硅及其無機(jī)衍生物的研發(fā)現(xiàn)狀

1、硅及硅材料的研發(fā)現(xiàn)狀硅及硅材料的研發(fā)現(xiàn)狀 （專題講座） 河南科技大學(xué) 化工與制藥學(xué)院 二0一0年四月洛陽 內(nèi)容提綱 一、硅元素 二、硅單質(zhì) 三、多晶硅 四、單晶硅 五、太陽能電池 一、硅元素 中文名稱：硅 臺(tái)灣、香港稱為 矽(x)； 因與錫同音，中國(guó)大陸自1953年改稱為硅 英文名稱：silicon 舊稱：silicium 元素符號(hào)：si 原子序數(shù)：14 相對(duì)原子質(zhì)量：28.09 元素周期表中的位置：第四主族、第三周期 原子的最外層電子構(gòu)型：3 s2 3 p2 已發(fā)現(xiàn)的硅的同位素共有12種，包括硅25至硅36， 其中只有硅28、硅29、硅30是穩(wěn)定的， 其它同位素均有放射性。 二、硅單質(zhì) 2.

2、1、硅的發(fā)現(xiàn) 1823年，瑞典化學(xué)家貝齊里烏斯將氟硅酸鉀（k2sif6）與 過量金屬鉀共熱制得無定形硅。 2.2、硅的存在 硅的化合物主要是二氧化硅（硅石）和硅酸鹽。例如，花崗巖是由 石英、長(zhǎng)石、云母混合組成的，石英即是二氧化硅的一種形式，長(zhǎng)石 和云母是硅酸鹽。砂子和砂巖是不純硅石的變體，是天然硅酸鹽巖石 風(fēng)化后的產(chǎn)物。水晶是大而透明的石英晶體。 硅約占地殼總重量的硅約占地殼總重量的27.72，其豐度僅次于氧。其豐度僅次于氧。 2.3、硅的形態(tài) 硅被稱為準(zhǔn)金屬，有無定形和晶體兩種同素異形體 晶體結(jié)構(gòu)：晶胞為面心立方 晶胞參數(shù)： a = 543.09 pm = 90 b = 543.09 pm

3、= 90 c = 543.09 pm = 90 晶體硅為鋼灰蘭色，無定形硅為黑色；晶體硅屬于原子晶體，脆硬而 有光澤，有半導(dǎo)體性質(zhì)。 2.4、硅的用途 、高純的單晶硅是重要的半導(dǎo)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(dǎo)體；摻入微量的第va族元素，形成n型硅半導(dǎo)體。n型和p 型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，可做成太陽能電池，將輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。在能源開 發(fā)方面一種很有前途。廣泛應(yīng)用的二極管、三極管、晶體管和各種集成電路 （包括計(jì)算機(jī)內(nèi)的芯片和cpu)都是用硅做的原材料。 、金屬硅陶瓷。將陶瓷、金屬和硅混合燒結(jié)，制成金屬陶瓷復(fù)合材料，耐 高溫，富韌性，能切割，既繼承了金屬和陶瓷的各自的

4、優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了兩者 的先天缺陷。 第一架航天飛機(jī)“哥倫比亞號(hào)”能抵抗高速穿行稠密大氣層時(shí) 因摩擦產(chǎn)生的高溫，全靠外殼上三萬一千多塊硅瓦的保護(hù)。 、光導(dǎo)纖維。用純二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纖維，激光在玻璃纖維 的通路里，無數(shù)次的全反射向前傳輸，可代替笨重的金屬電纜。光纖通信 容量高，一根頭發(fā)絲那么細(xì)的玻璃纖維，可以同時(shí)傳輸256路電話，它還不 受電、磁干擾，不怕竊聽，具有高度的保密性。光纖通信將會(huì)使 21世紀(jì)人 類的生活發(fā)生革命性巨變。 、性能優(yōu)異的有機(jī)硅材料。例如有機(jī)硅塑料是極好的防水涂布材料。在 地下鐵道四壁噴涂有機(jī)硅，可以一勞永逸地解決滲水問題。在古文物、雕 塑的外表，涂一層薄薄的有機(jī)硅

