半導(dǎo)體熱電及光電材料一、半導(dǎo)體熱電材料1、熱電優(yōu)值

——材料的功率因子（figureofmerit），決定材料的電學(xué)性能．

愈大，表示電流通過(guò)電偶臂的電阻愈小，其所產(chǎn)生的焦耳熱對(duì)熱電性能的負(fù)面影響也就愈低．

愈小，表示從熱端到冷端的導(dǎo)熱損失越小，越有利于提高材料的熱電性能．α

賽貝克系數(shù)σ

電導(dǎo)率k熱導(dǎo)率

材料熱電動(dòng)勢(shì)率的提高往往會(huì)導(dǎo)致電導(dǎo)率的降低，而電導(dǎo)率的增加又會(huì)引起熱導(dǎo)率的提高半導(dǎo)體那樣的高seeback系數(shù)、金屬樣的電導(dǎo)率、絕緣體那樣的低熱導(dǎo)率。

（1）

Seebeck系數(shù)為確保Seebeck系數(shù)最大，應(yīng)確保載流子只有一種類型．N型載流子和P型載流子混合的熱電傳導(dǎo)將會(huì)使兩種載流子均向低溫端移動(dòng)，致使Seebeck電壓降低，Seebeck系數(shù)下降．低載流子濃度的絕緣體甚至于半導(dǎo)體具有相對(duì)較高的Seebeck系數(shù)；然而，載流子濃度過(guò)低，也會(huì)使得電導(dǎo)率變低．對(duì)于金屬或半導(dǎo)體，在獨(dú)立能級(jí)取近似條件下，其Seebeck系數(shù)可以由波耳茲曼（Boltzman）輸運(yùn)方程給出：

式中

是載流子濃度，

是載流子有效質(zhì)量．

有效質(zhì)量m*載流子有效質(zhì)量越大，Seebeck系數(shù)越高，電導(dǎo)率越低．載流子有效質(zhì)量

隨Feimi能級(jí)表面態(tài)密度增高而增大，與此同時(shí)，慣性有效質(zhì)量也隨之增大．載流子質(zhì)量增大，則速度降低，導(dǎo)致載流子遷移率下降，電導(dǎo)率變?。亻g所帶負(fù)電荷量差別小的材料往往載流子遷移率較高，有效質(zhì)量較低，如SiGe，GaAs等；而離子化合物則有效質(zhì)量較高，遷移率較低，如氧化物，硫化物等．有效質(zhì)量和載流子遷移率的確切關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，取決于材料的電子結(jié)構(gòu)，散射機(jī)制和各向異性．原則上，這些有效質(zhì)量在各向異性的晶格結(jié)構(gòu)中會(huì)變?。虼耍覀儽仨殲樘幱谥鲗?dǎo)地位的載流子，在高有效質(zhì)量和高遷移率之間取得平衡．（2）、電導(dǎo)率σ電導(dǎo)率與溫度密切相關(guān)．金屬的電導(dǎo)率隨著溫度的增高而降低，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨著溫度的增高而增高．在一定溫度范圍內(nèi)，電導(dǎo)率與溫度近似成正比．此外，固態(tài)半導(dǎo)體的摻雜會(huì)造成高電導(dǎo)率．電導(dǎo)率和電導(dǎo)阻抗系數(shù)通過(guò)載流子遷移率而相互聯(lián)系：(3)、熱導(dǎo)率K熱導(dǎo)率K值受溫度影響，隨溫度增高而稍有增加．在材料內(nèi)部溫差不大時(shí)，可將其視為常數(shù)．高品質(zhì)的熱電材料應(yīng)同時(shí)是良導(dǎo)電體和不良導(dǎo)熱體．熱電材料的熱導(dǎo)率主要有兩個(gè)來(lái)源：①電子空穴移動(dòng)②聲子穿越晶格

