63、转变成单晶硅。晶硅。9292喷管喷管熔区熔区供料棒供料棒(多晶硅多晶硅)高频感高频感应线圈应线圈单晶硅单晶硅掺掺杂杂气气体体和和载载体体区熔单晶硅生产示意图区熔单晶硅生产示意图9393区熔单晶硅区熔单晶硅 悬悬浮浮区区熔熔法法生生长长硅硅单单晶晶时时，必必须须得得到到一一个个稳稳定定的的熔熔区区。硅硅正正具具备备相相应应的的特特性性：熔熔硅硅的的表表面面张张力力大大、熔熔体体密密度度小小，与与锗锗比比较较，它它能能更更容容易易得得到到稳稳定定的的悬悬浮浮熔熔区区。在在实实际际生生产产中中，硅硅区区熔熔单单晶晶系系统统常常使使用用高高频频加加热热，还还有有一一项项电电磁磁场场的的作作用用力力叫叫

64、磁磁悬悬浮浮力力，它它与与表表面面张张力力一一样样，对对熔区起托浮作用，结果使熔区的稳定性增大很多熔区起托浮作用，结果使熔区的稳定性增大很多 区区熔熔单单晶晶硅硅的的原原料料是是化化学学气气相相沉沉积积的的高高纯纯多多晶晶硅硅棒棒。在在单单晶晶体体生生长长前前，用用金金刚刚石石机机械械滚滚磨磨的的方方法法将将直直径径控控制制在在一一定定尺尺寸寸，然然后后进进行行化化学学腐腐蚀蚀，去去除除表表面面的的机机械械损损伤伤和和可可能能的的金金属属污污染染，使使表表面面光光亮亮，并并达达到到区区熔熔单单晶晶硅硅所所要求的直径。要求的直径。9494高频感应加热高频感应加热电磁感应原理电磁感应原理 1831

65、年，英国物理学家年，英国物理学家faraday发现了电磁感应现发现了电磁感应现象，并且提出了相应的理论解释。其内容为，当电象，并且提出了相应的理论解释。其内容为，当电路围绕的区域内存在交变的磁场时，电路两端就会路围绕的区域内存在交变的磁场时，电路两端就会感应出电动势，如果闭合就会产生感应电流。感应出电动势，如果闭合就会产生感应电流。高频感应加热，是将工频（高频感应加热，是将工频（50HZ）交流电转换成频）交流电转换成频率一般为率一般为1KHZ至上百至上百KHZ，甚至频率更高的交流，甚至频率更高的交流电，利用电磁感应原理，通过电感线圈转换成相同电，利用电磁感应原理，通过电感线圈转换成相同频率的磁

66、场后，作用于处在该磁场中的金属体上。频率的磁场后，作用于处在该磁场中的金属体上。 利用涡流效应，在金属物体中生成与磁场强度成正利用涡流效应，在金属物体中生成与磁场强度成正比的感生旋转电流（即涡流）。由旋转电流借助金比的感生旋转电流（即涡流）。由旋转电流借助金属物体内的电阻，将其转换成热能。属物体内的电阻，将其转换成热能。 9595高频感应加热高频感应加热 在一根导体外面绕上线圈，并让在一根导体外面绕上线圈，并让线圈通入交变电流，那么线圈就产生线圈通入交变电流，那么线圈就产生交变磁场。由于线圈中间的导体在圆交变磁场。由于线圈中间的导体在圆周方向是可以等效成一圈圈的闭合电周方向是可以等效成一圈圈的

67、闭合电路，闭合电路中的磁通量在不断发生路，闭合电路中的磁通量在不断发生改变，所以在导体的圆周方向会产生改变，所以在导体的圆周方向会产生感应电动势和感应电流，电流的方向感应电动势和感应电流，电流的方向沿导体的圆周方向转圈，就像一圈圈沿导体的圆周方向转圈，就像一圈圈的漩涡，所以这种在整块导体内部发的漩涡，所以这种在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象称生电磁感应而产生感应电流的现象称为涡流现象。为涡流现象。 导体的外周长越长，交变磁场的频导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，涡流就越大。率越高，涡流就越大。 9696表面张力表面张力表面张力：液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于

68、任一界线上的张力。 9797 用分子力解释：用分子力解释： 液体的內聚力是形成表面张力液体的內聚力是形成表面张力的原因。在液体內部，每個分子都的原因。在液体內部，每個分子都在每个方向都受到邻近分子的吸引在每个方向都受到邻近分子的吸引力（也包括排斥力），因此，液体力（也包括排斥力），因此，液体內部分子受到的分子力合力为零。內部分子受到的分子力合力为零。然而，在液体与气体的分界面上的然而，在液体与气体的分界面上的液体分子在各個方向受到的引力是液体分子在各個方向受到的引力是不均衡的（见图），造成表面层中不均衡的（见图），造成表面层中的分子受到指向液体內部的吸引力，的分子受到指向液体內部的吸引力，并且

