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晶體硅
太陽(yáng)能電池的主流材料
晶體硅材料是最主要的光伏材料，性質(zhì)為帶有金屬光澤的灰黑色固體、熔點(diǎn)高（1410）、硬度大、有脆性、常溫下化學(xué)性質(zhì)不活潑。其市場(chǎng)占有率在 90%以上，而且在今后相當長(cháng)的一段時(shí)期也依然是太陽(yáng)能電池的主流材料。
基本信息
| 中文名 | 晶體硅 |
| 外文名 | Crystalline Silicon |
| 別名 | 單質(zhì)硅 |
| 化學(xué)式 | Si |
| 顏色 | 灰黑色 |
展開(kāi)
簡(jiǎn)介
性質(zhì)概括：帶有金屬光澤的灰黑色固體、硬度大、有脆性、常溫下化學(xué)性質(zhì)不活潑。
晶體硅：一個(gè)直徑75mm的硅片，可集成幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)個(gè)元件，形成了微電子學(xué)，從而出現了微型計算機、微處理機等。由于當前信息工程的發(fā)展，硅主要用于微電子技術(shù)。以硅晶閘管為主的電力半導體器件，元件越做越大，與硅晶體管相比集成電路正相反，在直徑為75mm的硅片上，只做一個(gè)能承受幾kA電流和幾kV電壓的元件，這種元件滲透到電子、電力、控制3個(gè)領(lǐng)域就形成了一門(mén)新學(xué)科——電力電子學(xué)。為適應大規模集成電路的發(fā)展、單晶硅正向大直徑、高純度、高均勻性，無(wú)缺陷的方向發(fā)展。最大硅片直徑已達150mm，實(shí)驗室的高純硅接近理論極限純度。常用的太陽(yáng)能電池是硅電池。如果在1平方米面積上鋪滿(mǎn)硅太陽(yáng)能電池，就可以得到100W電力。單晶硅太陽(yáng)能電池的性能穩定，轉換效率高，體積小，重量輕，很適合作太空航天器上的電源。美國的大型航天器——太空實(shí)驗室上就安裝有4塊太陽(yáng)能電池帆板，它們是由147840塊8平方厘米大小的單晶硅太陽(yáng)能電池排列組成的，發(fā)電功率大約為12KW。
晶體硅
用途
1，半導體材料
由于硅半導體耐高電壓、耐高溫、晶帶寬度大，比其它半導體材料有體積小、效率高、壽命長(cháng)、可靠性強等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于電子工業(yè)集成電路的生產(chǎn)中。高純的單晶硅是重要的半導體材料。在單晶硅中摻入微量的第IIIA族元素，形成P型硅半導體另外廣泛應用的二極管、三極管、晶閘管和各種集成電路（包括我們計算機內的芯片和CPU)都是用硅做的原材料。
2，太陽(yáng)能光伏電池板
多晶硅可以直接用于制造太陽(yáng)能光伏電池板，或加工成單晶硅后再用于制造光伏電池板。先將硅料鑄錠、切片或直接用單晶硅棒切片，再通過(guò)在硅片上摻雜和擴散形成PN結，然后采用絲網(wǎng)印刷法，將銀漿印在硅片上做成柵線(xiàn)，經(jīng)過(guò)燒結，同時(shí)制成背電極，并在有柵線(xiàn)的面上涂減反射膜等一系列工藝加工成太陽(yáng)能電池單體片，最后按需要組裝成太陽(yáng)能電池板。目前，硅光伏電池占世界光伏電池總產(chǎn)量的98% 以上，其中多晶硅電池約占55% ，單晶硅電池約占36% ，其它硅材料電池約占70%。由于多晶硅光伏電池的制造成本較低，光電轉換效率較高(接近20%)，因而得到快速發(fā)展。
