主题：【原创】多晶硅—单晶硅 -- 大地窝铺
家园 【原创】多晶硅—单晶硅 顺手写个太阳能有关的帖子，大家看着玩吧。中间想穿插几个小故事。先引用一个我以前的回帖，主要也是想少写俩字儿。
【原创】简略的生产过程，是否耗电自己分析 [ 大地窝铺 ] 于:2009-08-15 02:37:23生产太阳能电池几个阶段：
1/高纯度的石英矿砂，从开采到炼成97%纯度的硅铁，大量耗电耗油料——可对比炼铝
2/用纯度97%的硅铁，使用化学方法，反应生成多晶硅的原料三氯氢硅（另外一种专利生产方法用硅烷）。自然也是高耗能过程。
3/“西门子法”生产多晶硅，在很大的反应釜里，用高纯度的多晶硅籽晶细长条（筷子粗细），搭成一个倒写的“U”型，两个端头接石墨电极，通大电流，反应釜里的三氯氢硅分离，硅原子一个一个的沉积到籽晶上，最后达到六英寸左右粗细。多晶硅棒纯度能达到7个9以上。
4/手工用纯钨榔头把多晶硅棒敲成拳头大小的多晶硅块，卖到单晶硅棒或多晶硅锭生产厂家。
5/多晶硅块，微量的添加剂（太阳能中用硼，形成P型半导体）放到很大的石英坩埚里，单晶硅炉用的坩埚是圆形的，（多经硅炉用的坩埚是方形的）。石墨加热器，电加热多晶硅融化，炉子上部机构用一个晶体取向已知的籽晶（比如说[110]）, 探到硅液面，然后程控缓慢拉起，拉出一根一米多长8英寸直径的晶棒，估计需要一个工作日（只是个人估计，我只是到车间看看而已，并非专家）。
6/晶棒滚圆，切方，然后用多线切割机切片，厚薄和晶棒直径（或边长）有关，小的可以切薄一点，大的可以厚一点，不会厚过0.75毫米。
7/然后就是耗能相对少些的电池片、组件生产流程了，不说也罢。
补充八卦几点：
3/中说的多晶硅生产，耗电大户，据说排在前列的德国瓦克公司，原先是个水电站，自己就是发电的。
5/，江苏某单晶硅生产公司的老板曾经跟我谈他们最大的优势，是当地发电厂有他公司很多股份。
6/，切片，当年挪威的Scanwafer公司，太阳能硅片业的龙头老大，其切片厂设在北极圈内，厂子旁边是个大湖，常年有取之不尽的低温淡水可以使用。水冷却费用没有了，好像工人三班倒也不是问题了，反正一年就是一个白天和一个黑夜……
前苏联有两个多晶硅生产企业，KCMP(吉尔吉斯)RCMP（俄罗斯），后来都不行了。
国内四川峨嵋，河南洛阳，也都生产多晶硅，产量都不大。近几年，国内多个地方建多晶硅生产线，建成是没问题的，能不能赚钱？拭目以待……，国内这种各自为政，一窝蜂的做法，赚钱很辛苦。
基本数据：1MW(兆瓦，峰值功率)电池片，消耗10吨太阳能级多晶硅
有进一步的兴趣？
www.recgroup.com
www.solarbuzz.com
德国瓦克（Wacker）公司生产的多晶硅棒，原料是三氯氢硅。瓦克的产品很漂亮，上海话卖相刮刮叫！多晶硅棒的两个末端是石墨电极，黑色的。在我的记忆中直径大约1英寸。硅棒的直径在6英寸的样子。石墨电极及其附近的多晶硅材料是要锯掉的，因为碳含量超出半导体要求的级别。据掉的多晶硅末端叫Carbon Ends。多年以前，多晶硅料非常紧张，Carbon ends最终的流向是太阳能硅片。
外链图片需谨慎，可能会被源头改Advanced Silicon Materials LLC (ASiMI)公司生产的多晶硅原料是硅烷。他们有自己的专利。用硅烷生产的硅棒表面粗糙些，质量同样是很好的。
还有一种多晶硅的生产方法，最终的多晶硅不是棒，而是粒状的。大小几个毫米不等。
