第十六章 单晶硅和 与多晶硅生产 经典太阳电池基础课件.pptVIP

单晶硅和多晶硅的生产 申俊杰 晶体：是质点（原子、离子或分子）在空间按一定规律周期性重复排列构成的固体物质。 晶体又分单晶、多晶、微晶、纳米晶。 单晶的概念：所谓单晶，是指整块晶体中的原子按一定规则整齐地排列着的晶体。其内部组织是一个晶粒或者是几个平行纵向晶粒所组成。 晶体介绍 在单晶中，大多数是晶莹透明的，但并不是所有透明的固体都是晶体，如玻璃就不是晶体。 多晶：由许多小单晶按不同取向聚集而成的晶体。如陶瓷颗粒、粉体、矿石、沙子、水泥等。 2 人工晶体 由人工方法生长出来的晶体叫人工晶体。 到目前为止，已发明了几十种晶体生长方法，如提拉法、浮区法、焰熔法、坩埚下降法、助熔剂法、水热法、降温法、再结晶法等。 利用这些方法，不仅能生长出自然界中已有的晶体，还能制造出自然界中没有的晶体。这些人工晶体五彩纷呈，有的甚至比天然晶体还美丽。如红宝石(Cr：Al2O3)、橄榄石(Mg2SiO4)、金红石(TiO2) 、氮化镓(GaN)等。 1.半导体晶体 半导体晶体是半导体工业的主要基础材料，它在晶体中占有头等重要的地位。 第一代半导体晶体是锗(germanium，Ge) 单晶和硅单晶 (Si)。 制成的各种二极管、三极管、场效应管、可控硅及大功率管等器件，在无线电子工业上有着极其广泛的用途。 使得集成电路从十几个单元电路发展到成千上万个元件的超大规模集成电路，促进了电子产品的微小型化，大大提高了工作的可靠性，同时又降低了成本，进而促进了集成电路在空间研究、核武器、导弹、雷达、电子计算机、军事通信装备及民用等方面的广泛应用。 目前，除了向大直径、高纯度、高均匀度及无缺陷方向发展的硅单晶之外，人们又研究了第二代半导体晶体——Ⅲ一V族化合物，如(GaAs)、磷化镓 (GaP)等单晶。近来，为了满足对更高性能的需求，已发展到三元或多元化合物等半导体晶体。 2. 激光晶体 激光晶体是激光的工作物质，经泵浦之后能发出激光，所以叫做激光晶体。1960年，美国科学家 Maiman以红宝石晶体作为工作物质，成功地研制出世界上第一台激光器。 对于超硬材料的加工，它具有无可比拟的优越性。比如，同样是在金刚石上打一个孔，用传统方法需要两小时以上的时间，而用晶体产生的激光，连0.1秒的时间都不用。 在医学上，激光晶体发出的激光通过可以自由弯曲的光导管进行传送，经过透镜被聚焦成直径仅有几埃的微小斑点，变成一把无形却又十分灵巧的手术刀，不但能够杀菌，而且可以切断一个细胞。 单晶硅太阳能电池及材料 晶体硅太阳能电池的分类：晶体硅太阳能电池按材料形态主要分为单晶硅、多晶硅、带状硅、多晶硅薄膜等。 单晶硅生长技术 生长单晶硅的两种最常用方法为直拉法和区熔法。 直拉法：是将硅料在石英坩埚中加热熔化，用籽晶与硅液面进行接触，然后开始向上提升出柱状的晶棒。集成电路用的单晶硅和地面用的太阳能电池的硅基片都是用此方法得到的 区熔法：主要用于材料提纯，也用于生长单晶。用该法生长硅单晶能得到最佳质量的硅单晶，但成本较高。若要得到最高效率的太阳能电池就要用此类硅片，制作高效率的聚光太阳能电池也常用此种硅片。 晶体可以从融体（熔融法）、溶液（溶液法）、气相（气相法）、固相（固相法）中生长，这一过程可视为相变过程。 常用制备单晶材料的方法 晶体生长的起点是成核过程。成核主要考虑热力学条件；长大则考虑动力学条件。 单晶制备的方法，包括：固相－固相平衡的晶体生长、液相－固相平衡的晶体生长和气相－固相平衡的晶体生长。 即结晶生长法。 优点是：能在较低温度生长，生长晶体的形状是预先固定的，容易生长成丝、棒、片等形状的晶体。 缺点是：难以控制成核,形成大晶粒。 ? 包括：应变退火法和烧结法。 应变退火法—适用于金属晶体 烧结法—适用于非金属材料（5mm大的石榴石晶体）? 固相－固相平衡的晶体生长 单组分液相－固相平衡的单晶生长技术是目前使用最广泛的，最基本方法 控制成核，使一个晶核（最多只有几个）作为籽晶，让所有的生长都在它上面发生。通常是采用可控制的温度梯度，从而使靠近晶核的熔体局部区域产生最大的过冷度，引入籽晶使单晶沿着要求的方向生长。 从液相生长晶体的一般理论：一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段：①介质达到过饱和、过冷却阶段；②成核阶段；③生长阶段。 液相－固相平衡的晶体生长 存在两个问题： 一个是新相成核（形核）问题：新相能否出现及如何出现； ?一个是成核长大问题：新相一旦成核，会自发长大，如何长大，新相与母相的界面以怎样的方式和速率向母相推移。 新析出相与母相的关系 ?新析出相与母相的界面有如图 所示的三种类型。 ①在析出的初期阶段，多数析出相与母相保持共格关系，而随着粒子的长大共