69、有一些分子被并且有一些分子被“拉拉”到液体內部。到液体內部。因此，液体会有缩小液面面积的趋因此，液体会有缩小液面面积的趋势，在宏观上的表現即为表面张力势，在宏观上的表現即为表面张力现象。它使得液体的表面总是试图现象。它使得液体的表面总是试图获得最小的、光滑的面积，就好像获得最小的、光滑的面积，就好像它是一层弹性的薄膜一样。它是一层弹性的薄膜一样。 表面张力表面张力9898直拉单晶硅直拉单晶硅直拉法（直拉法（CZ) 也有叫也有叫“提拉法提拉法” 直直拉拉法法生生长长晶晶体体的的技技术术是是由由波波兰兰的的J. Czochralski 在在1917年年发发明明的的，所所以以又又称称为为切切氏氏法法

70、(CZ)。1950年年Teal等等将将该该技技术术用用于于生生长长半半导导体体锗锗单单晶晶，然然后后他他又又利利用用这这种种方方法法生生长长直直拉拉单单晶晶硅硅，在在此此基基础础上上，Dash提提出出了了直直拉拉单单晶晶硅硅生生长长的的“缩缩颈颈”技技术术，G. Ziegler提提出出了了快快速速引引颈颈生生长长细细颈颈的的技技术术，构构成成了了现现代代制制备备大大直直径径无无位位错错直直拉拉单单晶晶硅硅的基本方法。的基本方法。 目目前前，单单晶晶硅硅的的直直拉拉法法生生长长已已是是单单晶晶硅硅制制备备的的主主要要技术，也是太阳电池用单晶硅的主要制备方法。技术，也是太阳电池用单晶硅的主要制备方

71、法。 9999直拉单晶硅直拉单晶硅直拉单晶硅生产示意图直拉单晶硅生产示意图 直直拉拉单单晶晶炉炉的的最最外外层层是是保保温温层层，里里面面是是石石墨墨加加热热器器；在在炉炉内内下下部部有有一一石石墨墨托托，固固定定在在支支架架上上，可可以以上上下下移移动动和和旋旋转转，在在石石墨墨托托上上放放置置圆圆柱柱形形的的石石墨墨坩坩埚埚，在在石石墨墨坩坩埚埚中中置置有有石石英英坩坩埚埚，在在坩坩埚埚上上方方悬悬空空放放置置籽籽晶晶轴轴，同同样样可可以以自自由由上上下下移移动动和和转转动动。所所有有的的石石墨墨件件和和石石英英件件都都是是高高纯纯材材料料，以以防防止止对对单单晶晶硅硅的污染。的污染。 1

72、00100直拉单晶硅直拉单晶硅np87n位错p133101101硅片加工硅片加工p98102102第四节第四节4. 太阳电池工艺太阳电池工艺103103工艺流程工艺流程清洗制绒清洗制绒（超声波清洗（超声波清洗减薄减薄喷淋喷淋绒面）绒面）（喷淋（喷淋酸洗酸洗喷淋喷淋漂洗漂洗喷淋喷淋甩干）甩干）扩扩散散（合片（合片扩散扩散卸片）卸片） 刻蚀刻蚀（叠片（叠片上夹具上夹具刻蚀刻蚀插片插片)洗磷洗磷（去磷（去磷硅玻璃硅玻璃喷淋喷淋甩干）甩干）PECVD丝网印刷丝网印刷 丝印丝印1（背极）（背极）丝印丝印2（背场）（背场）丝丝印印3（栅极）（栅极）烧结烧结（试烧（试烧批量烧结）批量烧结）104104超声波

73、清洗超声波清洗n机械切片以后会在硅片表面形成机械切片以后会在硅片表面形成1040微微米的损伤层，且表面有油脂、松香、石蜡、米的损伤层，且表面有油脂、松香、石蜡、金属离子等杂质。金属离子等杂质。n工艺目的；主要是去除油脂、松香、石蜡工艺目的；主要是去除油脂、松香、石蜡等杂质。等杂质。n工艺原理；超声振动使油珠滚落，物理去工艺原理；超声振动使油珠滚落，物理去油。油。n条件；去离子水一定量，温度条件；去离子水一定量，温度6090，时间时间1040min。105105超声波清洗机超声波清洗机n设备要求：稳定性设备要求：稳定性好，精确度高（温好，精确度高（温度、时间），操作度、时间），操作方便（换水方便

