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行业百科全书

  • 多晶硅

    多晶硅是太阳能电池与半导体设备的主要原材料。根据硅纯度,多晶硅可分为太阳能级多晶硅(纯度6个9或以上)与电子级多晶硅(纯度11个9或以上)。多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时,硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核,如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒,则这些晶粒结合起来,就结晶成多晶硅。多晶硅可作拉制单晶硅的原料,多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如,在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面,远不如单晶硅明显;在电学性质方面,多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著,甚至于几乎没有导电性。在化学活性方面,两者的差异极小。多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别,但真正的鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率等。

  • 性质

    灰色金属光泽。密度2.32~2.34。熔点1410℃。沸点2355℃。溶于氢氟酸和硝酸的混酸中,不溶于水、硝酸和盐酸。硬度介于锗和石英之间,室温下质脆,切割时易碎裂。加热至800℃以上即有延性,1300℃时显出明显变形。常温下不活泼,高温下与氧、氮、硫等反应。高温熔融状态下,具有较大的化学活泼性,能与几乎任何材料作用。具有半导体性质,是极为重要的优良半导体材料,但微量的杂质即可大大影响其导电性。电子工业中广泛用于制造半导体收音机、录音机、电冰箱、彩电、录像机、电子计算机等的基础材料。由干燥硅粉与干燥氯化氢气体在一定条件下氯化,再经冷凝、精馏、还原而得。 
    多晶硅可作拉制单晶硅的原料,多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如,在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面,远不如单晶硅明显;在电学性质方面,多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著,甚至于几乎没有导电性。在化学活性方面,两者的差异极小。多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别,但真正的鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率等。 
    多晶硅是生产单晶硅的直接原料,是当代人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等半导体器件的电子信息基础材料。被称为“微电子大厦的基石”。 
    编辑本段工业生产方法
    多晶硅的生产技术主要为改良西门子法和硅烷法。西门子法通过气相沉积的方式生产柱状多晶硅,为了提高原料利用率和环境友好,在前者的基础上采用了闭环式生产工艺即改良西门子法。该工艺将工业硅粉与HCl反应,加工成SiHCI3 ,再让SiHCl3在H2气氛的还原炉中还原沉积得到多晶硅。还原炉排出的尾气H2、SiHCl3、SiCl4、SiH2Cl2 和HCl经过分离后再循环利用。硅烷法是将硅烷通入以多晶硅晶种作为流化颗粒的流化床中,使硅烷裂解并在晶种上沉积,从而得到颗粒状多晶硅。改良西门子法和硅烷法主要生产电子级晶体硅,也可以生产太阳能级多晶硅。 

  • 西门子法

    西门子法是由德国Siemens公司发明并于1954年申请了专利1965年左右实现了工业化。经过几十年的应用和展,西门子法不断完善,先后出现了第一代、第二代和第三代,第三代多晶硅生产工艺即改良西门子法,它在第二代的基础上增加了还原尾气干法回收系统、SiCl4回收氢化工艺,实现了完全闭环生产,是西门子法生产高纯多晶硅技术的最新技术,其具体工艺流程如图1所示。硅在西门子法多晶硅生产流程内部的循环利用。 

  • 硅烷法

    硅烷法是将硅烷通入以多晶硅晶种作为流化颗粒的流化床中,是硅烷裂解并在晶种上沉积,从而得到颗粒状多晶硅。因硅烷制备方法不同,有日本Komatsu发明的硅化镁法,其具体流程如图2所示、美国Union Carbide发明的歧化法、美国MEMC采用的NaAlH4与SiF4反应方法。 
    硅化镁法是用Mg2Si与NH C1在液氨中反应生成硅烷。该法由于原料消耗量大,成本高,危险性大,而没有推广,目前只有日本Komatsu使用此法。现代硅烷的制备采用歧化法,即以冶金级硅与SiC14为原料合成硅烷,首先用SiCl4、Si和H2反应生成SiHCl3 ,然后SiHCl3 歧化反应生成SiH2Cl2,最后由SiH2Cl2 进行催化歧化反应生成SiH4 ,即:3SiCl4+ Si+ 2H2= 4SiHCl3,2SiHC13= SiH2Cl2+ SiC14,3SiH2C12=SiH4+ 2SiHC13。由于上述每一步的转换效率都比较低,所以物料需要多次循环,整个过程要反复加热和冷却,使得能耗比较高。制得的硅烷经精馏提纯后,通入类似西门子法固定床反应器,在800℃下进行热分解,反应如下:SiH4= Si+ 2H2。 