3，集成電路
這是將成千上萬(wàn)個(gè)分立的晶體體管、電阻、電容等元件，采用掩蔽、光刻、擴散等工藝，把它們集成一個(gè)或幾個(gè)尺寸很小的晶片上，集結成一個(gè)以幾個(gè)完夠的電路。集成電路大大減小了體積、重量、引出線(xiàn)和焊點(diǎn)數目，并提高了電路性能和可靠性，同時(shí)降低了成本，便于批量生產(chǎn)，使計算機工業(yè)飛速發(fā)展。
4，探測器
由對光照敏感的PN結或PIN結構成的光生伏打型的探測器。PIN結不是突變的PN結，而是在結的P和N側之間加入本征區I層。該結構的光照表面（如P）區做得較薄，使入射光進(jìn)入本征區而被吸收，產(chǎn)生空穴-電子對。本征區的強電場(chǎng)使載流子快速飄移，通過(guò)本征區。因此，PIN結相同材料的PN結構相比，其響應時(shí)間更短。
5，傳感器
案例
晶體硅太陽(yáng)能電池制造和原理
“硅”是我們這個(gè)星球上儲藏最豐富的材料之一。自從19世紀科學(xué)家們發(fā)現了晶體硅的半導體特性后，它幾乎晶體硅太陽(yáng)能電池
改變了一切，甚至人類(lèi)的思維。20世紀末，我們的生活中處處可見(jiàn)“硅”的身影和作用，晶體硅太陽(yáng)能電池是近15年來(lái)形成產(chǎn)業(yè)化最快的。生產(chǎn)過(guò)程大致可分為五個(gè)步驟：a、提純過(guò)程b、拉棒過(guò)程c、切片過(guò)程d、制電池過(guò)程e、封裝過(guò)程。
性質(zhì)
結構
晶體硅結構為金剛石結構。
硅原子構成的一個(gè)面心立方原包內還有四個(gè)原子，分別位于四個(gè)空間對角線(xiàn)的四分之一處。與鍺晶格結構相同，但晶胞邊長(cháng)a（晶格常數）不同。300k時(shí)，硅的a=5.4305A，鍺的a=5.463A。
共價(jià)四面體
硅晶體中雖然不等價(jià)原子的環(huán)境不完全相同，但任何一個(gè)原子中都有4個(gè)最近鄰的原子，與之形成共價(jià)鍵。一個(gè)原子處在正四面體的中心，其它四個(gè)與它共價(jià)的原子位于四面體的頂點(diǎn)，這種四面體成為共價(jià)四面體。
內部空隙
金剛石結構的另一個(gè)特點(diǎn)是內部存在著(zhù)相當大的空隙。
制備
單晶硅
用直拉法制單晶硅的設備系用T D K - 4 0 型或T D K - 3 6 A Z型單晶爐。爐內有爐室和拉制室，兩室中間有閘閥。一般使用電阻加熱，溫度和晶體直徑均采用自動(dòng)控制，在純氬氣氣氛下進(jìn)行常壓或減壓拉晶。減壓拉晶工藝不但能改善晶體生長(cháng)條件，而且有助于降低晶體中碳的含量。拉晶前將設備各部件、合金石英坩堝、多晶硅和籽晶進(jìn)行清潔處理。流程采用共熔和投入摻雜法，摻雜量由理論計算，并需經(jīng)實(shí)踐加以修正。多晶硅和籽晶裝爐后，在流通的氬氣氣氛下，人工引晶放肩和收尾。晶體的等徑生長(cháng)過(guò)程中，需根據情況適當調節功率，使其獲得直徑均勻的產(chǎn)品。
2 區域熔煉法
