太阳能电池材料电子教案(铸造多晶硅概述)
第6章铸造多晶硅
铸造多晶硅的掺杂： 与单晶硅一样，铸造多晶硅的晶体生长过程中也要 进行掺杂，掺杂时要考虑成本、杂质的分凝系数及 后续的太阳电池制备工艺。实际生产中主要制备p型 多晶硅。 太阳电池最优电阻率1 cm 硼掺杂浓度为2×1016 cm2 2B2O2 = 4B + 3O2 硼的分凝系数为0.8，所以硼的浓度分布比较均匀，所 以铸造多晶硅电阻率分布也比较均匀。图6.13
(3)熔化。通入氩气，使炉内压力维持在 40~60kPα，逐渐增大加热功率，使石 英坩埚内的温度达到1 500℃左右，硅 原料开始熔化，熔化过程中一直保持此 温度，直至化料结束，该过程约需9~11 h。
(4)生长。硅料熔化后，降低加热功率，使石英 坩埚的温度降至1 420℃~1 440℃硅熔点。然后 石英坩埚逐渐向下移动，或者隔热装置逐渐上 升，使石英坩埚慢慢脱离加热区，使硅熔料与 周围形成热交换，同时，冷却板通水，使熔体 的温度自底部开始降低，晶体硅首先在底部形 成，并呈柱状向上生长，生长过程中固-液界面 始终保持与水平面基本平行，直至晶体生长完 成，该过程约需要20~22 h。
晶体生长工艺：
(1)装料。将装好料的坩埚放置在热交换台上， 然后炉内抽真空，使炉内压力为5～10 Pα并保 持真空。通入氩气，使炉内压力维持在40~60 kPα。
(2)加热。用石墨加热器加热，首先使石墨部 件、隔热层、硅原料等表面吸附的湿气蒸发， 然后缓慢加温，使石英坩埚的温度达到1 200℃~1 300℃，该过程约需4~5 h。
太阳电池多晶硅锭是一种柱状晶，晶体生长方向垂直向上，是 通过定向凝固（也称可控凝固、约束凝固）过程来实现的，即 在结晶过程中，通过控制温度场的变化，形成单方向热流(生长 方向与热流方向相反），并要求液固界面处的温度梯度大于0， 横向则要求无温度梯度，从而形成定向生长的柱状晶。
第十章讲义铸造多晶硅
不断挤占单晶硅的市场，成为最有竞争
力的太阳电池材料。21世纪初已占50% 以上，成为最主要的太阳电池材料。
直拉单晶硅为圆片状，而硅片制备 的圆形太阳电池不能有效地利用太阳电 池组件的有效空间，相对增加了太阳电 池组件的成本。如果将直拉单晶硅圆柱 切成方块，制备太阳电池，其材料浪费 就增加，同样也增加了太阳电池组件的 成本。
晶硅，从而降低了太阳电池的光电转换 效率。
铸造多晶硅和直拉单晶硅的比较见表 10.1
自从铸造多晶硅发明以后，技术不 断改进，质量不断提高，应用也不断广 泛。在材料制备方面，平面固液相技术 和氮化硅涂层技术等技术的应用、材料 尺寸的不断加大。
在电池方面，SiN减反射层技 术、氢钝化技术、吸杂技术的开发 和应用，使得铸造多晶硅材料的电 学性能有了明显改善，其太阳电池 的光电转换率也得到了迅速提高。
铸造多晶硅的优缺点
缺
铸造多晶硅具有晶界、高密度的位
错、微缺陷和相对较高的杂质浓度，从 而降低了太阳电池的光电转换效率。
10.1 概述 10.2 铸造多晶硅的制备工艺 10.3 铸造多晶硅的晶体生长
10.1 概述
利用铸造技术制备多晶硅，称为铸 造多晶硅（multicrystalline silicon， mc-Si）。
直熔法