晶格熱導(dǎo)率電子熱導(dǎo)率載流子遷移率載流子濃度電子電荷熱電材料的電子熱導(dǎo)率僅占總熱導(dǎo)率的10%聲子（Phonon）是一種非真實(shí)的準(zhǔn)粒子，是用來(lái)描述晶體原子熱振動(dòng)——晶格振動(dòng)規(guī)律的一種能量量子．溫度越高，晶格振動(dòng)越劇烈，聲子數(shù)目越多，聲子散射載流子的作用也就越顯著，載流子遷移率也就越?。谑覝叵拢雽?dǎo)體中的載流子主要是遭受到聲子的散射，只有溫度很低時(shí)才以電離雜質(zhì)散射為主。半導(dǎo)體的熱導(dǎo)率主要為聲子熱導(dǎo)率貢獻(xiàn)。降低聲子熱導(dǎo)率是提高熱電優(yōu)值得關(guān)鍵。降低聲子熱導(dǎo)率的方法(1)一般情況下,如果材料是由多種原子組成的大晶胞構(gòu)成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)晶體時(shí),其聲子散射能力較強(qiáng),事實(shí)證明,一些熱電性能較好的材料大部分都具備這類結(jié)構(gòu)。另外,為了使材料的晶體結(jié)構(gòu)更復(fù)雜化,可以通過(guò)摻雜或不同材料之間形成固溶體的辦法來(lái)提高聲子的散射能力。（2）在某些具有較大孔隙的特殊結(jié)構(gòu)的熱電材料的孔隙中,填入某些尺寸合適質(zhì)量較大的原子,由于原子可以在籠狀孔隙內(nèi)振顫,從而可以大大提高材料的聲子散射能力,使熱導(dǎo)率提高。目前這類工作正在具有Skutrrudite結(jié)構(gòu)的熱電材料中展開(kāi)2、

提高熱電效能的途徑

目前限制熱電材料大規(guī)模應(yīng)用的問(wèn)題是其熱電轉(zhuǎn)換效率ZT值太低，而ZT值從熱力學(xué)角度上來(lái)講是沒(méi)有上限的[6]．如果能夠?qū)T值提高到3，那么熱電裝置的熱電轉(zhuǎn)換效率將會(huì)接近于理想卡諾機(jī)（ZT>>1）．

提高熱電優(yōu)值的研究主要集中在通過(guò)晶格摻雜使材料的帶隙和費(fèi)米能級(jí)附近狀態(tài)密度增大，從而使在提高材料電導(dǎo)率的同時(shí)盡量保證材料熱導(dǎo)率不發(fā)生變化提高ZT值的途徑有以下幾種：（1）選擇最佳載流子濃度；（2）提高載流子遷移率與晶格熱導(dǎo)率的比；（3）改變晶體取向，改變顆粒尺度，用顆粒定向分布的方法加以優(yōu)化，增強(qiáng)聲子散射；（4）選擇最佳的工作溫度及材料的禁帶寬度．（5）低維化利用納米量子點(diǎn)增加熱傳導(dǎo)聲子散射

歸根結(jié)底都是要尋找Seebeck系數(shù)高的熱電材料，并且提高材料的電導(dǎo)率，降低材料的熱導(dǎo)率．半導(dǎo)體中

ke?kl形成固熔體結(jié)構(gòu)，通過(guò)點(diǎn)陣缺陷提高聲子散射幾率通過(guò)熱電材料中晶體結(jié)構(gòu)中的孔隙位置填入雜質(zhì)原子通過(guò)細(xì)化晶粒增加晶界散射降低熱導(dǎo)率低維化利用納米量子點(diǎn)增加熱傳導(dǎo)聲子散射Slack提出電子晶體聲子玻璃(PEGS)假設(shè)，并計(jì)算了熱電優(yōu)值上限為ZT≈4低維材料有以下優(yōu)點(diǎn)：①提高了費(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)密度，從而提高了Seebeck系數(shù)；②更好地利用了多能谷半導(dǎo)體費(fèi)米面的各向異性；③增加了勢(shì)阱壁表嘶聲子的邊界散射，降低了晶格熱導(dǎo)率低維度納米材料