5、塑料，可以防止青苔滋生，抵擋風(fēng)吹雨淋 和風(fēng)化。天安門廣場(chǎng)上的人民英雄紀(jì)念碑，也是經(jīng)過了有機(jī)硅涂層的表面 處理，因此一直潔白、清新。 有機(jī)硅化合物，是指含有si-o鍵、且至少有一個(gè)有機(jī)基是直接與硅原子相連的 化合物，習(xí)慣上也常把那些通過氧、硫、氮等使有機(jī)基團(tuán)與硅原子相連接的化合 物也當(dāng)作有機(jī)硅化合物。 由于有機(jī)硅獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，兼?zhèn)淞藷o機(jī)與有機(jī)材料的性能，具有表面張力低、 粘溫系數(shù)小、壓縮性高、氣體滲透性高等特性，并具有耐高低溫、電氣絕緣、耐 氧化穩(wěn)定性、耐候性、難燃、憎水、耐腐蝕、無毒無味以及生理惰性等優(yōu)異特性， 廣泛應(yīng)用于航空航天、電子電氣、建筑、運(yùn)輸、化工、紡織、食品、輕工、醫(yī)療 等行業(yè)，其中

6、有機(jī)硅主要應(yīng)用于密封、粘合、潤(rùn)滑、涂層、表面活性、脫模、消 泡、抑泡、防水、防潮、惰性填充等。隨著有機(jī)硅數(shù)量和品種的持續(xù)增長(zhǎng)，應(yīng)用 領(lǐng)域不斷拓寬，形成化工新材料界獨(dú)樹一幟的重要產(chǎn)品體系，許多品種是其它化 學(xué)品無法替代、且不可或缺。 有機(jī)硅材料按形態(tài)不同，可分為：硅烷偶聯(lián)劑（有機(jī)硅化學(xué)試劑）、硅油 （硅脂、硅乳液、硅表面活性劑）、高溫硫化硅橡膠、液體硅橡膠、硅樹脂、復(fù) 合物等。 2.5、硅的物理性質(zhì) 熔點(diǎn)： 1687 k（1414 ） 沸點(diǎn) ： 3173 k（2900 ） 摩爾體積： 12.06 10 6 m3 / mol 汽化熱： 384.22 kj / mol 熔化熱： 50.55 kj /

7、 mol 蒸氣壓： 4.77 pa（1683k） 密度： 2.4gcm3 硬度： 6.5（莫氏） 結(jié)晶硅是暗黑藍(lán)色的，很脆，是典型的半導(dǎo)體。 常溫下，除氟化氫以外，難與其它物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。 不溶于水、硝酸和鹽酸；溶于氫氟酸和堿液，放出氫氣。 2.6、硅的化學(xué)性質(zhì) (1)、與非金屬作用 常溫下，si只能與f2反應(yīng)，在f2中瞬間燃燒，生成sif4。 即： si + f2 sif4 加熱時(shí)，能與其它鹵素反應(yīng)生成鹵化硅；與氧反應(yīng)生成sio2 si + 2x2 six4 ( x = cl, br, i ) si + o2 sio2 高溫下，硅與碳、氮、硫等非金屬單質(zhì)化合，分別生成碳化硅sic、氮化硅si3

8、n4和 硫化硅sis2 si + c sic 3si + 2n2 si3n4 si + 2s sis2 (2)、與酸作用 硅在含氧酸中被鈍化，但與氫氟酸及其混合酸反應(yīng)，生成 sif4或h2sif6 si + 4hf = sif4+ 2h2 3si + 4hno3 + 18hf = 3h2sif6 + 4no+ 8h2o (3)、與堿作用 晶態(tài)硅不活潑。無定形硅遇堿劇烈反應(yīng)生成可溶性硅酸鹽，放出氫氣 si + 2naoh + h2o = na2sio3 + 2h2 (4)、與金屬作用 硅還能與鈣、鎂、銅、鐵、鉑、鉍等加熱化合，生成相應(yīng) 的金屬硅化物 si + mg = mg2si 但是，金屬硅化

9、物遇稀酸發(fā)生分解，放出氣體 mg2si + h+ = mg2+ + sih4 2.7、硅的制備 1、實(shí)驗(yàn)室制備 （1）、用金屬鎂還原二氧化硅，得到無定形硅。但mg不可過量 mg + sio2 = si + mgo （2）、用氫氣還原四氯化硅 sicl4 + h2 = si + hcl 2、工業(yè)制備 用炭還原二氧化硅，得到冶金級(jí)無定形硅粉 2 c + sio2 = si + 2 co 三、多晶硅 3.1、什么是多晶硅？ 多晶硅多晶硅 polycrystalline silicon 多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)。 熔融的單質(zhì)硅在過冷條件下凝固時(shí)，硅原子以 金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，這些晶核生 長(zhǎng)成