外链图片需谨慎，可能会被源头改因为多晶硅一直是光伏电池的瓶颈，所以一直有人在想其他的办法。能不能直接用冶金方法得到较高纯度的太阳能级别多晶硅？我最开始关注这个问题时，做这项工作的是一家挪威的矿业公司。过了些年，真正有了进展的是美国加拿大的几家公司。其中有美国的道-康宁公司，加拿大魁北克省的Becancour公司，还有一家在多伦多附近，公司名字就把产品纯度点明了，叫6N Silicon。我第一次给这家公司打电话时，问他们的副总，你们这个6N的意思是不是6个9（Nine）的意思？他回答是的！这家公司得到了加拿大政府创新基金的资助。
冶金方法生产的多晶硅，有点像拉单晶剩在坩埚底部的埚底料（pot scrap）的样子，亮晶晶的。这种多晶硅的使用方法是有讲究的，这里不多说。
这张照片是埚底料。
外链图片需谨慎，可能会被源头改土鳖抗铁牛
本帖一共被 1 帖 引用 (帖内工具实现)家园 【原创】多晶硅-单晶硅（结束） 美国的Eergreen Solar公司有一种专利硅片生产方式：String Ribbon Wafers。就是利用熔融液态硅的表面张力效应，“肥皂泡效应”。两根耐高温的细线向上拉，液态硅在两根细线之间形成“肥皂膜”，并随着细线上升，直接拉成带状硅片。这种硅片的在节省多晶硅原料方面的好处是明显的。但是这种生产方法对原料的要求比较特殊，要用很细粒儿的原料，这种料我在第一个帖子里面提到过，也有图示。
下面是String Ribbon专利方法的示意图，注意，这种方法还是连续加料的：
外链图片需谨慎，可能会被源头改这是拉硅带的设备
外链图片需谨慎，可能会被源头改近距离看一下硅带：
外链图片需谨慎，可能会被源头改可以访问Evergreen Solar公司的网站：
在我这个系列的帖子中，用了一些亚利桑那大学太阳能实验室的图片，在此说明并感谢！如果您有进一步的兴趣，可以向他们购买相关的光盘，这是一套关于太阳能光伏方面非常好的光盘，价格是20美元。
我在太阳能行业里，仅仅工作了一年半左右的时间，这是一个飞速发展的行业。6、7年前有个德意志太阳能公司，一位专家曾经把光伏行业的发展趋势与手机行业的发展展轨迹相比较，发现他们的在初期的发展曲线惊人的相似！
家园 【原创】多晶硅—单晶硅（续4—区熔单晶硅） 上个帖子里说的直拉法（CZ法）单晶硅棒/片，就产量来说，是单晶硅生产的主流。另外一种单晶硅生产方法叫区域熔化法（Float Zone Process，区熔法， FZ法）。区熔单晶也是起始于一根很细的，纯度非常高，已知晶向的籽晶（最多见的是<111>和<100>晶向）。多晶硅棒局部加高温熔化后，成为液态，籽晶与液态多晶硅接触，局部加热区域顺着多晶硅棒移动，先熔融后冷却，区熔单晶棒逐渐长成。
原来在多晶硅中存在的极少量的杂质，趋向于在熔融的液态硅中聚集，而不是往冷却的硅单晶体中。所以区熔拉晶过程，实际上也是一个再次提纯的过程。
因为在区熔单晶的生长过程中，没有用到石英坩埚，又少了一个杂质来源，所以区熔单晶可以做到纯度非常高，电阻率非常高，远高于直拉单晶。对单晶硅来说，还有一个非常重要的参数叫少子（少数载流子）寿命，少子寿命与单晶硅中的氧含量有关。因此区熔单晶的少子寿命也远高于直拉单晶。
前面也提到过，纯的硅单晶是本征半导体，掺杂少量硼、磷、砷等之后，才形成实际应用的半导体材料。区熔单晶掺杂有两种方式，一种是把区熔单晶硅里存在的一些硅的同位素硅30，通过中子照射的方式，变成磷31，这些磷掺杂在硅单晶里，形成N型半导体。另一种方法是气相掺杂，就是区熔成晶过程中，掺杂物质（硼—P型；磷—N型）以气相形式掺杂到区熔单晶硅晶体中。