納米材料由特征尺度在納米量級(jí)（1~100nm）的極細(xì)晶粒構(gòu)成．隨著粒子半徑的縮小，納米粒子表面原子數(shù)占總原子數(shù)的比例急劇增大，界面原子排列和鍵的組態(tài)無(wú)規(guī)則，晶界數(shù)量大幅度增加，在結(jié)構(gòu)上也與常規(guī)晶體和非晶態(tài)材料產(chǎn)生了很大區(qū)別．納米微粒能帶結(jié)構(gòu)變化，晶體中載流子遷移，躍遷和復(fù)合所遵循的規(guī)律均不同于常規(guī)材料。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，降低材料維數(shù)可以提高熱電材料的熱電優(yōu)值系數(shù)ZT值，其原因在于：1)降低維數(shù)提高了費(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)密度，從而提高了Seebeck系數(shù)；2)由于量子禁閉、調(diào)制摻雜和

層摻雜效應(yīng)，提高了載流子的遷移率；3)更好地利用多能谷半導(dǎo)體費(fèi)米面的各向異性；4)增加了勢(shì)阱壁表面聲子的邊界散射，降低了晶格熱導(dǎo)率超晶格熱電材料231、晶體（1）原子或分子有序排列形成的晶體在微觀范圍，原子有規(guī)律地排列形成的物質(zhì)稱為晶體，如天然或人工晶體。晶體的結(jié)構(gòu)可用晶體的幾何理論――點(diǎn)陣?yán)碚搧?lái)描述，共分為七大晶系，十四種布拉菲點(diǎn)陣。晶體中原子、分子之間的作用力（鍵）有：離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵、氫鍵、范德華鍵。

24可將用于微電子工業(yè)的天然或人工晶體稱為電子晶體，或傳統(tǒng)晶體，如半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的原子勢(shì)場(chǎng)呈周期性排列。電子在半導(dǎo)體中傳播時(shí)，電子與原子周期勢(shì)場(chǎng)的相互作用（布拉格散射）使得電子會(huì)形成能帶結(jié)構(gòu)，如價(jià)帶與導(dǎo)帶，帶與帶之間有帶隙，即禁帶。電子的能量如果落在帶隙中，就無(wú)法繼續(xù)傳播。25（2）介觀或宏觀物質(zhì)有序排列形成的晶體在介觀范圍：點(diǎn)陣由a)人造原子，如納米粒子構(gòu)成——人造原子組成的晶體；b)幾個(gè)原子或納米厚度的不同物質(zhì)的薄膜交替排列——超晶格材料。在宏觀范圍，人造復(fù)合材料組成的晶體：光子晶體——由兩種具有不同介電常數(shù)的介質(zhì)組成的復(fù)合材料，陣點(diǎn)由通常為球、桿、板等。聲子晶體——由高密度材料，通常為球、桿等為陣點(diǎn)封密于柔軟材料，如硅膠、樹(shù)脂內(nèi)組成的復(fù)合材料。272、各種晶體的區(qū)別點(diǎn)陣的組元和點(diǎn)陣常數(shù)不同：電子晶體：微觀的原子或分子；超晶格等：介觀的納米顆?；虮∧?；光子和聲子晶體：宏觀（或介觀）的球、桿或板等。成分不同：電子晶體由一種材料構(gòu)成；超晶格和光子、聲子晶體由兩種或兩種以上的材料構(gòu)成，是復(fù)合材料。

3、超晶格超晶格是一種新型結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體化合物，它是由兩種極薄的不同材料的半導(dǎo)體單晶薄膜周期性地交替生長(zhǎng)的多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)，每層薄膜一般含幾個(gè)以至幾十個(gè)原子層。相鄰兩層不同材料的厚度的和稱為超晶格的周期長(zhǎng)度，一般來(lái)說(shuō)這個(gè)周期長(zhǎng)度比各層單晶的晶格常數(shù)大幾倍或更長(zhǎng)，因此這種結(jié)構(gòu)獲得了“超晶格”的名稱。GaAsAlGaAsGaAsAlGaAsGaAs由于這種特殊結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體超晶格中的電子(或空穴)能量將出現(xiàn)新的量子化現(xiàn)象，以致產(chǎn)生許多新的物理性質(zhì)。GaAs和AlAs交替疊合而成的半導(dǎo)體超晶格