10、為晶面取向不同的晶粒，匯集起來，就結(jié) 晶成多晶硅。 3.2、多晶硅的基本性質(zhì) 灰色金屬光澤。密度2.322.34，熔點(diǎn)1410，沸點(diǎn)2355。 硬度介于鍺和石英之間，室溫下質(zhì)脆，切割時(shí)易碎裂。 加熱至800以上即有延性，1300時(shí)明顯變形。 溶于氫氟酸及其與硝酸的混合酸。 常溫下不活潑。但高溫下與氧、氮、硫等反應(yīng)。高溫熔融狀態(tài)下，具有較 大的化學(xué)活潑性，能與幾乎任何材料作用。 具有半導(dǎo)體性質(zhì)，是極為重要的優(yōu)良半導(dǎo)體材料，但微量的雜質(zhì)即可大大 影響其導(dǎo)電性。 3.3、多晶硅的用途 按純度不同，多晶硅分為電子級(jí)和太陽能級(jí)。半導(dǎo)體和太陽能電池是 多晶硅的主要應(yīng)用領(lǐng)域。目前，電子級(jí)多晶硅約占多晶硅總量

11、的55左右， 太陽能級(jí)多晶硅占45。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，太陽能電池對(duì)多晶硅 需求量的增長(zhǎng)速度明顯高于半導(dǎo)體多晶硅的發(fā)展，預(yù)計(jì)太陽能多晶硅的需 求量很快將超過電子級(jí)多晶硅。 1994年全世界太陽能電池的總產(chǎn)量只有69mw，2004年接近1200mw， 在短短的10年里就增長(zhǎng)了17倍。專家預(yù)測(cè)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)在二十一世紀(jì)前 半期將超過核電成為最重要的基礎(chǔ)能源之一。 3.4、多晶硅的生產(chǎn)方法 1、電子級(jí)多晶硅的生產(chǎn)技術(shù) 電子級(jí)多晶硅的發(fā)展經(jīng)歷了將近 50 年的歷程。各國(guó)都在十分保密的 情況下發(fā)展各自的技術(shù)。據(jù)說，多晶硅生產(chǎn)早期，參觀一個(gè)多晶硅工廠甚 至比參觀一個(gè)核工廠還要難 , 可見其保密性之嚴(yán)。

12、電子級(jí)多晶硅的特點(diǎn)是 高純和量大 , 其純度已達(dá)很高級(jí)別, 雜質(zhì)的原子分?jǐn)?shù)僅為 5 1510 - 11 (國(guó) 外的習(xí)慣表示法分別為 50 ppt 150 ppt) 。世界生產(chǎn)能力于1965 年達(dá) 30 t / a , 1988 年上升到 5500 t / a , 2000 年已達(dá)到 26000 t / a , 這在凝聚態(tài)物質(zhì)中 是首屈一指的。 2、sihcl3 法生產(chǎn)電子級(jí)多晶硅 sihcl3 法是當(dāng)今生產(chǎn)電子級(jí)多晶硅的主流技術(shù), 其純度可達(dá) 2000 cm （ n 型 ）, 生產(chǎn)歷史已有 35 年，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到第三代。我國(guó)大多采用此 法。sihcl3法的多晶硅價(jià)格比較低 , 其沉積速率比

13、sicl4 法約高 1 倍 , 安全性 相對(duì)較好。多晶硅純度完全滿足直拉和區(qū)熔的要求 , 所以成為首選的生產(chǎn)技 術(shù)。 sihcl3 + h2 si + 3hcl (1) 2sihcl3 + h2 si + sicl4 + 2hcl (2) 3.5、太陽能級(jí)多晶硅生產(chǎn)技術(shù) 多晶硅生產(chǎn)的提純技術(shù)門檻高、投資大, 且長(zhǎng)期以來掌握在美、日、德3 國(guó)7大公司的10家工廠手中。目前最為成熟的提純工藝是西門子法，但該法 提純多晶硅需要維持1100的高溫, 耗電量大, 成本很高。 1、 改良西門子法 改良西門子法是用氯化氫和工業(yè)硅粉在一定的溫度下合成三氯氫硅，然 后對(duì)三氯氫硅進(jìn)行精餾分離、提純，提純后的三氯氫