74、）方便（换水方便）。106106减薄减薄n工艺目的；去除表面损伤层和部分杂质。工艺目的；去除表面损伤层和部分杂质。n工艺原理；利用硅在工艺原理；利用硅在浓浓NaOH溶液中的各向溶液中的各向同性腐蚀除去损伤层。同性腐蚀除去损伤层。n Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2n工艺条件；生产常用工艺条件；生产常用NaOH溶液质量分数为溶液质量分数为20%左右，温度左右，温度855，时间，时间0.23min 具体据原始硅片的具体据原始硅片的厚度厚度和表面和表面损伤损伤情况而情况而定。定。107107绒面绒面n目的；制作绒面，减少反射，提升硅片对光吸收效目的；制作绒面，减少反射，提升硅片对光吸

75、收效率。率。n原理；利用原理；利用Si在稀在稀NaOH溶液中的各向异性腐蚀，在溶液中的各向异性腐蚀，在硅片表面形成无数个硅片表面形成无数个36微米的金字塔结构，这样微米的金字塔结构，这样光照在硅片表面便会经过多次反射和折射，增加了光照在硅片表面便会经过多次反射和折射，增加了对光的吸收。对光的吸收。n条件；生产常用条件；生产常用NaOH质量分数质量分数1%左右，左右，Na2SiO3 1.5%2%，乙醇或异丙醇每次约加，乙醇或异丙醇每次约加200400ml(50L混合液）。温度混合液）。温度855,时间时间1545min，具体工艺据硅片种类、减薄后厚度和上次生产情，具体工艺据硅片种类、减薄后厚度和

76、上次生产情况而定。况而定。n质量目标：绒面后硅片表面颜色深灰无亮点、均匀、质量目标：绒面后硅片表面颜色深灰无亮点、均匀、气泡印小，无篮脚印、白花等现象。气泡印小，无篮脚印、白花等现象。400倍显微镜下倍显微镜下大小符合标准，倒金字塔结构均匀。大小符合标准，倒金字塔结构均匀。108108酸洗酸洗n目的；去除硅片表面金属离子和绒面后的目的；去除硅片表面金属离子和绒面后的残留药液，残留药液，n原理；主要利用的是酸碱中和反应。原理；主要利用的是酸碱中和反应。n条件；条件；10%盐酸，时间盐酸，时间10min109109漂洗漂洗n目的；去除氧化层（目的；去除氧化层（SiO2）。）。n原理；原理；SiO2

77、+6HF=H2SiF6+2H2On条件；条件；HF溶液溶液8%10%，时间，时间10min。n清洗工艺每个小环节之后，均需用去离子清洗工艺每个小环节之后，均需用去离子水将硅片冲洗干净，以免残留药液影响倒水将硅片冲洗干净，以免残留药液影响倒下个小环节的正常进行。下个小环节的正常进行。n去离子水是指纯水，指的是将水中的强电去离子水是指纯水，指的是将水中的强电解质去除并且将弱电解质去除到一定程度解质去除并且将弱电解质去除到一定程度的水。其电阻率越大，电导率约小则级别的水。其电阻率越大，电导率约小则级别越高。越高。110110清洗机清洗机n设备要求：稳定性好，精确度高，密闭性设备要求：稳定性好，精确度

78、高，密闭性能好，有抽风装置，便于标准化生产，操能好，有抽风装置，便于标准化生产，操作简单安全。作简单安全。111111烘干烘干n目的：烘干。目的：烘干。n原理：热吹风（原理：热吹风（75 ）去除硅片表面残）去除硅片表面残留的水。留的水。112112扩散扩散n目的；形成目的；形成PN结。结。n原理；（原理；（POCL3液态源高温扩散），液态源高温扩散），POCL3在高温下经过一系列化学反应生成单在高温下经过一系列化学反应生成单质质P，P在高温下扩散进入硅片表面，与本在高温下扩散进入硅片表面，与本已经掺已经掺B的硅形成的硅形成PN结。结。 4POCl3+3O22P2O5+6Cl2 2P2O5+5S

79、i5SiO2+4P 113113扩散炉扩散炉n设备要求：设备要求：n精确度高精确度高可准确控制反应管可准确控制反应管的实际工艺温度的实际工艺温度 和气和气流量。流量。用于长时间连续工作、用于长时间连续工作、高精度、高稳定性、高精度、高稳定性、自动控制。自动控制。 11411448所三管扩散炉所三管扩散炉115115刻蚀刻蚀n目的；去除目的；去除周边短路环周边短路环。n原理：在辉光放电条件下，原理：在辉光放电条件下，CF4和和O2生成生成等离子体等离子体，交替，交替对周边作用，使周边电阻增大。对周边作用，使周边电阻增大。 CF4C4+4F- O22O2- F+SiSiF4 SiF4挥发性高，随即