  • 冶金法

    冶金法制备太阳能级多晶硅(Solar Grade Silicon简称SOG—Si),是指以冶金级硅(MetallurgicalGrade Silicon简称MG-Si)为原料(98.5%~99.5%)。经过冶金提纯制得纯度在99.9999%以上用于生产太阳能电池的多晶硅原料的方法。冶金法在为太阳能光伏发电产业服务上,存在成本低、能耗低、产出率高、投资门槛低等优势,通过发展新一代载能束高真空冶金技术,可使纯度达到6N以上,并在若干年内逐步发展成为太阳能级多晶硅的主流制备技术。 
    不同的冶金级硅含有的杂质元素不同,但主要杂质基本相同,主要包括Al、Fe、Ti、C、P、B等杂质元素。而且针对不同的杂质也研究了一些有效的去除方法。自从1975年Wacker公司用浇注法制备多晶硅材料以来,冶金法制备太阳能级多晶硅被认为是一种有效降低生产成本、专门定位于太阳多级多晶硅的生产方法,可以满足光伏产业的迅速发展需求。针对不同的杂质性质,制备太阳能级多晶硅的技术路线,如图3所示。

  • 利用价值

    在太阳能利用上,单晶硅和多晶硅也发挥着巨大的作用。虽然从目前来讲,要使太阳能发电具有较大的市场,被广大的消费者接受,就必须提高太阳电池的光电转换效率,降低生产成本。从目前国际太阳电池的发展过程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料(包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜)。 

  • 工业发展

    从工业化发展来看,重心已由单晶向多晶方向发展,主要原因为;[1]可供应太阳电池的头尾料愈来愈少;[2] 对太阳电池来讲,方形基片更合算,通过浇铸法和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材料;[3]多晶硅的生产工艺不断取得进展,全自动浇铸炉每生产周期(50小时)可生产200公斤以上的硅锭,晶粒的尺寸达到厘米级;[4]由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快,其中工艺也被应用于多晶硅电池的生产,例如选择腐蚀发射结、背表面场、腐蚀绒面、表面和体钝化、细金属栅电极,采用丝网印刷技术可使栅电极的宽度降低到50微米,高度达到15微米以上,快速热退火技术用于多晶硅的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15.8%。

  • 行业发展对策与建议

     1、发展壮大中国多晶硅产业的市场条件已经基本具备、时机已经成熟,国家相关部门加大对多晶硅产业技术研发,科技创新、工艺完善、项目建设的支持力度,抓住有利时机发展壮大中国的多晶硅产业。 
      2、支持最具条件的改良西门子法共性技术的实施,加快突破千吨级多晶硅产业化关键技术,形成从材料生产工艺、装备、自动控制、回收循环利用的多晶硅产业化生产线,材料性能接近国际同类产品指标;建成节能、低耗、环保、循环、经济的多晶硅材料生产体系,提高我们多晶硅在国际上的竞争力。 
      3、依托高校以及研究院所,加强新一代低成本工艺技术基础性及前瞻性研究,建立低成本太阳能及多晶硅研究开发的知识及技术创新体系,获得具有自主知识产权的生产工艺和技术。 
      4、政府主管部门加强宏观调控与行业管理,避免低水平项目的重复投资建设,保证产业的有序、可持续发展。 

  • “多晶硅”相关词条:

    单晶硅 太阳能路灯 光伏  太阳能充电器 太阳能电池 太阳能 硅 加氢催化剂 晶圆 晶体管自对准技术 太阳能热水器

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