14、硅在氫還原爐內(nèi)進(jìn)行 cvd反應(yīng)生產(chǎn)高純多晶硅。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的多晶硅廠絕大部分采用此法生產(chǎn) 電子級(jí)與太陽能級(jí)多晶硅。改良西門子法多晶硅合成路線見下圖。 改良西門子法生產(chǎn)多晶硅流程圖 改良西門子法的反應(yīng)方程與反應(yīng)條件 1）、冶金級(jí)硅粉與氣相氯化氫反應(yīng)制得混合氯硅烷（四氯 化硅、三氯氫硅等）： si + hcl sihcl3 + sih2cl2 + sicl4 2）、經(jīng)過粗餾和精餾，純化、分離出三氯氫硅 3）、再將三氯氫硅與高純氫氣在高溫下發(fā)生還原反應(yīng) sihcl3 + h2 si(g) + hcl + sicl4 （400-500、1-2 mpa，粉末狀鎳觸媒） 4）、氣體產(chǎn)物經(jīng)化學(xué)氣相沉積（于硅芯

15、）得到高純多晶硅棒 2. 流化床法 1)、 以四氯化硅、氫氣、氯化氫和工業(yè)硅為原料在流化床內(nèi)( 沸騰床) 高溫高 壓下生成三氯氫硅,； 2）、將三氯氫硅再進(jìn)一步歧化加氫反應(yīng)生成二氯二氫硅, 繼而生成硅烷氣。 3）、制得的硅烷氣通入加有小顆粒硅粉的流化床反應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行連續(xù)熱分解反 應(yīng), 生成粒狀多晶硅產(chǎn)品。 4）、因?yàn)樵诹骰卜磻?yīng)爐內(nèi)參與反應(yīng)的硅表面積大, 生產(chǎn)效率高, 電耗低與成 本低, 適用于大規(guī)模生產(chǎn)太陽能級(jí)多晶硅。唯一的缺點(diǎn)是安全性差, 危險(xiǎn) 性大。其次是產(chǎn)品純度不高, 但基本能滿足太陽能電池生產(chǎn)的使用。 此法是美國(guó)聯(lián)合碳化合物公司早年研究的工藝技術(shù)。目前世界上只有美國(guó) memc公司采用此

16、法生產(chǎn)粒狀多晶硅。此法比較適合生產(chǎn)價(jià)廉的太陽能級(jí) 多晶硅。 3、冶金法 1）、 主要工藝是選擇純度較好的工業(yè)硅 ( 即冶金硅) 進(jìn)行水平區(qū)熔單向凝 固成硅錠； 2）、 去除硅錠中金屬雜質(zhì)聚集的部分和外表部分后, 進(jìn)行粗粉碎與清洗 3）、 在等離子體融解爐中去除硼雜質(zhì), 再進(jìn)行第二次水平區(qū)熔單向凝固成 硅錠,； 4）、 去除第二次區(qū)熔硅錠中金屬雜質(zhì)聚集的部分和外表部分, 經(jīng)粗粉碎與 清洗； 5）、在電子束融解爐中去除磷和碳雜質(zhì), 直接生成太陽能級(jí)多晶硅。 日本川崎制鐵公司采用冶金法制得的多晶硅已在世界上最大的太陽能電池 廠 ( sharp公司) 應(yīng)用, 現(xiàn)已形成800噸/年的生產(chǎn)能力, 全部供給

17、sharp 公司。 4. 氣液沉積法 主要工藝是將反應(yīng)器中的石墨管的溫度升高到1500，流體三氯氫硅和氫 氣從石墨管的上部注入，在石墨管內(nèi)壁1500高溫處反應(yīng)生成液體狀硅， 然后滴入底部，溫度變化后生成固體粒狀的太陽能級(jí)多晶硅。 以日本tokuyama公司為代表，目前10 噸試驗(yàn)線在運(yùn)行，200噸半商業(yè)化規(guī) 模生產(chǎn)線已在20052006年間投入試運(yùn)行。 5. 硅烷法 硅烷氣 ( sih4 ) 是以四氯化硅氫化法、硅合金分解法、氫化物還原法、硅的 直接氫化法等方法制取。 然后將制得的硅烷氣提純后在熱分解爐生產(chǎn)純度較高的棒狀多晶硅。 以前只有日本小松公司掌握此技術(shù), 由于發(fā)生過嚴(yán)重的爆炸事故后,

