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行業百科全書

  • 多晶硅

    多晶硅是太陽能電池與半導體設備的主要原材料。根據硅純度,多晶硅可分為太陽能級多晶硅(純度6個9或以上)與電子級多晶硅(純度11個9或以上)。多晶硅是單質硅的一種形態。熔融的單質硅在過冷條件下凝固時,硅原子以金剛石晶格形態排列成許多晶核,如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒,則這些晶粒結合起來,就結晶成多晶硅。多晶硅可作拉制單晶硅的原料,多晶硅與單晶硅的差異主要表現在物理性質方面。例如,在力學性質、光學性質和熱學性質的各向異性方面,遠不如單晶硅明顯;在電學性質方面,多晶硅晶體的導電性也遠不如單晶硅顯著,甚至于幾乎沒有導電性。在化學活性方面,兩者的差異極小。多晶硅和單晶硅可從外觀上加以區別,但真正的鑒別須通過分析測定晶體的晶面方向、導電類型和電阻率等。

  • 性質

    灰色金屬光澤。密度2.32~2.34。熔點1410℃。沸點2355℃。溶于氫氟酸和硝酸的混酸中,不溶于水、硝酸和鹽酸。硬度介于鍺和石英之間,室溫下質脆,切割時易碎裂。加熱至800℃以上即有延性,1300℃時顯出明顯變形。常溫下不活潑,高溫下與氧、氮、硫等反應。高溫熔融狀態下,具有較大的化學活潑性,能與幾乎任何材料作用。具有半導體性質,是極為重要的優良半導體材料,但微量的雜質即可大大影響其導電性。電子工業中廣泛用于制造半導體收音機、錄音機、電冰箱、彩電、錄像機、電子計算機等的基礎材料。由干燥硅粉與干燥氯化氫氣體在一定條件下氯化,再經冷凝、精餾、還原而得。 
    多晶硅可作拉制單晶硅的原料,多晶硅與單晶硅的差異主要表現在物理性質方面。例如,在力學性質、光學性質和熱學性質的各向異性方面,遠不如單晶硅明顯;在電學性質方面,多晶硅晶體的導電性也遠不如單晶硅顯著,甚至于幾乎沒有導電性。在化學活性方面,兩者的差異極小。多晶硅和單晶硅可從外觀上加以區別,但真正的鑒別須通過分析測定晶體的晶面方向、導電類型和電阻率等。 
    多晶硅是生產單晶硅的直接原料,是當代人工智能、自動控制、信息處理、光電轉換等半導體器件的電子信息基礎材料。被稱為“微電子大廈的基石”。 
    編輯本段工業生產方法
    多晶硅的生產技術主要為改良西門子法和硅烷法。西門子法通過氣相沉積的方式生產柱狀多晶硅,為了提高原料利用率和環境友好,在前者的基礎上采用了閉環式生產工藝即改良西門子法。該工藝將工業硅粉與HCl反應,加工成SiHCI3 ,再讓SiHCl3在H2氣氛的還原爐中還原沉積得到多晶硅。還原爐排出的尾氣H2、SiHCl3、SiCl4、SiH2Cl2 和HCl經過分離后再循環利用。硅烷法是將硅烷通入以多晶硅晶種作為流化顆粒的流化床中,使硅烷裂解并在晶種上沉積,從而得到顆粒狀多晶硅。改良西門子法和硅烷法主要生產電子級晶體硅,也可以生產太陽能級多晶硅。 

  • 西門子法

    西門子法是由德國Siemens公司發明并于1954年申請了專利1965年左右實現了工業化。經過幾十年的應用和展,西門子法不斷完善,先后出現了第一代、第二代和第三代,第三代多晶硅生產工藝即改良西門子法,它在第二代的基礎上增加了還原尾氣干法回收系統、SiCl4回收氫化工藝,實現了完全閉環生產,是西門子法生產高純多晶硅技術的最新技術,其具體工藝流程如圖1所示。硅在西門子法多晶硅生產流程內部的循環利用。 

