单晶硅的制备方法简介及其中物理过程解释

摘要：制造太阳能电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳能电池。而太阳能电池性能的好坏全依赖于电池的核心部件硅材料性能的好坏。硅材料分为单晶硅、多晶硅、铸造硅以及薄膜硅等许多形态。虽然形态不一制作方法不尽相同，但是实现的目的是一样的。都是尽可能多的将太阳光的光能转化为电能。硅是地球上储藏最丰富的元素之一。自从上个世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，硅材料便几乎改变了一切，甚至人类的思维，二十世纪末，我们的生活中处处可见硅的身影和作用，晶体硅太阳电池是近几十年来形成产业化最快的。生产过程大致可分为五个步骤：（a）提纯过程（b）拉棒过程（c）切片过程 （d）制电池过程 （e）封装过程。本文就单晶硅的制备略作讨论。

一、引言

当光线照射太阳电池表面时，一部分的光子被硅原子吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当硅板外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电子的定向移动形成电流流过外部电路从而产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光能转换成电能的过程。

太阳能光伏发电技术是利用太阳能电池组件接收太阳光，电池的半导体属性将太阳光转换为电势能并通过后续的储能装备存储后加以利用的一项便捷的能源转换技术。由于太阳光的持续性及无污染性，光伏发电是可再生能源与清洁能源的代表，也是未来可持续发展新能源开发的最具期待性的技术。作为储存转换后的电能的蓄电池的性能已经成为本项技术的一个关键性的难题，后续的控制电路部分也关系着整个光伏系统的运行状态。本文讨论的是太阳能电池的关键也是核心部件硅材料的制备，硅材料

二、晶体硅太阳电池的制作过程

单晶硅材料制造要经过如下过程：石英砂-冶金级硅-提纯和精炼-沉积多晶硅锭-单晶硅-硅片切割。晶体硅太阳电池是近几十年来形成产业化最快的。生产过程大致可分为五个步骤：（1）提纯过程 （2）拉棒过程 （3）切片过程（4）制电池过程 （5）封装过程。本文讨论的单晶硅制作主要在提纯过程和拉棒过程。其他内容以后再进行探讨。

1.提纯过程：提纯过程可以简单的描述为将普通的含有大量杂质的硅熔融再进行结晶从而得到纯度很高的硅材料的过程。这个高的纯度通常在99.9999%以上。结晶过程可以近似为等温等压过程。根据热力学系统自由能理论，当系统的变化时系统的自由能减少时，过程才能进行下去。当温度大于晶体的熔点Tm时，液态自由能GL低于固态自由能GS，从液态向固态的变化，自由能增大，结晶不能进行下去；当温度小于晶体的熔点Tm时，液态自由能GL高于固态自由能GS。从液态向固态的变化，自由能减小，结晶就能自发进行下去。而在结晶进行之前必须先形成晶核，晶核的形成也有许多种，但为了保证硅的纯度通常只能加入已经提纯了的硅或者等待其自发形成晶核。晶体融化成液态后，作为宏观的固态结构已被破坏，但在液体中的近程范围内仍然存在着规则排列的原子团，这些原子团由于原子的热运动瞬间聚集瞬间又散开，这种原子在极小范围内的有序集聚称为晶坯。由于晶坯的存在，液态结构与气态相比，液态更接近固态。一旦熔体具有一定的过冷度，晶坯就会长大，当晶坯长大到一定尺寸时，就成了晶核。晶核是晶体生长最原始的胚胎（生长点）， 是极微小的微晶粒，是晶体成长的中心。

2.拉棒过程：即生长成棒，这也包含了几种方法如区熔法、直拉法、磁拉法和多次加料法等。

区熔法是按照分凝原理进行材料提纯的。杂质在熔体和熔体中已结晶的固体的溶解度是不一样的。开始结晶的头部样品集中了杂质而尾部杂质量少。

直拉法硅单晶的生长，是将硅原料连同所需掺入的杂质，熔化在石英坩埚中，然后在熔点温度下，用晶种（籽晶）引出，逐渐长大而拉制成功的。让熔体在一定的过冷度下，将籽晶作为唯一的非自发晶核插入熔体，籽晶下面生成二维晶核，横向排列，单晶就逐渐形成了，但是要求一定的过冷度，才有利于二维晶核的不断形成，同时不允许其他地方产生新的晶核。热场的温度梯度的变化必须满足这个要求。

磁拉法基本原理为：在熔体施加磁场后，则运动的导电熔体体元受到洛伦兹力的作用。使得熔体的粘滞增大。

连续加料法：实际上就是在直拉法的基础上开发出能够最低限度带入污染的加料方法，使得拉制单晶硅的成本降低。连续加料包括液态加料和固态加料。液态加料的连续加料装置包括两个独立的炉子，其间由一石英管连接在一起。依靠虹吸管的原理，熔液由一边的熔化炉输送到另一边的拉晶炉。加料的速度由两个坩埚的高度差来控制。固态加料法是直接将固态多晶硅原料加入石英坩埚。这些系统使用石英挡板来隔开晶体生长区域及多晶硅原料熔化区，以避免多晶硅原料影响固液界面温度的稳定性。因此生产上一般把挡板延伸至晶棒下方，创造出双坩埚的作用，以维持晶体生长区域的熔解量可维持固定，固态多晶硅原料是采用块状多晶。

三、总结与展望

单晶硅是目前太阳能电池材料中光能转化为电能效率最高的半导体材料，同时制造单晶硅的成本也是所有半导体材料中最高的。太阳能发电已经进入了一个发展的瓶颈阶段。我们期待光伏产业有进一步的突破，使地球上普及太阳能应用的时代早日来临。

参考文献：

[1]尹建华，李志伟.半导体硅材料基础[M].化学工业出版社，2009.

[2]徐岳生等.磁场直拉单晶硅生长[J].河北工业大学材料学院，2006.

（作者简介：陶炎芬（1984-），女 ，江西九江人，江西省九江职业大学信息工程学院，研究方向：光伏电子；舒 展（1982-），女 ，江西九江人，江西省九江职业大学信息工程学院，研究方向：软件工程。）