硅的區熔提純采用懸浮區熔法，區熔過(guò)程對多晶硅中分凝系數小的雜質(zhì)有一定的提純作用，但對分凝系數大的雜質(zhì)如硼則不起作用。多晶硅能用化學(xué)方法提純(如三氯氫硅精餾及氫還原)得到很高的純度，因此區熔法在硅的生產(chǎn)中，一般作為制作單晶的手段，而不作為提純手段。在區熔爐爐室內，將硅棒用上下夾頭保持垂直，有固定晶向的籽晶在下面，在真空或氬氣條件下，用高頻線(xiàn)圈加熱( 2 ～3MHz)，使硅棒局部熔化，依靠硅的表面張力及高頻線(xiàn)圈的磁力，可以保持一個(gè)穩定的懸浮熔區，熔區緩慢上升，達到制成單晶或提純的目的。設備及原料經(jīng)清潔處理后裝爐，抽真空或充氬氣。在氬氣下高頻加熱進(jìn)行區熔提純單晶。設備為QRL-20型區熔爐、高頻發(fā)生器及FC-16型磁飽和電抗器配套作生產(chǎn)主機。預熱、引晶、放肩、等徑、收尾等過(guò)程由人工控制。
多晶硅
多晶硅呈灰色或黑色且有金屬光澤的等軸八面晶體，是制造單晶硅的原料。硅屬半金屬，是極為重要的元素半導體材料。多晶硅的生產(chǎn)，除個(gè)別工廠(chǎng)采用硅烷熱分解法外，一般都采用氫還原三氯氫硅方法。
三氯氫硅法
包括三氯氫硅的合成和三氯氫硅的還原兩部分。
(1)三氯氫硅的合成
用金屬硅和氯化氫為原料，在流態(tài)化氯化爐中進(jìn)行反應，三氯氫硅的沸點(diǎn)為31.5℃，與絕大多數雜質(zhì)的氯化物揮發(fā)溫度相差較大，所以可用精餾法提純。三氯氫硅極易揮發(fā)和水解，產(chǎn)生強腐蝕的鹽酸氣，因此精餾設備必須防止水汽和空氣混入。小規模生產(chǎn)超純硅可采用聚四氟乙烯，特制玻璃或石英作為精餾設備材料，大規模生產(chǎn)則須采用耐腐蝕的金屬或合金材料以免銅、鐵、鎳等重金屬雜質(zhì)混入而影響超純硅的質(zhì)量。
(2)三氯氫硅的還原
在超低碳的不銹鋼或鎳基合金制成的水冷爐壁還原爐內，用氫將三氯氫硅還原成硅。爐內有不透明石英鐘罩(有透明石英內層和觀(guān)察孔)和用細硅芯或鉭管制成的發(fā)熱體。細硅芯是用超純硅在特制的硅芯爐內制成的。在進(jìn)行化學(xué)氣相沉積之前，由于硅在常溫時(shí)電阻率很高，因此硅芯須在石英罩外用電阻加熱至300℃或用幾千伏的高壓電啟動(dòng)。經(jīng)過(guò)提純的氫氣(含水蒸汽量很少，露點(diǎn)在-70℃以下)在揮發(fā)器中將三氯氫硅自爐底帶入爐內，于1100～1150℃進(jìn)行還原反應，使硅沉積在發(fā)熱體上，三氯氫硅氫還原法所生產(chǎn)的多晶棒，供區域熔煉法生產(chǎn)單晶硅用的硅棒直徑為50～100mm。供直拉法生產(chǎn)單晶用的硅棒直徑為50～150mm。還原尾氣中的三氯氫硅和四氯化硅在-80℃以下冷凝回收，氫氣凈化后可以循環(huán)使用。三氯氫硅氫還原制取超純硅的方法沉積速度較慢，一般不超過(guò)0.5mm/h消耗的電能能很多，副產(chǎn)品四氯化硅量大，因此研究了很多新的綜合利用方法。根據已發(fā)表的資料，其中最有前途的方法是將四氯化硅轉化為三氯氫硅、二氯二氫硅、硅烷，然后還原或分解成為超純多晶硅。
切割回收方法
發(fā)展
1994 年全世界太陽(yáng)能電池的總產(chǎn)量只有 69 MW，而 2004 年就接近 1200 MW，在短短的 10 年里就增長(cháng)了 7 倍。專(zhuān)家預測太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)在二十一世紀前半期將超過(guò)核電成為最重要的基礎能源之一。
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尚可名片
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作者