由于兩種材料的禁帶寬度不同而引起的沿薄層交替生長(zhǎng)方向（z方向）的附加周期勢(shì)分布中的勢(shì)阱稱為量子阱。量子阱中電子與塊狀晶體中電子具有完全不同的性質(zhì)，即表現(xiàn)出量子尺寸效應(yīng)，量子阱阱壁能起到有效的限制作用，使阱中的載流子失去了垂直于阱壁方向（z方向）的自由度，只在平行于阱壁平面（xy面）內(nèi)有兩個(gè)自由度，故常稱此量子系統(tǒng)為二維電子氣。由于這兩種材料的禁帶寬度不同，則其能帶結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了勢(shì)阱和勢(shì)壘。稱窄禁帶材料厚度為阱寬Lw，寬禁帶材料厚度為壘寬LB，而Lw+LB就是周期長(zhǎng)度。當(dāng)這兩種薄層材料的厚度和周期長(zhǎng)度小于電子平均自由程時(shí)，整個(gè)電子系統(tǒng)進(jìn)入了量子領(lǐng)域，產(chǎn)生量子尺寸效應(yīng)。這時(shí)夾在兩個(gè)壘層間的阱就是量子阱。當(dāng)取垂直襯底表面方向(垂直方向)為Z軸，超晶格中的電子沿z方向運(yùn)動(dòng)將受到超晶格附加的周期勢(shì)場(chǎng)的影響，而其xy平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)不受影響。導(dǎo)帶中電子的能量可表示為:E=E(kz)+?2/2m(kx2+ky2)在xy平面內(nèi)電子的動(dòng)能是連續(xù)的z方向附加周期勢(shì)場(chǎng)使電子的能量分裂為一系列子能帶。不連續(xù)點(diǎn)的kz值滿足:kz=±n/D，D為超晶格周期。zEv1Ev2Ec2Ec1圖2GaAsAlGaAsGaAsAlGaAsGaAs以GaAs/AlGaAs超晶格為例（1）在垂直于界面方向電子運(yùn)動(dòng)受限。（2）GaAs層中電子濃度較高，電子在平行界面方向遷移率較大v電子速度,E電場(chǎng)強(qiáng)度，電子遷移率。（3）界面效應(yīng)比較明顯。（4）低溫時(shí)出現(xiàn)量子Hall效應(yīng)，電子氣體出現(xiàn)復(fù)雜的相，如條紋相等。4、超晶格與多量子阱多量子阱和超晶格都是連續(xù)周期排列的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，區(qū)別在于勢(shì)壘的厚度和高度不同：當(dāng)勢(shì)壘厚度（寬帶隙材料的厚度）>20nm和勢(shì)壘高度大于0.5eV時(shí)，那么多個(gè)阱中的電子行為如同單個(gè)阱中電子行為的總和，這種結(jié)構(gòu)材料稱為多量子阱，它適合制做低閾值，銳譜線的發(fā)光器件。