  • 冶金法

    冶金法制備太陽能級多晶硅(Solar Grade Silicon簡稱SOG—Si),是指以冶金級硅(MetallurgicalGrade Silicon簡稱MG-Si)為原料(98.5%~99.5%)。經過冶金提純制得純度在99.9999%以上用于生產太陽能電池的多晶硅原料的方法。冶金法在為太陽能光伏發電產業服務上,存在成本低、能耗低、產出率高、投資門檻低等優勢,通過發展新一代載能束高真空冶金技術,可使純度達到6N以上,并在若干年內逐步發展成為太陽能級多晶硅的主流制備技術。 
    不同的冶金級硅含有的雜質元素不同,但主要雜質基本相同,主要包括Al、Fe、Ti、C、P、B等雜質元素。而且針對不同的雜質也研究了一些有效的去除方法。自從1975年Wacker公司用澆注法制備多晶硅材料以來,冶金法制備太陽能級多晶硅被認為是一種有效降低生產成本、專門定位于太陽多級多晶硅的生產方法,可以滿足光伏產業的迅速發展需求。針對不同的雜質性質,制備太陽能級多晶硅的技術路線,如圖3所示。

  • 利用價值

    在太陽能利用上,單晶硅和多晶硅也發揮著巨大的作用。雖然從目前來講,要使太陽能發電具有較大的市場,被廣大的消費者接受,就必須提高太陽電池的光電轉換效率,降低生產成本。從目前國際太陽電池的發展過程可以看出其發展趨勢為單晶硅、多晶硅、帶狀硅、薄膜材料(包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜)。 

  • 工業發展

    從工業化發展來看,重心已由單晶向多晶方向發展,主要原因為;[1]可供應太陽電池的頭尾料愈來愈少;[2] 對太陽電池來講,方形基片更合算,通過澆鑄法和直接凝固法所獲得的多晶硅可直接獲得方形材料;[3]多晶硅的生產工藝不斷取得進展,全自動澆鑄爐每生產周期(50小時)可生產200公斤以上的硅錠,晶粒的尺寸達到厘米級;[4]由于近十年單晶硅工藝的研究與發展很快,其中工藝也被應用于多晶硅電池的生產,例如選擇腐蝕發射結、背表面場、腐蝕絨面、表面和體鈍化、細金屬柵電極,采用絲網印刷技術可使柵電極的寬度降低到50微米,高度達到15微米以上,快速熱退火技術用于多晶硅的生產可大大縮短工藝時間,單片熱工序時間可在一分鐘之內完成,采用該工藝在100平方厘米的多晶硅片上作出的電池轉換效率超過14%。據報道,目前在50~60微米多晶硅襯底上制作的電池效率超過16%。利用機械刻槽、絲網印刷技術在100平方厘米多晶上效率超過17%,無機械刻槽在同樣面積上效率達到16%,采用埋柵結構,機械刻槽在130平方厘米的多晶上電池效率達到15.8%。

  • 行業發展對策與建議

     1、發展壯大中國多晶硅產業的市場條件已經基本具備、時機已經成熟,國家相關部門加大對多晶硅產業技術研發,科技創新、工藝完善、項目建設的支持力度,抓住有利時機發展壯大中國的多晶硅產業。 
      2、支持最具條件的改良西門子法共性技術的實施,加快突破千噸級多晶硅產業化關鍵技術,形成從材料生產工藝、裝備、自動控制、回收循環利用的多晶硅產業化生產線,材料性能接近國際同類產品指標;建成節能、低耗、環保、循環、經濟的多晶硅材料生產體系,提高我們多晶硅在國際上的競爭力。 
      3、依托高校以及研究院所,加強新一代低成本工藝技術基礎性及前瞻性研究,建立低成本太陽能及多晶硅研究開發的知識及技術創新體系,獲得具有自主知識產權的生產工藝和技術。 
      4、政府主管部門加強宏觀調控與行業管理,避免低水平項目的重復投資建設,保證產業的有序、可持續發展。 

  • “多晶硅”相關詞條:

    單晶硅 太陽能路燈 光伏  太陽能充電器 太陽能電池 太陽能 硅 加氫催化劑 晶圓 晶體管自對準技術 太陽能熱水器

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