18、沒有繼 續(xù)擴(kuò)大生產(chǎn)。但美國(guó)asimi和sgs公司仍采用硅烷氣熱分解生產(chǎn)純度較高的 電子級(jí)多晶硅產(chǎn)品。 3.6、多晶硅生產(chǎn)的能耗問題 多晶硅產(chǎn)業(yè)是高耗能產(chǎn)業(yè)。 我國(guó)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝能耗遠(yuǎn)高于國(guó)際先進(jìn)水 平, 電價(jià)也無價(jià)格優(yōu)勢(shì)。國(guó)際太陽能級(jí)多晶硅生產(chǎn)新工藝層出不窮, 隨時(shí)有 產(chǎn)業(yè)化的可能, 而我國(guó)現(xiàn)有項(xiàng)目絕大多數(shù)還是改良西門子法。國(guó)內(nèi)光伏業(yè)領(lǐng) 軍人物、尚德電力董事長(zhǎng)施正榮曾公開表示, 中國(guó)不是適合制造多晶硅的國(guó) 家, 因?yàn)殡妰r(jià)太高, 生產(chǎn)多晶硅不符合科學(xué)發(fā)展觀。他認(rèn)為, 投資多晶硅應(yīng)該 去加拿大、美國(guó)、澳大利亞等電費(fèi)相對(duì)便宜的國(guó)家。 我國(guó)多晶硅生產(chǎn)技術(shù)大多從俄羅斯引進(jìn), 這必將為日后的產(chǎn)品質(zhì)量和市 場(chǎng)

19、競(jìng)爭(zhēng)埋下隱患。俄羅斯的技術(shù)相對(duì)美、德、日等國(guó)技術(shù), 還不算很成熟, 其中最重要的能耗問題一直未能更好地解決。 目前，我國(guó)多晶硅生產(chǎn)的單位能耗是美日技術(shù)能耗1.5 2倍。按照目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)線的多晶硅生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本，大約會(huì)在 50美元/公斤，而國(guó)外成本不超過30美元/公斤。我國(guó)目前多晶 硅生產(chǎn)過程中電力成本占整個(gè)多晶硅成本 ( 包含設(shè)備折舊成本) 的30% ， 則電力成本為15美元 / 公斤。如果電力能耗降至和 美日技術(shù)相當(dāng)，那么我國(guó)多晶硅的生產(chǎn)成本就會(huì)降至40美元/ 公斤，成本下降相當(dāng)明顯。 3.7、多晶硅生產(chǎn)的污染問題 多晶硅生產(chǎn)是重污染行業(yè), 國(guó)內(nèi)企業(yè)尾氣回收工藝不完善, 面臨愈來愈大的環(huán)保 壓

20、力。在西門子法生產(chǎn)多晶硅的過程中, 產(chǎn)生大量副產(chǎn)物，即每產(chǎn)出1噸多晶硅將伴 生大約10噸的四氯化硅和1-5噸氯化氫。四氯化硅常態(tài)下為液體，沸點(diǎn)很低，易于汽 化和水（潮）解，具有很強(qiáng)的腐蝕性和毒性，難以大規(guī)模儲(chǔ)藏和運(yùn)輸。 華盛頓郵報(bào) 2008年3月9日發(fā)表文章： “太陽能公司把垃圾留給了中國(guó)”， 即指明是洛陽某多晶硅企業(yè)雖然生產(chǎn)多晶硅獲利豐厚，產(chǎn)品供不應(yīng)求，但 生產(chǎn)多晶 硅的副產(chǎn)品四氯化硅沒有有效處理，在當(dāng)?shù)貎A倒，造成嚴(yán)重污染。由于對(duì)環(huán)境有害, 發(fā)達(dá)國(guó)家均要求多晶硅公司回收并循環(huán)使用副產(chǎn)物。 但毋庸置疑，回收四氯化硅， 設(shè)備投資巨大，將加重成本。 采用閉環(huán)進(jìn)行尾氣回收是多晶硅生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。有

21、了尾氣回收不僅可以增 加尾氣運(yùn)用效率, 從而減少企業(yè)能耗、減少成本, 而且減少了環(huán)境污染。 四氯化硅循環(huán)利用有效途徑：sicl4 + h2 sihcl3 4、洛陽中硅高科公司簡(jiǎn)介 洛陽中硅多晶硅項(xiàng)目中國(guó)目前最有競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力的多晶硅項(xiàng)目之一。該公司是 洛陽單晶硅有限責(zé)任公司、洛陽金豐電化有限公司和中國(guó)有色工程設(shè)計(jì)研 究總院三方在2003年年初共同出資組建的合資公司。其中中國(guó)有色工程設(shè) 計(jì)研究總院擁有多項(xiàng)科技成果，處于國(guó)際多晶硅工藝技術(shù)研究的前列，洛 陽單晶硅有限責(zé)任公司則是國(guó)內(nèi)最大的半導(dǎo)體材料生產(chǎn)廠家(代號(hào)740，與 峨眉半導(dǎo)體廠739齊名為中國(guó)多晶硅的“黃埔軍校”)，而金豐電化有限公 司是本地較有