由图可知，硅原材料首先在坩埚中熔 化，坩埚周围的加热器保持坩埚上部温度 的同时，自坩埚的底部开始逐渐降温，从 而使坩埚底部的熔体首先结晶。同样的， 通过保持固液界面在同一水平面并逐渐上 升。使得整个熔体结晶为晶锭。在这种制 备方法中，硅原材料的熔化和结晶都在同 一个坩埚中进行。
直熔法
图10.4 直熔法制备铸造多晶硅用 晶体生长炉的结构
直熔法的冷却方式
多晶硅生产电子教案
多晶硅生产工艺多晶硅生产工艺1．概述硅是地球上含量最丰富的元素之～，约占地壳质量的25．8％，仅次于氧元素，居第二位。
硅在地球上不存在单质状态，基本上以氧化态存在于硅酸盐或二氧化硅中，其表现形态为各种各样的岩石，如花岗岩、石英岩等。
硅是一种半导体元素，元素符号为Si，位于元素周期表的第三周期第四主族，原子序数为14，原子量为28.0855。
硅材料的原子密度为5.OOx1022／cm。
，熔点为141 5℃，沸点为2355℃它在常温(300K)下是具有灰色金属光泽的固体，属脆性材料。
硅材料有多种形态，按晶体结构，可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。
单晶硅材料，是指硅原子在三维空间有规律周期性的不问断排列，形成一个完整的晶体材料，材料性质体现各向异性，即在不同的晶体方向各种性质都存在差异。
多晶硅材料，是指由两个以上尺寸不同的单晶硅组成的硅材料，它的材料性质体现的是各向同性。
非晶硅材料，是指硅原子在短距离内有序排列、而在长距离内无序排列的硅材料，其材料的性质显示各向同性。
通常硅晶体的晶体结构是金刚石型，有9个反映对称面、6条二次旋转轴、4条三次旋转轴和3条四次旋转轴，其全部对称要素为3L44LS6L 9PC。
如果加压到1.5GPa，硅晶体就会发生结构变化，由金刚石型结构转变为面心立方结构，此时的晶体常数为0.6636nm。
硅材料是应用最广泛的元素半导体材料，具有其他元素不具有的一些特性，在室温下它的禁带宽度为1.1 2eV，其本征载流子浓度为1.45x10 D／cm。
硅材料具有典型的半导体电学性质。
硅材料的电阻率在10～1010Ω·cm间，导电能力介于导体和绝缘体之间。
特性其导电性受杂质、光、电、磁、热、温度等环境因素的影响明显。
高纯无掺杂的无缺陷的硅晶体材料，称为本征半导体，其电阻率在10Ω·cm以上。
P-N结构性。
即N型硅材料和P型硅材料结合组成PN结，具有单向导电性等性质。
这是所有硅半导体器件的基本结构。
太阳电池用铸造多晶硅结构缺陷和杂质的
缺陷和杂质2023-11-09•铸造多晶硅太阳电池概述•铸造多晶硅的结构缺陷•铸造多晶硅中的杂质目录•铸造多晶硅结构缺陷和杂质的表征与检测方法•铸造多晶硅结构缺陷和杂质的控制与优化•展望与未来发展趋势01铸造多晶硅太阳电池概述铸造多晶硅太阳电池的制造工艺已经非常成熟，可以实现大规模生产。
制造工艺成熟转换效率较高制造成本较低铸造多晶硅太阳电池的转换效率较高，可以满足大部分应用需求。
铸造多晶硅太阳电池的制造成本较低，具有较好的经济性。
030201吸光层由多晶硅材料构成，能够吸收太阳光并将其转化为电能。
吸光层导电层由掺杂的多晶硅材料构成，能够将吸光层产生的电流导出并传输到外部电路中。
导电层背反射器用于将太阳光反射回吸光层，以增加光吸收效果。
背反射器导电层制备将掺杂的多晶硅材料通过热处理和加工等工艺制成导电层。
铸造多晶硅太阳电池的制造过程原材料准备制造铸造多晶硅太阳电池需要准备多晶硅材料、掺杂剂、反射器等原材料。