80、被抽走。挥发性高，随即被抽走。 工艺条件：工艺条件：CF4O2=101 板流：板流：0.350.4A 板压：板压：1.52KV 压强：压强：80120Pa 刻蚀时间：刻蚀时间：1016min质量目标质量目标;刻边电阻大于刻边电阻大于5K，刻边宽度，刻边宽度12mm间。间。116116刻蚀过程的主要反应刻蚀过程的主要反应 放电过程放电过程e-+CF4CF3+F+2e e-+CF4CF3+F+e-e-+CF3CF2+F+e- O2+e-2O+e- 腐蚀过程腐蚀过程Si+4FSiF4 3Si+4CF34C+3SiF42C+3OCO+CO2117117等离子体刻蚀机等离子体刻蚀机n设备要求：设备要求：

81、工艺重复性好，工艺重复性好，刻蚀速度快、刻蚀速度快、均匀性好均匀性好 。密封性能好、密封性能好、操作安全操作安全118118洗磷洗磷n目的：去除硅片表面氧化层及扩散时形成的磷硅目的：去除硅片表面氧化层及扩散时形成的磷硅玻璃玻璃(磷硅玻璃是指磷硅玻璃是指P2O5与与SiO2的混合物）。的混合物）。n原理：原理：P2O5溶于溶于HF酸酸 SiO2+6HF=H2SiF6+2H2O H2SiF6可溶于水可溶于水n条件：条件：HF浓度浓度8-10n洗磷后需用去离子水将硅片冲洗干净并甩干。洗磷后需用去离子水将硅片冲洗干净并甩干。 119119PECVD（等离子体增强化学气相沉（等离子体增强化学气相沉积）积

82、）n目的：表面钝化和减少光的反射，降低载目的：表面钝化和减少光的反射，降低载流子复合速度和增加光的吸收。流子复合速度和增加光的吸收。n原理：硅烷与氨气反应生成氮化硅淀积在原理：硅烷与氨气反应生成氮化硅淀积在硅片表面形成减反射膜。反应过程中有大硅片表面形成减反射膜。反应过程中有大量的氢离子注入，使硅片中悬挂键饱和，量的氢离子注入，使硅片中悬挂键饱和，达到表面钝化和体钝化的目的，有效降低达到表面钝化和体钝化的目的，有效降低了载流子的复合，提高了电池的短路电流了载流子的复合，提高了电池的短路电流和开路电压。和开路电压。nSiH4+NH3Si3N4+10H2120120121121PECVD（德）工艺

83、步骤及条件（德）工艺步骤及条件n工艺步骤：分工艺步骤：分17步。进舟步。进舟慢抽真空慢抽真空快快抽真空抽真空调压调压恒温恒温恒压恒压检漏检漏调压调压淀积淀积淀积淀积淀积淀积抽真空稀释尾气抽真空稀释尾气清洗清洗抽真空抽真空抽真空抽真空充氮充氮退舟。退舟。n条件：温度条件：温度480，淀积压强，淀积压强200Pa，射频，射频功率功率1800W，抽空设定压强，抽空设定压强0.5pa，进出舟，进出舟设定设定15%。n质量目标：淀积后表面颜色深蓝且均匀。质量目标：淀积后表面颜色深蓝且均匀。122122管式管式PECVDn设备要求：管内气氛设备要求：管内气氛均匀、恒温区温度均匀均匀、恒温区温度均匀稳定。气

84、路系统、工艺稳定。气路系统、工艺管、真空系统密封可靠，管、真空系统密封可靠，使用安全使用安全 。工艺稳定性。工艺稳定性和重复性好，精确度高，和重复性好，精确度高，射频频率稳定。射频频率稳定。123123丝网印刷丝网印刷n目的；印刷电极和背场，使电流能够输出，目的；印刷电极和背场，使电流能够输出，提升电池转换效率。提升电池转换效率。n原理：给硅片表面印刷一定图形的银浆或原理：给硅片表面印刷一定图形的银浆或铝浆，通过烧结后形成欧姆接触，使电流铝浆，通过烧结后形成欧姆接触，使电流有效输出。有效输出。正面正面电极通常印成栅线状，是电极通常印成栅线状，是为了克服扩散层的方块电阻且使光线有较为了克服扩散层