22、實(shí)力的企業(yè)。以300噸多晶硅項(xiàng)目為起點(diǎn)，迅速擴(kuò)至1000噸。 2007年12月18日，洛陽中硅高科年產(chǎn)2000噸多晶硅擴(kuò)建工程的奠基。洛 陽中硅高科年產(chǎn)2000噸多晶硅項(xiàng)目是河南省、洛陽市“十一五”期間重點(diǎn) 支持項(xiàng)目，其核心裝備研究列入國(guó)家“863”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目，總投資14 億元，于2008年建成投產(chǎn)。 四、單晶硅 1、什么是單晶硅 單晶硅，monocrystalline silicon。是具有基本完整點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的硅單晶體。熔 融的單質(zhì)硅在凝固時(shí)硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，這些晶核晶面取向 相同，晶粒平行地結(jié)合起來便成為單晶硅。純度達(dá)到99.9999，甚至達(dá)到 99.9999999以上

23、。目前，目前，單晶硅稱得上是世界上最純凈的物質(zhì)！單晶硅稱得上是世界上最純凈的物質(zhì)！ 單晶硅具有準(zhǔn)金屬的物理性質(zhì)，有較弱的導(dǎo)電性，電導(dǎo)率隨溫度的升高而 增加，有顯著的半導(dǎo)電性。超純的單晶硅是本征半導(dǎo)體。在超純單晶硅中摻入 微量的a族元素，如硼可提高其導(dǎo)電的程度，而形成p型硅半導(dǎo)體；如摻入微 量的a族元素，如磷或砷也可提高導(dǎo)電程度，形成n型硅半導(dǎo)體。 2、單晶硅的基本用途 單晶硅具有金剛石晶格，晶體硬而脆，具有金屬光澤，能導(dǎo)電，但導(dǎo)電率不及金 屬，且隨著溫度升高而增加，具有半導(dǎo)體性質(zhì)。單晶硅是重要的半導(dǎo)體材料。n型和p 型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，就可做成太陽能電池，將輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。在開發(fā)能源方面 是

24、一種很有前途的材料。 單晶硅是制造半導(dǎo)體硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶體管、二極 管、開關(guān)器件等。 單晶硅棒是生產(chǎn)單晶硅片的原材料，隨著國(guó)內(nèi)和國(guó)際市場(chǎng)對(duì)單晶硅片（晶圓）需 求量的快速增加，單晶硅棒的市場(chǎng)需求也呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。 單晶硅圓片按其直徑分為6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米） 等。直徑越大的圓片，所能刻制的集成電路越多，芯片的成本也就越低。但大尺寸晶 片對(duì)材料和技術(shù)的要求也越高。 3、單晶硅的生產(chǎn)方法 單晶硅的制法通常是先制得多晶硅或無定形硅，然后用直拉法或懸浮 區(qū)熔法從熔體中生長(zhǎng)出棒狀單晶硅。 單晶硅按晶體伸長(zhǎng)方法的不同，分為直拉法（cz）、區(qū)

25、熔法（fz）和 外延法。直拉法、區(qū)熔法制備單晶硅棒材，外延法制備單晶硅薄膜。 直拉法伸長(zhǎng)的單晶硅主要用于半導(dǎo)體集成電路、二極管、外延片襯底、 太陽能電池。目前晶體直徑可控制在38英寸。 區(qū)熔法單晶主要用于高壓大功率可控整流器件領(lǐng)域，廣泛用于大功率 輸變電、電力機(jī)車、整流、變頻、機(jī)電一體化、節(jié)能燈、電視機(jī)等系列產(chǎn) 品。目前晶體直徑可控制在36英寸。 外延片主要用于集成電路領(lǐng)域。 區(qū)域熔煉原理示意圖 區(qū)域熔煉裝置示意圖（以鍺為例） 五、太陽能電池 1、太陽能電池工作原理 太陽能電池是一種利用半導(dǎo)體pn結(jié)將光能轉(zhuǎn)化成電能的一種器件，它的常用材料 是硅，具有非常特殊的化學(xué)性能和晶體結(jié)構(gòu)。硅原子有14個(gè)