吸光层制备将多晶硅材料通过热处理和掺杂等工艺制成吸光层。
背反射器制备将反射器材料通过加工等工艺制成背反射器。
组装将吸光层、导电层和背反射器组装在一起，形成完整的铸造多晶硅太阳电池。
02铸造多晶硅的结构缺陷在铸造多晶硅中，晶界是常见的结构缺陷。
晶界是指不同晶粒之间的交界，通常会对材料的性能产生负面影响。
在太阳电池中，晶界会降低载流子的迁移率，导致光电转换效率下降。
晶界位错是指晶体结构中的原子排列错位。
在铸造多晶硅中，位错会破坏晶体结构的周期性，导致能带结构发生变化。
位错还会影响载流子的散射和复合，进一步降低太阳电池的性能。
位错铸造多晶硅中的晶界与位错杂质陷阱在铸造多晶硅中，杂质原子通常会聚集在晶界或位错等缺陷处。
这些杂质原子会捕获电子或空穴，形成杂质能级，从而影响载流子的迁移和复合过程。
杂质陷阱对太阳电池的光电转换效率产生负面影响。
热处理与杂质陷阱通过热处理可以部分消除杂质陷阱的影响。
在高温下，杂质原子有机会从缺陷处扩散出去，从而减少杂质陷阱的数量。
多晶硅太阳能电池制作工艺概述
生产可大大缩短工艺时间，单片热工序时间可在一分钟之内完成，采用该工艺在100平方厘米的
多
晶硅片上作出的电池转换效率超过14%。据报道，目前在50〜60微米多晶硅衬底上制作的电池
效
率超过16%。利用机械刻槽、丝网印刷技术在100平方厘米多晶上效率超过17%，无机械刻槽
在同
样面积上效率达到16%，采用埋栅结构，机械刻槽在130平方厘米的多晶上电池效率达到
对于单晶硅，应用各向异性化学腐蚀的方法可在（100）表面制作金字塔状的绒面结构，降低表 面
光反射。但多晶硅晶向偏离（100）面，采用上面的方法无法作出均匀的绒面，目前采用下列方 法:
[1]刻槽
用激光刻槽的方法可在多晶硅表面制作倒金字塔结构，在500〜900nm光谱范围内，反射率为4
〜6%，与表面制作双层减反射膜相当。而在（100）面单晶硅化学制作绒面的反射率为11%。
口（小于2微米），再淀积较宽的金属栅线 （通常为10微米），形成mushroom—like状电极， 用该
方法在4cm2 Mc-Si上电池的转换效率达到17.3％。目前，在机械刻槽表面也运用了Shallow angle （oblique）技术。
2.3PN结的形成技术
[1]发射区形成和磷吸杂
对于高效太阳能电池，发射区的形成一般采用选择扩散，在金属电极下方形成重杂质区域而 在电极间实现浅浓度扩散，发射区的浅浓度扩散即增强了电池对蓝光的响应，又使硅表面易于钝 化。扩散的方法有两步扩散工艺、扩散加腐蚀工艺和掩埋扩散工艺。目前采用选择扩散，15X
晶
硅电池，在非晶硅电池稳定性问题未取得较大进展时，多晶硅电池受到人们的关注，其世界产量
已
接近单晶硅，本文对目前多晶硅太阳电池的工艺发展分别从实验室工艺和规模化生产两个方面作 了
太阳能技术中的多晶硅电池
太阳能技术中的多晶硅电池太阳能技术是近年来备受关注的热门领域之一。
尤其是多晶硅电池，其相对于单晶硅电池来说，成本更低，效率更高，被广泛运用于太阳能光伏发电系统之中。
今天，我们来探究一下多晶硅电池的工作原理、制造流程以及适用范围等话题。
一、多晶硅电池的工作原理多晶硅电池与单晶硅电池的不同之处，主要在于其晶体结构。
多晶硅电池采用的是由许多小晶体组成的多晶硅太阳能电池，其制造过程较为简单，且成本相对较低，但是其转化效率略低于单晶硅电池。