85、的方块电阻且使光线有较高的透过率。高的透过率。背面背面电极布满大部分或整个电极布满大部分或整个背面，目的是克服由于电池串联而引起的背面，目的是克服由于电池串联而引起的电阻。电阻。124124丝网印刷工艺步骤及要求丝网印刷工艺步骤及要求n工艺步骤：背极（银浆）工艺步骤：背极（银浆） 烘干烘干背场（铝浆）背场（铝浆） 烘干烘干栅极（银浆栅极（银浆) 烘干。烘干。n要求：背极厚度小于要求：背极厚度小于20微米，烘干温度设定微米，烘干温度设定160 200。n背场厚度背场厚度2035微米，具体根据片源而定。烘干微米，具体根据片源而定。烘干温度温度160240，具体根据浆料确定。，具体根据浆料确定。n栅

86、极要求印刷图案完整、清晰、均匀、对称，无栅极要求印刷图案完整、清晰、均匀、对称，无 漏浆及较大断线。烘干温度漏浆及较大断线。烘干温度160240，具体，具体据浆料确定。据浆料确定。125125丝网印刷机丝网印刷机126126印刷达标的电池片印刷达标的电池片127127烧结烧结n目的：形成目的：形成烧结合金烧结合金和和欧姆接触欧姆接触及及去除背结去除背结。n原理：原理： 烧结合金是指高温下金属和硅形成的合金，主要烧结合金是指高温下金属和硅形成的合金，主要有正栅的银硅合金、背场的铝硅合金、背电极的有正栅的银硅合金、背场的铝硅合金、背电极的银铝合金。银铝合金。 烧结过程实际上是一个高温扩散过程，是一

87、个对烧结过程实际上是一个高温扩散过程，是一个对硅掺杂的过程，需加热到铝硅共熔点（硅掺杂的过程，需加热到铝硅共熔点（577）以）以上。经过合金化后，随着温度的下降，液相中的上。经过合金化后，随着温度的下降，液相中的硅将重新凝固出来，形成含有少量铝的结晶层，硅将重新凝固出来，形成含有少量铝的结晶层，它补偿了它补偿了N层中的施主杂质，从而得到以铝为受层中的施主杂质，从而得到以铝为受主杂质的主杂质的P层，达到了消除背结的目的。层，达到了消除背结的目的。128128烧结工艺条件烧结工艺条件n烧结工艺较为灵活，设定时应考虑以下因烧结工艺较为灵活，设定时应考虑以下因素：素：n烧结炉的特点，如烧结温区数目，高

88、温区烧结炉的特点，如烧结温区数目，高温区长度，带速设定等等。长度，带速设定等等。n原始硅片的电阻率。原始硅片的电阻率。n绒面后硅片厚度。绒面后硅片厚度。n扩散后方块电阻扩散后方块电阻n印刷背场厚度。印刷背场厚度。129129网带式烧结炉网带式烧结炉n设备要求：设备要求：网带运行平稳、网带运行平稳、温度均匀、可温度均匀、可靠性高。节能靠性高。节能环保，气流稳环保，气流稳定，能提供理定，能提供理想燃烧环境且想燃烧环境且及时排出废气。及时排出废气。130130太阳能电池的品质要求太阳能电池的品质要求n尽可能高的转换效率尽可能高的转换效率n表面状况良好（颜色均匀，图案完整、清表面状况良好（颜色均匀，图

89、案完整、清晰、对称）。晰、对称）。n低损耗（硅片破损率低）。低损耗（硅片破损率低）。n弯曲度小。弯曲度小。131131生产高效率电池片应具备的条件生产高效率电池片应具备的条件n工艺工艺有优良的工艺并且与设备匹配。有优良的工艺并且与设备匹配。n设备设备稳定性好，维修频率低，日损耗小稳定性好，维修频率低，日损耗小精确度高，便于标准化生产，操作简单安精确度高，便于标准化生产，操作简单安全，配套设施齐全。全，配套设施齐全。n环境环境净化级别达标，避免产品污染。净化级别达标，避免产品污染。n操作操作按照按照SOP操作，避免污染。操作，避免污染。n原材料及辅助用料原材料及辅助用料用料品质达标。用料品质达标。132132生产管理的需求生产管理的需求n工艺需求工艺需求能够不断优化工艺，持续改进。能够不断优化工艺，持续改进。n品质需求品质需求n成本需求成本需求n安全需求安全需求n标准化生产的需求标准化生产的需求n操作简单方便的需求操作简单方便的需求n保护环境的需求。保护环境的需求。133133