第七?/p>
硅的理化性质,纯硅和硅片的制?/p>
7.1
概述
早在
1876
年,英国科学家亚当斯等在研究半导体材料时发现:当用太阳能照射硒半?/p>
体时,如同伏特电池一样,会产生电流,称为光生伏特电。但是,硒产生的光电效应很弱?/p>
?/p>
20
世纪中期转化率只?/p>
1%
左右?/p>
1954
年,美国贝尔实验室的
Chapin
等研制出世界上第
一块真正意义上的硅太阳电池,光电转化率达到
6%
左右,又很快达到
10%
,从此拉开了现
代太阳能光伏的研究、开发和应用的序幕。几乎同时,
CuS/CdS
异质结电池也被开发,称为
薄膜太阳电池研究的基础?/p>
到目前为止,太阳能光电工业基本是建立在硅材料基础上,世界上绝大部分的太阳?/p>
光电器件是用晶体硅制造的?/p>
其中单晶硅太阳电池是最早被研究和利用的?/p>
但是由于生产?/p>
本较昂贵?/p>
?/p>
20
世纪
70
年代铸造多晶硅发明以来?/p>
由于价格较便宜,
迅速挤占单晶硅的市
场,成为最有竞争力的太阳电池材料。目前,
国际太阳电池材料电池市场中,单晶硅和多晶
硅约占市场的
80%
以上?/p>
7.1.1
硅的理化性质
?/p>
1
)物理性质
硅有晶态和无定形态两种同素异形体?/p>
晶态硅根据原子排列不同分为单晶硅和多晶硅,
它们
均有金刚石晶格,属于原子晶体,晶体硬而脆,抗拉应力远远大于抗剪切应力,在室温下没
有延展性;
在热处理温度大于
750
℃时?/p>
硅材料由脆性材料转变为塑性材料,
在外加应力下?/p>
产生滑移位错?/p>
形成塑性变形?/p>
硅材料还具有一些特殊的物理化学性质?/p>
如硅材料熔化时体
积缩小,固化时体积增大?/p>
硅具有良好的半导体性质,其本征载流子浓度为
1.5
×
10
10
?/p>
/cm
3
,本征电阻率?/p>
1.5
×
10
10
Ω
·
cm
,电子迁移率?/p>
1350cm
2
/(V
·
s)
,空穴迁移率?/p>
480cm
2
/
?/p>
V
·
s
?/p>
。作为半导体?/p>
料,硅具有典型的半导体材料的电学性质?/p>
①电阻率特?/p>
硅材料的电阻率在
10
-5
~10
10
Ω
·
cm
之间,介于导体和绝缘体之间,?/p>
纯未掺杂的无缺陷的晶体硅材料称为本征半导体,电阻率在
10
Ω
·
cm
以上?/p>
?/p>
PN
结特?/p>
N
型硅材料?/p>
P
型硅材料相连?/p>
组成
PN
结,
这是所有硅半导体器件的?/p>
本结构,也是太阳电池的基本结构,具有单向导电性等性质?/p>
③光电特?/p>
与其他半导体材料一样,硅材料组成的
PN
结在光作用下能产生电流,?/p>
太阳电池?/p>
但是硅材料是间接带隙材料?/p>
效率较低?/p>
如何提高硅材料的发电效率正是目前?/p>
们所追求的目标?/p>
?/p>
2
)化学性质
硅在常温下不活泼,不与单一的酸发生反应,能与强碱发生反应,可溶于某些混合酸?/p>
其主要性质如下?/p>
?/p>
金属作用
常温下硅只能?/p>
F
2
反应,在
F
2
中瞬间燃烧,生成
SiF
4
?/p>
Si+2F
2
======SiF
4
加热时,能与其他卤素反应生成卤化硅,与氧反应生成
SiO
2
?/p>
Si+2X
2
========SiX
4
?/p>
X=Cl
?/p>
Br
?/p>
I
?/p>
Si+O
2
=======SiO
2
在高温下,硅与碳,氮,硫等非金属单质化合,分别生成碳化硅、氮化硅、硫化硅等:
Si+C=======SiC
3Si+2N
2
=======Si
3
N
4
Si+2S=======SiS
2
②与酸作?/p>
Si
在含氧酸中被钝化,但与氢氟酸及其混合酸反应,生成
SiF
4
?/p>
H
2
SiF
6
?/p>