多晶硅电池的工作原理和单晶硅电池类似，其基本结构包括P 型硅层和N型硅层。
当太阳光进入多晶硅电池时，光子会与硅中的电子发生相互作用，从而使电子被激发出来。
这些电子将穿过P型硅边界，向N型硅移动，并在其中留下空穴。
在电子和空穴之间形成的PN结将把电子和空穴隔开，使得电子和空穴不会再结合在一起。
这些电子和空穴即可作为电路的电能来源，产生电子流。
将电池板连接到电路后，电子流将通过电线的导体进入电路。
当太阳能光线减弱或消失时，电流将停止流动，电池板将停止放电。
二、多晶硅电池的制造流程多晶硅电池的制造过程相对于单晶硅电池较为简单，其主要流程可以分为以下几个步骤：1. 光伏硅材生长：生长出具有多层结构的硅块。
2. 切割硅块：将硅块切割成小片，这些小片将作为太阳能电池的核心组件。
3. 加工硅片：加工硅片，加工过程会给硅片表面喷涂成一层为锖色的磷化膜。
之后，还要在片表面加工出下表面阳极和上表面接触电路。
4. 烧结：将磷化膜和多晶硅片一起在高温下进行烧结，将磷酸硅用稻壳粉包埋后进入一个57千瓦的固定能量钨灯长期加热，磷酸硅和碳粉会在高温下反应，生成单质硅、氧和二氧化碳等化合物。
5. 电池制造：将多晶硅片组合起来，以形成固定的太阳能电池板。
在这个过程中，涂有镀金铜条的铜丝被固定到每个硅板的正极和负极。
6. 测量和排序：将已经制造好的多晶硅电池进行测量，排除不良品，将质量可靠的电池进行排序，组成整个太阳能电池板。
铸造多晶硅的书
铸造多晶硅的书
引言
铸造多晶硅是一项重要的工艺，它在太阳能电池、集成电路和半导体等领域都有广泛应用。
本书将详细介绍铸造多晶硅的原理、方法和应用，帮助读者深入了解这一技术。
第一章：多晶硅概述
1.1 多晶硅的定义和特性 1.2 多晶硅在工业中的应用
第二章：铸造多晶硅的原理
2.1 多晶硅的结构特点 2.2 铸造多晶硅的基本原理 2.3 影响铸造质量的因素
第三章：铸造多晶硅的方法
3.1 传统方法：Czochralski法 3.1.1 Czochralski法工艺流程 3.1.2 Czochralski法优缺点及改进措施
3.2 新兴方法：区熔法、浮区法等 3.2.1 区熔法工艺流程及优缺点 3.2.2 浮区法工艺流程及优缺点
第四章：铸造多晶硅设备与工艺参数控制
4.1 铸造多晶硅设备概述 4.2 温度控制 4.3 压力控制 4.4 搅拌控制
第五章：铸造多晶硅的质量控制与评估
5.1 多晶硅的质量评估指标 5.2 质量控制方法和流程 5.3 质量问题分析与解决
第六章：铸造多晶硅的应用领域
6.1 太阳能电池生产中的应用 6.2 集成电路生产中的应用 6.3 半导体材料研究中的应用
结论
本书详细介绍了铸造多晶硅的原理、方法和应用，希望读者通过学习本书，能够全面了解这一技术，并在实际工作中运用自如。
单晶矽及多晶矽太阳能电池课件
太阳能电池的种类
单晶矽太阳能电池
使用单晶矽材料制成的太阳能电池，具有较高的光电转换效率和 稳定性。
多晶矽太阳能电池
使用多晶矽材料制成的太阳能电池，其制造成本较低，但光电转 换效率略低于单晶矽太阳能电池。
太阳能电池的应用
01
02
03
04
光伏发电站
利用大规模的太阳能电池阵列 ，将太阳光转化为电能，为电 网供电。
政策影响
政府补贴与激励政策