如果勢(shì)壘比較薄或高度比較低，由于隧道效應(yīng)，使阱中電子隧穿勢(shì)壘的幾率變得很大，勢(shì)阱中分立的子能級(jí)就形成了具有一定寬度的子能帶，這種材料稱為超晶格，它適于制備大功率的發(fā)光器件。4、半導(dǎo)體超晶格與多量子阱超晶格多量子阱能帶結(jié)構(gòu)示意圖多量子阱能帶圖E2E1超晶格能帶圖EcAEvAEcBEvBEgBEgA?Ec?EvE2E1多量子阱和超晶格的本質(zhì)差別在于勢(shì)壘的寬度：當(dāng)勢(shì)壘很寬時(shí)電子不能從一個(gè)量子阱隧穿到相鄰的量子阱，即量子阱之間沒(méi)有相互耦合，此為多量子阱的情況；當(dāng)勢(shì)壘足夠薄使得電子能從一個(gè)量子阱隧穿到相鄰的量子阱，即量子阱相互耦合，此為超晶格的情況。在超晶格量子阱中．由于電子沿量子阱生長(zhǎng)方向的運(yùn)動(dòng)受到約束則會(huì)形成一系列離散量子能級(jí)；另一方面，在沿量子阱界面的平面內(nèi)．電子仍是自由運(yùn)動(dòng)的，其運(yùn)動(dòng)為準(zhǔn)二維的。二維與三維的態(tài)密度有本質(zhì)的差別．三維運(yùn)動(dòng)的態(tài)密度與E1/2(E是能量)成正比，二維運(yùn)動(dòng)的態(tài)密度是常數(shù)。超晶格量子阱的一些重要現(xiàn)象和性質(zhì)即可用二維電子氣的態(tài)密度來(lái)描述。通過(guò)對(duì)二維電子氣的態(tài)密度的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)二維電子氣的態(tài)密度與能級(jí)無(wú)關(guān)。正是這種特性，給超晶格帶來(lái)了許多方面的應(yīng)用。5、量子阱的分類（1）三維超晶格（零維量子點(diǎn)）：是指載流子在三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)都要受到約束的材料體系，即電子在三個(gè)維度上的能量都是量子化的。（2）二維超晶格（一維量子線）：是指載流子僅在一個(gè)方向上可以自由運(yùn)動(dòng)，而在另外兩個(gè)方向上則受到約束。也叫一維量子線。（3）一維超晶格（二維量子阱）是指載流子在兩個(gè)方向（如在X,Y平面內(nèi)）上可以自由運(yùn)動(dòng)，而在另外一個(gè)方向（Z）則受到約束，即材料在這個(gè)方向上的特征尺寸與電子的德布羅意波長(zhǎng)或電子的平均自由程相比擬或更小。2－D量子阱1－D量子線0－D量子點(diǎn)3－D大塊材料電子能態(tài)密度與尺度的關(guān)系一維超晶格二維超晶格三維超晶格二維量子阱一維量子線0維量子點(diǎn)