这是FZ-30型区熔单晶炉。
外链图片需谨慎，可能会被源头改区熔单晶的成晶过程大概就是这样的。炉内情景。
外链图片需谨慎，可能会被源头改这是中国第一颗6英寸直径的区熔单晶。
外链图片需谨慎，可能会被源头改区熔硅单晶，纯度高，电阻率范围大（可以很高），电阻率偏差小。原来一般是用来做高品质大功率器件的。用区熔单晶硅片做太阳能电池片，就很高档。这类硅片至少有以下优点：
1/少数载流子的寿命相当长，大于1毫秒。
2/晶体中氧含量，金属杂质含量非常低。
3/电阻率偏差范围小，在+/-20%以内。
4/用它做成的电池片光电转换率稳定，可预期。光电转换率高于20%。
区熔单晶硅片做成的太阳能电池片，可以想见，是用在非常关键的地方的。比如这个：
外链图片需谨慎，可能会被源头改还有这个：
外链图片需谨慎，可能会被源头改
本帖一共被 1 帖 引用 (帖内工具实现)家园 【原创】多晶硅—单晶硅（续3） 直拉法单晶硅
单晶硅的历史并不长，但是发展迅猛，其应用已经深入到人类生活的方方面面。中国多晶硅、单晶硅的发展过程中应该是有很多有趣的故事的。至少，按我的理解，这拉硅单晶的单晶炉是个关键设备，在冷战时期一定是在巴黎统筹组织对共产国家禁运设备名单里的。我们中国的第一台单晶炉是……？
有色金属研究院（有研硅股）的硅材料的专家那里可能有故事。
拉硅单晶有两种方法，一种是Czochralski（花差花差斯基）法，太难叫，太难记，大家都说直拉法，或者CZ法。另一种是区熔法（区域熔化法）。本贴先说直拉法单晶。
这是Kayax公司的CG-3000型单晶炉。用这型单晶炉，典型单晶直径是5英寸。
外链图片需谨慎，可能会被源头改这是直拉法单晶硅棒生产过程。多晶硅原料加入到石英坩埚里，加入添加剂（常用的是硼、磷、砷等）。籽晶相当于单晶硅棒的种子，随着籽晶旋转长大的单晶硅棒，其晶体取向与籽晶的相同，相当于子随父姓。籽晶下面直径逐渐长大的部分，叫“头”。从籽晶拉出到晶棒预定直径形成的过程叫“甩肩”。当坩埚内熔融的硅液用到一定程度时，单晶棒开始收“尾”。“尾”比“头”的质量大得多。这里面的道理是：单晶棒拉出硅液后冷却，会在单晶内形成位错，位错向上传播一定距离。收尾比甩肩缓慢，就是为了让反向传播的位错只传播到尾巴里，而保持等直径的晶棒内是完美单晶。
外链图片需谨慎，可能会被源头改这是正在炉子里拉制的硅单晶。
外链图片需谨慎，可能会被源头改这是新鲜出炉的一根单晶硅棒，这么大的一根棒子，挂在那么细的籽晶下面！
外链图片需谨慎，可能会被源头改这是拉成的单晶硅棒，头尾可以区分出来吧？它是不是真正的单晶呢？判断方法很简单，请注意硅棒侧面的棱线，有棱线就是单晶，没有就是多晶。不同的晶体取向，相对应棱线的条数不一样。
外链图片需谨慎，可能会被源头改这些单晶硅片应该是抛光片。在太阳能行业，一般就是把硅棒滚圆，切方，切片，然后送去做太阳能电池。半导体行业用的硅片要切片、磨片、抛光或者外延。比较复杂，一条8英寸抛光片的生产线，应该比一架波音777飞机要贵。太阳能行业用的单晶硅片最大8英寸，半导体行业用的硅片最大的12英寸。
外链图片需谨慎，可能会被源头改国内生产单晶硅的公司很多了，生产单晶炉的厂家主要是西安理工大学校办工厂和北京的京运通公司。我倒是有国内单晶炉的照片，但旁边站的人没法处理，不能贴上来。有兴趣的就问一下Mr.狗狗吧！
下个铁牛是区熔法单晶硅。
本帖一共被 1 帖 引用 (帖内工具实现)