政府对可再生能源的支持力度将持续加大，提供补贴、税收优惠 等政策，促进太阳能电池的普及和应用。
法规与标准
政府将制定更加严格的法规和标准，规范太阳能电池的生产、销售 和使用，保证产品质量和安全性。
国际合作与交流
政府将推动国际合作与交流，加强技术研发和产业合作，共同推动 太阳能电池技术的发展和应用。
多晶矽太阳能电池的制造过程
制备
多晶矽太阳能电池的制备通常包括铸锭、切片、 清洗、镀膜、烧结等步骤。
掺杂
在制造过程中，通常需要对多晶矽进行掺杂，以 提高其导电性能。
镀膜
在多晶矽表面镀上一层薄膜，以提高其光电转换 效率。
烧结
在高温下进行烧结，使多晶矽更加致密，提高其 机械强度和稳定性。
多晶矽太阳能电池的优缺点
应用领域比较
总结词
单晶矽太阳能电池适用于高效率和高功率的应用场景，如太 空、通讯基站等。多晶矽太阳能电池适用于大规模和低成本 的应用场景，如住宅、商业设施等。
详细描述
由于单晶矽太阳能电池具有较高的效率和稳定性，因此适用 于对光电转换效率要求较高的应用场景。而多晶矽太阳能电 池在大规模生产方面具有优势，且成本较低，因此适用于大 规模和低成本的应用场景。
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（三）直拉单晶硅与铸造多晶硅比较（图8）
(四)铸造多晶硅的缺点
高密度位错、晶界、微缺陷、相对较高的杂质浓度(晶体与坩埚接触)
补充：1970年以前，直拉单晶硅是唯一大规模工业化生产的材料，高效率、工艺稳定成熟、但是成本相对较高。
1975→1976→1980年，非晶硅商品化，效率低、效率衰减、稳定性差。
Ⅴ、布置作业：1分钟
课后习题：1、2
教学反思
教研组长签名教务科长签名
年月日教Biblioteka 难点掌握直拉单晶硅与铸造多晶硅的不同
教学准备
教材教案教参
教学方法
探究式教学法
教
学
过
程
Ⅰ、课堂组织：2分钟
组织课堂纪律点名
Ⅱ、复习旧课，导入新课：4分钟
问题：1、五种太阳电池用硅材料中，应用最广泛的是哪两种？
2、直拉单晶硅的制备工艺？机械加工工艺？
Ⅲ、讲授新课：78分钟
第八章铸造多晶硅
一、定义
利用铸造技术制备硅多晶体，称为铸造多晶硅。
二、电池材料整体发展状况
三、直拉与铸造的优势比较
（一）直拉单晶硅的成本弱势
1、种晶过程——人力成本增加
2、切片成圆——组件空间利用率小——成本增加
3、切片成方——原料利用率底——成本增加
（二）铸造多晶硅优势
1、制造成本底——自动化生产
2、材料利用率高
a、方形坩埚
b、废料再利用
3、晶体生长简便（无需缩颈、放肩、滚圆等过程）
1979→1980年，80年代末，铸造多晶硅和带状多晶硅得到快速发展。铸造多晶硅：10％（80年代末）→36％（1996）→50％以上（2001年）→53％（目前）成为最主要的太阳电池材料
1990→1995年，非晶硅瓶颈
老大之争：直拉单晶硅和铸造多晶硅
Ⅳ、归纳总结：2分钟
1、单晶与多晶的区别
2、铸造多晶硅的优势
授课日期
授课节次
授课班级
8.1概述
教学目的
1、复习单晶硅制造工艺，了解其在成本上的竞争弱势
2、掌握与直拉单晶硅相比，铸造多晶硅的优势
3、掌握掌握什么是浇铸法及其工艺过程、优缺点，直熔法及二者区别
教学重点
复习单晶硅制造工艺，了解其在成本上的竞争弱势
掌握与直拉单晶硅相比，铸造多晶硅的优势
掌握直拉单晶硅与铸造多晶硅的不同