材料化學(xué)勢(shì)5、超晶格的熱電性能

載流子的空間限制和態(tài)密度的變化引起ZT值的提高。相關(guān)參量：（1）、原理總述超晶格量子阱中，電子被限制在窄帶隙材料的二維量子阱中運(yùn)動(dòng)．而寬帶隙材料(勢(shì)壘)對(duì)電導(dǎo)沒(méi)有貢獻(xiàn)，這樣在超晶格量子阱中僅有垂直于外延生長(zhǎng)方向的量子阱平面內(nèi)有電子作類自由運(yùn)動(dòng)，而在外延生長(zhǎng)方向形成束縛態(tài)，因此量子阱超晶格熱電材料是在垂直于外延生長(zhǎng)方向上構(gòu)造的。同時(shí)，多層化引起聲子界面散射的增加和聲子的量子禁閉效應(yīng)，熱導(dǎo)率下降。

（2）、具體因素1、二維超晶格熱電材料二維納米薄膜熱電材料BiTe的ZT值(理淪計(jì)算值)與納米薄膜厚度d的關(guān)系，圖中插圖表示ZT值隨載流子濃度的變化

美國(guó)RTI研究所的利用MBE方式生成Bi2Te3/Sb2Te3超晶格納米薄膜。薄膜厚度為數(shù)納米到十幾納米，在量子效應(yīng)的影響下，材料能帶結(jié)構(gòu)的能隙增大，加之多層薄膜問(wèn)的界面，增加了導(dǎo)熱聲子散射幾率，從而減少了聲子平均自由能，在300K下其ZT值達(dá)2.4。麻省理工Iincoin實(shí)驗(yàn)室用分子束外延法將Bi摻入N型PbSeTe/PbTe量子點(diǎn)超晶格中，在550K時(shí)材料的ZT值達(dá)到3。第1章太陽(yáng)能電池和太陽(yáng)光1.1引言太陽(yáng)能電池利用半導(dǎo)體材料的電子特性，把陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)換為電能。光能太陽(yáng)能電池——硅板太陽(yáng)能電池分類1.硅太陽(yáng)能電池單晶硅太陽(yáng)電池：采用單晶硅片制造制造，性能穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率高。目前轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到16%--18%。多晶硅太陽(yáng)電池：作為原料的高純硅不是拉成單晶，而是熔化后澆鑄成正方形硅錠，然后使用切割機(jī)切成薄片，再加工成電池。由于硅片是由多個(gè)不同大小、不同取向的晶粒構(gòu)成，因而轉(zhuǎn)換效率低。目前轉(zhuǎn)換效率達(dá)到15%--17%。多晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)流程直拉法拉制單晶示意圖及單晶爐非晶硅太陽(yáng)電池：一般采用高頻輝光放電等方法使硅烷氣體分解沉積而成。一般在P層與N層之間加入較厚的I層。非晶硅太陽(yáng)電池的厚度不到1μm，不足晶體硅太陽(yáng)電池厚度的1/100，降低制造成本。目前轉(zhuǎn)換效率為5%--8%，最高效率達(dá)14.6%，層疊的最高效率可達(dá)21.0%。微晶硅太陽(yáng)電池：在接近室溫的低溫下制備，特別是使用大量氫氣稀釋的硅烷，可以生成晶粒尺寸10nm的微晶硅薄膜，薄膜厚度一般在2---3μm，目前轉(zhuǎn)換效率為10%以上。2.化合物太陽(yáng)能電池單晶化合物太陽(yáng)電池：主要有砷化鎵太陽(yáng)電池（如圖）。砷化鎵的能隙為1.4eV，是單結(jié)電池中效率最高的電池，但價(jià)格昂貴，且砷有毒，所以極少使用。多晶化合物太陽(yáng)電池：主要有碲化鎘太陽(yáng)電池（如圖）

