第六章 标准硅太阳能电池工艺
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内容
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6.1 由砂还原为冶金级硅 6.2 冶金级硅提纯为半导体级硅 6.3 半导体级多晶硅转变为单晶硅片 6.4 单晶硅片制成太阳能电池 6.5 太阳能电池封装成太阳能电池组件 6.6 能量收支结算
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太阳能电池材料
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禁带宽度1.1eV~1.7eV，以直接带隙半导体为佳； 组成的材料不具有毒性； 材料易取得，成本低； 有良好的光电转换效率； 有长期的稳定性；
薄膜太阳电池
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薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、
陶瓷、石墨，金属片等不同材料当基板来制造。薄膜 厚度仅为数μm，目前转换效率最高可达20.8%。
6.1 由砂还原为冶金级硅
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提炼硅的原始材料是SiO2，是砂的主要成分。
在电弧炉中加入碳，利用氧化还原反应提取硅：
SiO2 +2C Si+2CO
将液态硅倒入铸模内进行凝固，用压碎机压成小块。
所得到的硅为冶金级硅（MG-Si），纯度为98%~99%。
生产冶金级多晶硅原料的电弧炉
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电弧炉外观
电能加热石墨电极产生电弧 焦炭、煤炭和木屑为还原剂
液态硅倒入铸模
冶金级硅中杂质的浓度
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可在液化硅中加入氧化气体，与比
硅活性强的元素（Al，Ca，Mg等）发 生反应，形成炉渣，从而移除杂质。
单晶硅太阳电池的制造与结构
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多晶硅的制备
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制备多晶硅的技术相对要简单一些，成本也因此比单晶硅 更低一些。然而由于有晶界的存在，所以多晶硅材料的性能 不如单晶硅材料。
修边与切片
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在整个太阳能电池级单晶硅片的制造中，成本构成为：
多晶硅原料：40%； CZ拉晶：30%； 晶圆加工成型：30%，切片最为重要。
修边
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圆形的单晶硅片浪费了 许多面积
使用方形的硅晶片可以有 效的吸收太阳能
修边
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切片
在切割中，对钢线施加 适当的张力，使钢线来回 拉动。
钢线带动浆料（油及 SiC），使其对晶棒进行切 割。浆料不仅是研磨剂， 还带走研磨中的热量。占 整个切片成本的25%~35%。
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石英坩埚（SiO2）是 最为重要的热场组件。
石英坩埚内装有熔融
态的硅熔液，两者会发 生化学反应，产生SiO, 将影响长出晶棒的质量。
降低成本：
拉晶炉内部
CZ拉晶炉设备的外观
设计热场，提高长晶的良率（生产不含任何位错的硅单晶
棒的能力） 18
重复加料，增加出产率
石英坩埚
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石英坩埚溶解反应：
SiO2 Si+2O
硅太阳能电池的种类
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单晶硅：硅原子排列是周期性的，且朝 同一个方向。
晶格缺陷较少，用作太阳能电 池材料时转换效率高。
多晶硅：由许许多多不同排列方向的单 晶粒组成。 晶界缺陷使得转换效率降低，但 成本相对较低。
非晶硅：排列松散，没有规则。
目前全球生产的太阳能电池90%以上使 用的是结晶硅，10%使用了薄膜技术。在 结晶硅太阳能电池中，多晶硅太阳能电池 占了50%以上，单晶硅占40%左右。
e.晶颈生长
将晶种快速向上提升，使长出的晶体 直径缩小到一定的大小（3~6mm）。
f.晶冠和 晶肩生长
降低拉速与温度，使得晶体直径渐渐 增大到所需大小。
CZ拉晶流程
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g.晶身生长
直径固定的部分为晶身。硅晶片取自 晶身。
h.晶尾生长
将晶棒直径慢慢缩小，直到成一个尖点 再与液面分开。
i.单晶棒
长完后的晶棒被升至上炉室冷却一段 时间后取出。
H2还充当了SiHCl3的运输气体
被还原的Si将沉积在晶种上
多晶硅原料
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硅多晶棒经过敲打成为块状， 通过酸洗、干燥、包装等程序 后，成为CZ硅单晶生长或铸造 多晶硅使用的块状原料。
多晶棒
块状多晶原料
半导体级硅原料制备流程图
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6.3 半导体级多晶硅转变为单晶硅片
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单晶硅片通常都拥有比较好的材料性能，但因为需要精确和 缓慢的制造过程，但成本较高，是最为昂贵的硅材料。
单晶硅片的制备
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生长单晶硅的方法：CZ法（Czochralski） FZ法（Float Zone 浮融法）
CZ 拉晶法：Czochralski于1917年发明。
电池理论转换效率24.7%。
在石英坩埚中加入半导体级多晶硅，熔融。 加入微量掺杂剂。控制温度，籽晶能够从 熔融硅中拉出圆柱形单晶硅。
CZ拉晶设备
SiO易挥发，通入Ar2将其带走
CZ拉晶流程
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a.加料
在石英坩埚中加入多晶硅原料和掺杂 物。P型掺杂B，N型掺杂P。
b.熔化
长晶炉关闭并抽成真空，使其保持一
定的压力值。打开石墨加热器电源，将 原料加热至熔融。
c.稳定化
将硅溶液的温度调节到适合拉晶的稳 定状态。
CZ拉晶流程
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d.晶种浸入
一般使用<100>方向的硅晶片，将该 方向的晶种浸入硅熔液。
太阳能电池厚度为 200~280μm 。 钢 线 直 径 180μm ， 碳 化 硅 为 5~30μm 。
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使用线切割机进行切片
蚀刻清洗
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在切割中，硅片表面会有一层因机械应力所造成的结构 损失层，影响了太阳能电池效率，所以需去掉。
通常用化学蚀刻的方法，加入HF和HNO3调配的混酸，去 除10μm ~20μm厚的表层。
这一过程中，Fe、Al、B等杂质也形成了各自的卤化物。
2. SiHCl3为无色易燃液体，沸点为31.9℃ ，通过多重的分馏 法可将它与其他卤化物分离，提ห้องสมุดไป่ตู้纯度。
3. 采用西门子化学沉积法，将SiHCl3及H2通入1100℃反应炉 内，进行200~300小时：
SiHCl 3 H2 Si 3HCl
铝和铁为主要杂质
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生产的冶金级硅中，大部分被用于钢铁与铝工业上。 只有很少的一部分用于半导体行业，用于制作太阳能 电池的更少。
6.2 冶金级硅提纯为半导体级硅
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将冶金级硅转变为挥发性的化合物，采用分馏的方法将它 冷凝、提纯，然后提取超纯硅。
1. 利用HCl将冶金级硅原料转换为液态的三氯硅烷SiHCl3。 Si 3HCl SiHCl 3 H2 在600℃
Si被还原，以细晶粒的多晶硅形式沉积到电加热的硅棒上。
三氯硅烷的制造与纯化
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600℃ 时， Si 3HCl SiHCl 3 H2
低温保存，避免日照， 防止SiHCl3发生急速气化 而爆炸。
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Siemens方法生产多晶硅
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1100℃反应炉： SiHCl 3 H2 Si 3HCl
将晶种固定在电极上，加热电极