26、電子，分布在三個(gè)電子 層上，里面的兩個(gè)電子層均以填滿，只有最外層缺少四個(gè)電子為半滿。為了達(dá)到滿 電子層穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，每個(gè)硅原子只能和它相鄰的四個(gè)原子結(jié)合形成共用電子對(duì)。它不 能象銅等良導(dǎo)體中的自由電子那樣自由移動(dòng)，也就決定硅不是電的良導(dǎo)體。實(shí)際用 于太陽能電池的硅是經(jīng)過特殊處理的，也就是采取了摻雜工藝。 當(dāng)在硅中摻入比其多一個(gè)價(jià)電子的元素（例如磷），最外層中的個(gè) 電子只能有個(gè)和相鄰的硅原子形成共用電子對(duì)，剩下一個(gè)電子不能形成 共價(jià)鍵，但仍受雜質(zhì)中心的約束，只是比共價(jià)鍵的約束弱得多，只要很小 的能量便會(huì)擺脫束縛，成為自由電子，此時(shí)的半導(dǎo)體稱為n（negative）型 半導(dǎo)體。 在硅中摻入比其少一個(gè)價(jià)

27、電子的元素（例如氮），在和硅原子形成共 價(jià)鍵的同時(shí)便會(huì)形成一個(gè)空穴狀態(tài)，只要很小的一個(gè)能量便會(huì)從附近原子 接受一個(gè)電子，把空狀態(tài)轉(zhuǎn)移到附近的共價(jià)鍵里，這就是空穴，帶有一個(gè) 正電荷，和自由電子做同樣的無規(guī)運(yùn)動(dòng)，這樣的半導(dǎo)體稱為p（positive） 型半導(dǎo)體。 當(dāng)你把一塊n型半導(dǎo)體和一塊p型半導(dǎo)體放在一起，所有的自由電子和空穴 分別聚集在接觸面的兩側(cè)，其中電子富集區(qū)稱為n型區(qū)，空穴富集區(qū)稱為p 型區(qū)，共同構(gòu)成pn結(jié)，可以允許電子從p區(qū)向n區(qū)移動(dòng)，但不能反方向。p n結(jié)就像一座山，電子就像個(gè)登山人，它可以很容易的滑下山坡（去n 區(qū)），但不能爬上山坡（去p區(qū)）。 硅晶體在陽光下照射，一部分陽光會(huì)被晶

28、體吸收，當(dāng)某個(gè)光子的能量大于 或等于電子的束縛能時(shí)，能量便會(huì)被電子吸收，使其擺脫束縛，成為自由 電子，同時(shí)形成一個(gè)空穴。電子向p型區(qū)移動(dòng)，空穴向n型區(qū)移動(dòng)，將原來 的電中性破壞。如果此時(shí)給它接上一個(gè)外電路，電子便會(huì)反方向運(yùn)動(dòng)回到 它原來的位置，同時(shí)形成一定的電流和電壓，給外電路提供能量。 2、太陽能電池發(fā)電方式 主要有兩種方式： （1）、光熱電轉(zhuǎn)換方式 （2）、光電直接轉(zhuǎn)換方式 （1）、）、 光光熱熱電轉(zhuǎn)換方式電轉(zhuǎn)換方式 通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換 成工質(zhì)的蒸氣，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。前一個(gè)過程是光熱轉(zhuǎn)換過程；后一個(gè)過程 是熱電轉(zhuǎn)換過程，與普通的火力發(fā)電

29、一樣。太陽能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而 成本很高，估計(jì)它的投資至少要比普通火電站貴510倍。一座1000mw的太陽能 熱電站需要投資2025億美元，平均1kw的投資為20002500美元。因此，目前 只能小規(guī)模地應(yīng)用于特殊的場(chǎng)合，而大規(guī)模利用在經(jīng)濟(jì)上不合算，還不能與普通 的火電站或核電站相競(jìng)爭(zhēng)。 （2）、光）、光電直接轉(zhuǎn)換方式：電直接轉(zhuǎn)換方式： 該方式是利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光電轉(zhuǎn)換的基本裝置 就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為 電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽光照到光電二極管上時(shí)，光電二 極管就會(huì)把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。