，銅銦鎵硒太陽(yáng)電池等。碲化鎘太陽(yáng)電池是最早發(fā)展的太陽(yáng)電池之一，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，制造成本低，轉(zhuǎn)換效率超過(guò)16%，不過(guò)鎘元素可能造成環(huán)境污染。銅銦鎵硒太陽(yáng)電池在基地上成績(jī)銅銦鎵硒薄膜，基地一般采用玻璃，也可用不銹鋼作為柔性襯底。實(shí)驗(yàn)室最高效率接近20%，成品組件達(dá)到13%，是目前薄膜電池中效率最高的電池之一。第2章半導(dǎo)體的特性2.1引言自然界物質(zhì)存在的狀態(tài)分為液態(tài)、氣態(tài)、固態(tài)。固態(tài)物質(zhì)根據(jù)它們的質(zhì)點(diǎn)（原子、離子和分子）排列規(guī)則的不同，分為晶體和非晶體兩大類。具有確定熔點(diǎn)的固態(tài)物質(zhì)稱為晶體，如硅、砷化鎵、冰及一般金屬等；沒(méi)有確定的熔點(diǎn)，加熱時(shí)在某以溫度范圍內(nèi)就逐漸軟化的固態(tài)物質(zhì)稱為非晶體，如玻璃、松香等。晶體又分為單晶體和多晶體。整塊材料從頭到尾都按同以規(guī)則作周期性排列的晶體，稱為單晶體。整個(gè)晶體由多個(gè)同樣成分、同樣晶體結(jié)構(gòu)的小晶體（即晶粒）組成的晶體，稱為多晶體。硅材料有多種形態(tài)，按晶體結(jié)構(gòu)，可分為單晶硅、多晶硅和非晶硅。單晶硅：原子在整個(gè)晶體中排列有序多晶硅：原子在微米數(shù)量級(jí)排列有序非晶硅：短程序包含：1、近鄰原子的種類和數(shù)目；2、近鄰原子之間的距離（鍵長(zhǎng)）；3、近鄰原子的幾何方位（鍵角）；原子在原子尺度上排列有序單晶、多晶和非晶體原子排列柵線減反膜n型摻雜層p型襯底背電極太陽(yáng)光制造電池的標(biāo)準(zhǔn)工藝可以歸納為以下幾個(gè)步驟：1.由砂還原成冶金級(jí)硅2.冶金級(jí)硅提純?yōu)榘雽?dǎo)體級(jí)硅3.半導(dǎo)體級(jí)硅轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉?.單晶硅片制成太陽(yáng)能電池5.太陽(yáng)能電池封裝為防風(fēng)雨的太陽(yáng)能電池組件標(biāo)準(zhǔn)硅太陽(yáng)能電池工藝6.1由砂還原為冶金級(jí)硅金剛砂(SiC)硅是地殼中蘊(yùn)藏量第二豐富的元素。提煉硅的原始材料是SiO2，它是砂的主要成分。石英巖目前工業(yè)提煉中，采用SiO2的結(jié)晶態(tài)，即石英巖。高溫SiO2+2C==2CO+Si(含雜質(zhì)的粗硅)硅原料冶金級(jí)硅的純度接近98%～99%，主要的雜質(zhì)有鋁(Al)和鐵(Fe)。6.2冶金級(jí)硅提純?yōu)榘雽?dǎo)體級(jí)硅制取高純多晶一般采用化學(xué)方法對(duì)冶金級(jí)硅提純，工業(yè)上用化學(xué)方法制取高純硅有三種方法：（1）四氯化硅氫還原法；（2）三氯氫硅氫還原法；（3）硅烷熱分解法。高溫Si+3HCl==SiHCl3+H2

利用金屬硅和氯化氫反應(yīng)，生成中間化合物三氯氫硅，還有附加化合物，如SiCl4、SiH2Cl2氣體，以及FeCl3、BCl3、PCl3等雜質(zhì)氯化物，需要精餾化學(xué)提純（粗餾和精餾）。SiHCl3+H2==3HCl+Si(純度高的多晶硅)高溫

將置于反應(yīng)室的原始高純多晶硅細(xì)棒（直徑約為5mm）通電加熱至1100℃以上，通入中間化合物三氯氫硅和高純氫氣，發(fā)生還原反應(yīng)，采用化學(xué)氣相成積技術(shù)生成的新的高純硅沉積在硅棒上，使硅棒不斷長(zhǎng)大，直到硅棒直徑達(dá)到150～200mm，制成半導(dǎo)體級(jí)多晶硅。硅砂→硅鐵（冶金硅）→三氯氫硅→精餾除雜→多晶硅焦炭電爐鈍化H2還原或四氯化硅硅砂制備高純多晶硅工藝流程多晶硅錠的制造方法：

定向凝固法澆鑄法6.3半導(dǎo)體級(jí)硅轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑?、單晶片硅多晶硅碇?90mm×690mm，可切割成125mm×125mm的多晶硅磚25塊，或156mm×156mm的多晶硅磚16塊。

