晶体光电材料和硅料的制备ppt课件.ppt

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1、3.2晶体光电材料和硅料的制备3.2.1晶体光电材料目前在所有安装的太阳电池中，超过90%以上的是晶体硅太阳电池，因此位于产业链前端的硅锭/片的生产对整个太阳电池产业有着很重要的作用。太阳电池硅锭主要有单晶硅锭和多晶硅锭，这两种硅锭。单晶硅做成的电池效率高，但硅锭生产效率低，能耗大；多晶硅电池效率比单晶硅低一些，但硅锭生产效率高，在规模化生产上较有优势。目前国际上以多晶硅硅锭生产为主，而国内由于人工成本低，国产单晶炉价格低，因此国内单晶硅硅锭的产能比多晶硅大得多。硅的基本介绍硅是地壳中赋存最高的固态元素，其含量为地壳的四

2、分之一，但在自然界不存在单体硅，多呈氧化物或硅酸盐状态。硅的原子价主要为4价，其次为2价；在常温下它的化学性质稳定，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。硅材料资源丰富，又是无毒的单质半导体材料，较易制作大直径无位错低微缺陷单晶。晶体力学性能优越，易于实现产业化，仍将成为半导体的主体材料1.硅的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以

3、本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4共价键有两个重要的性质:饱和性和方向性1.饱和性是指一个电子和另外一个电子配对以后，就不能再和第三个电子配对。2.方向性是指原子只能在特定的方向上形成共价键。2.硅的晶体结构：金刚石结构金刚石结构每个原子周围有四个最邻近的原子，这四个原子处于正四面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，并形成稳定的共价键结构。共价键夹角：109˚28’3.单晶

4、硅单晶硅是由硅原子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质。硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，晶体硅太阳能电池技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米

5、）等。直径越大的圆片，芯片的成本也就越低。但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高。单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。目前晶体直径可控制在Φ3~8英寸。区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品。目前晶体直径可控制在Φ3~6英寸。外延片主要用于集成电路领域。日本、美国和德国是主要的

6、硅材料生产国。中国硅材料工业与日本同时起步，但总体而言，生产技术水平仍然相对较低，而且大部分为2.5、3、4、5英寸硅锭和小直径硅片。中国消耗的大部分集成电路及其硅片仍然依赖进口。但我国科技人员正迎头赶上，于1998年成功地制造出了12英寸单晶硅，标志着我国单晶硅生产进入了新的发展时期。目前，全世界单晶硅的产能为1万吨/年，年消耗量约为6000吨～7000吨。未来几年中，世界单晶硅材料发展将呈现以下发展趋势：1.单晶硅产品向300mm过渡，大直径化趋势明显；2.硅材料工业发展日趋国际化，集团化，生产高度集中；3.硅基材料

7、成为硅材料工业发展的重要方向；4.硅片制造技术进一步升级。1.切克劳斯基法（直拉法、CZ法）：晶体主流生长技术1）设备：石英坩埚、高频加热线圈等2）材料：半导体多晶材料和掺杂物、籽晶3）条件：（1）结晶温度（2）结晶中心单晶硅的制备切克劳斯基法（Czochralsik：CZ法）1917年由切克斯基建立的一种晶体生长方法现成为制备单晶硅的主要方法。把高纯多晶硅放入高纯石英坩埚，在硅单晶炉内熔化；然后用一根固定在籽晶轴上的籽晶插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便在籽晶下端生长。CZ法是利用旋转着的籽晶从坩

8、埚中的熔体中提拉制备出单晶的方法，又称直拉法直拉单晶炉及其基本原理多晶硅硅料置于坩埚中经加热熔化，待温度合适后，经过将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转肩等径、收尾等步骤，完成一根单晶硅锭的拉制。炉内的传热、传质、流体力学、化学反应等过程都直接影响到单晶的生长及生长成的单晶的质量。拉晶过程中可直接控制的参数有温度场、籽晶