30、當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可 以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的 新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點(diǎn)。太陽能電池壽命長(zhǎng)，只要太 陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長(zhǎng)期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比， 太陽能電池不會(huì)引起環(huán)境污染；太陽能電池可以大中小并舉，大到百萬千瓦的中 型電站，小到只供一戶用的太陽能電池組，這是其它電源無法比擬的。 3、太陽能電池分類 v太陽能電池按結(jié)晶狀態(tài)可分為結(jié)晶系薄膜式和非結(jié)晶系薄膜式 兩大類，而前者又分為單結(jié)晶形和多結(jié)晶形。 v按材料可分為硅薄膜形、化合物半導(dǎo)體薄膜形和有機(jī)膜形，而 化合物半導(dǎo)體薄膜形又分為非結(jié)晶形 (a

31、-si:h, a-si:h:f, a-six gel-x:h等)、v族(gaas, inp等)、族(cds系)和磷化鋅 (zn3p2 )等。 v根據(jù)所用材料不同，太陽能電池還可分為：硅太陽能電池、多 元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、 納米晶太陽能電池、有機(jī)太陽能電池，其中硅太陽能電池是目 前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。 4、硅太陽能電池 v硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能 電池三種。 v單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為 24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占

32、據(jù)主導(dǎo)地位。 單晶硅價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和 非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。 v多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其 實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。因此，多晶硅薄膜 電池不久將會(huì)在太陽能電地市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。 v非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的 潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí) 際應(yīng)用。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅大陽能電 池?zé)o疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。 v

33、4、我國(guó)多晶硅項(xiàng)目統(tǒng)計(jì) 據(jù)金融投資報(bào)2008年3月份的統(tǒng)計(jì)，全國(guó)共有16個(gè)省、市、 自治區(qū)布局投資建設(shè)33個(gè)高純多晶硅項(xiàng)目，總規(guī)模為146750t。 這些項(xiàng)目中，有的已經(jīng)部分投產(chǎn)并進(jìn)一步擴(kuò)建，有的已經(jīng)奠基 開工建設(shè)，有的正在進(jìn)行編可研、搞設(shè)計(jì)等前期工作。根據(jù)我 們的近期的調(diào)研和統(tǒng)計(jì)，全國(guó)在建、擬建的高純多晶硅項(xiàng)目已 有50多個(gè)，下面對(duì)主要項(xiàng)目的最新情況作一簡(jiǎn)介。 v（1）江西新余市賽維ldk太陽能有限公司多晶硅項(xiàng)目，總規(guī) 模1.6萬t，計(jì)劃在2008年底建成6000t， 2009年底全部建成。由 位于美國(guó)德克薩斯州的fluor公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、采購設(shè)備和安裝建 設(shè)。 v（2）徐州中能光伏3000t

34、多晶硅項(xiàng)目，由香港協(xié)鑫集團(tuán)投資30 億元于2006年8月于徐州經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)開工建設(shè)。其一期1500t生 產(chǎn)線已于2007年投產(chǎn)；二期1500t生產(chǎn)線也將于2008年投產(chǎn)。 v（3）江蘇雙龍1200t多晶硅項(xiàng)目，由江蘇新雙龍投資擔(dān)保公司 和香港聯(lián)中合資建設(shè)。已于2007年1月20日在南京江寧橫溪鎮(zhèn) 陶吳工業(yè)集中區(qū)開工建設(shè)，三年建成。 v（4）江蘇順大1500t多晶硅項(xiàng)目，于2007年初在揚(yáng)州市經(jīng)濟(jì)開 發(fā)區(qū)開工建設(shè)，總投資3億美元，由英聯(lián)、高盛等投資1億美元 購買順大半導(dǎo)體公司26.7%的股份。 v（5）山西潞安集團(tuán)與德國(guó)森特塞姆公司合作建設(shè)的5000t高純 多晶硅項(xiàng)目，該項(xiàng)目采用西門子法，純度可達(dá)9n以上。總投資 50億元。分兩期建設(shè)，一期的2500t預(yù)計(jì)2008年可建成投產(chǎn)。 v（6）深圳南玻集團(tuán)、香港華儀有限公司、宜昌力源科技開發(fā) 有限責(zé)任公司合資建設(shè)的5000t多晶硅項(xiàng)目，總投資60億元，其 一期目標(biāo)為1500t，計(jì)劃于兩年內(nèi)建成。項(xiàng)目由俄羅斯國(guó)家稀有 金屬研究設(shè)計(jì)院與中國(guó)達(dá)成工程公司共同設(shè)計(jì)。 v（7）牡丹江3000t多晶硅項(xiàng)目，由上海工投集團(tuán)、實(shí)業(yè)集團(tuán)、 建材集團(tuán)等共同投資25億元。項(xiàng)目已于2