多晶硅錠高度很難增加，因?yàn)榫w生長(zhǎng)時(shí)的熱量散發(fā)問(wèn)題。人們很早就發(fā)現(xiàn)，將含有雜質(zhì)的晶態(tài)物質(zhì)熔化后再結(jié)晶時(shí)，雜質(zhì)在結(jié)晶的固體和未結(jié)晶的液體中濃度是不同的，這種現(xiàn)象叫分凝現(xiàn)象（亦叫偏折現(xiàn)象）。區(qū)熔提純就是利用分凝現(xiàn)象將物料局部熔化形成狹窄的熔區(qū)，并令其沿錠長(zhǎng)從一端緩慢地移動(dòng)到另一端，重復(fù)多次使雜質(zhì)盡量被集中在尾部或頭部，進(jìn)而達(dá)到使中部材料被提純的技術(shù)。目前用于制備硅單晶的主要生長(zhǎng)工藝是直拉法，并經(jīng)過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)使之發(fā)展成為完善的方法。直拉法是在直拉單晶爐內(nèi)，向盛有熔硅坩堝中，引入籽晶作為非均勻晶核，然后控制熱場(chǎng)，將籽晶旋轉(zhuǎn)并緩慢向上提拉，單晶便在籽晶下按籽晶的方向長(zhǎng)大。直拉法拉制單晶示意圖及單晶爐直拉單晶生長(zhǎng)過(guò)程示意圖裝料熔化種晶引晶放肩等徑收尾完成單晶硅棒照片晶圓照片圓形硅片在封裝成組件時(shí)，不能組裝得很緊密。單晶硅切割流程6.4晶硅片制成太陽(yáng)能電池裝片－制絨－化學(xué)清洗－擴(kuò)散－刻蝕－去磷硅玻璃－PECVD

－絲網(wǎng)印刷－燒結(jié)－分類檢測(cè)－包裝清洗區(qū)去PSG區(qū)金屬化區(qū)93清洗區(qū)（裝片、制絨、化學(xué)清洗）制絨甩干檢驗(yàn)硅片尺寸測(cè)厚度稱重清洗裝片觀察絨面制絨作用：減少反射，增強(qiáng)對(duì)太陽(yáng)光的吸收。單晶制絨：用堿腐蝕（NaOH）多晶制絨：用酸腐蝕（HNO3）硅片入射光ii’γ反射光折射光入射光反射到另一晶面的光絨面結(jié)構(gòu)單晶絨面多晶絨面98取片拿石英舟上槳插片進(jìn)爐調(diào)參數(shù)測(cè)片取片放入下道工序傳遞箱擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散過(guò)程在P型半導(dǎo)體表面摻雜五價(jià)元素磷。在硅片表面形成PN結(jié)。外層：磷硅玻璃中間：N型半導(dǎo)體硅P型硅N型硅磷硅玻璃(PSG)P型半導(dǎo)體硅內(nèi)層：P型半導(dǎo)體硅擴(kuò)散裝置示意圖101PECVD區(qū)插片放入潔凈柜石墨舟準(zhǔn)備推入上料區(qū)取料卸片運(yùn)行程序送入下道工序填寫表單PECVD在硅片表面鍍上一層深藍(lán)色的氮化硅膜可以充分吸收太陽(yáng)光，降低反射在硅片表面有氫鈍化的作用氮化硅膜絲網(wǎng)印刷區(qū)上料檢查承載盒上料網(wǎng)版印刷背電極印刷背電場(chǎng)印刷正面柵線印刷上料臺(tái)絲網(wǎng)一道烘箱絲網(wǎng)二道絲網(wǎng)三道單晶硅電池正面多晶硅電池正面單晶硅電池背面多晶硅電池背面6.5太陽(yáng)能電池封裝為防風(fēng)雨的太陽(yáng)能電池組件多晶組件單晶組件1.太陽(yáng)能電池組件的結(jié)構(gòu)EVATPT電池組鋼化玻璃EVA互聯(lián)條EVATPT電池組鋼化玻璃EVA1.TPT（底板）：對(duì)電池起保護(hù)和支撐作用。①具有良好的耐氣候性，能隔絕從背面進(jìn)來(lái)的潮氣和其他有害氣體。②在層壓溫度下不器任何變化。③與黏結(jié)材料結(jié)合牢固。2.EVA（黏結(jié)劑）：固定電池和保證上、下蓋板密合的關(guān)鍵材料。①在可見(jiàn)光內(nèi)有高透光性，并抗紫外老化。②具有一定的彈性，可緩沖不同材