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硅棒直径达到预定要求后,即需正常停炉。
停炉前应先停断原料混合气,减少冷却水流量使炉壁温度升高,将硅油彻底挥发。
继续通氢(约1小时左右)至硅棒发亮,
之后停电降温。
炉温降至900C下,将尾气切入尾气处理系统。
停氢气通氮气进行置换,待炉温降至室温后关闭尾气出口阀、N3进口阀停供冷却水,在氮气氛围下进行拆炉。
2、拆炉
拆炉人员要穿戴好无污染的口罩、手套、工作服、专用劳保鞋,以防在拆炉时玷污硅棒或硅块脱落被砸伤。
B松卸冷却水法兰,并在炉筒水进出口法兰处加上盲板,防止热水烫伤或炉筒水滴至还原炉底盘对还原炉产生污染,使用专业工具松卸还原炉筒紧固螺栓。
F、确认各紧固螺栓和各连接头松解完毕;
确认起吊行车正常可用,由专人开启行车并缓慢起吊炉筒,平稳放置到预定位置。
G在炉筒起吊中仔细观察硅棒是否倒靠炉壁,如倒靠,要采用防护围栏以免硅棒倒落砸坏炉底盘和底盘密封垫圈人工辅助出料;
如没倒靠,不加防护栏。
拆炉中要采取专用吊具,机械出料,将硅棒一对对缓慢吊出炉膛。
第三章三氯氢硅合成
(4)三氯氢硅中痕量磷的分析方法是什么?
具体过程如何?
101页
(5)画出改良西门子法的工艺流程图
工艺工序流程图
改良西门子法
(6)、简述中国光伏产业的发展历程
▲1958年我国开始研制太阳电池,
▲1959年中国科学院半导体研究所研制成功第一片有实用价值的太阳电池;
▲1971年3月在我国发射的第二颗人造卫星-科学实验卫星实践1号上首次应用由天津电源研究所研制的太阳电池;
▲1973年天津港的海面航标灯上首次应用由天津电源研究所研制的太阳电
池,此次航标灯上应用14.7W的太阳电池;
▲1979年我国开始利用半导体工业废次硅材料生产单晶硅太阳电池;
■到上世纪80年代后期,我国太阳电池生产能力达到4.5MW/年,初步形成了我国太阳电池产业的雏形。
目前有些企业已经关闭,而有些企业却得到发展,扩大了生产规模和能力,同时还出现了一些新厂。
■1980〜1990年期间我国引进国外太阳电池关键设备和成套生产线及技术,先后建立起单晶硅电池生产企业,如宁波太阳能电源厂、开封半导体厂、云南半导体厂、秦皇岛华美太阳电池厂等。
■2004年我国太阳电池产量超过印度,年产量达到50MW以上。
■2005年我国太阳能电池产量达到147MW,同年12月15日无锡尚德在美国纽交所上市,融资达4亿美元,成就了一夜暴富的神话,并引发了国内光伏企业在海外的上市热潮;
■2006年我国太阳能电池产量达到438MW,当年又有苏州阿特斯等四家光伏企业在海外上市,总融资额超过4亿美元;
■2007年我国太阳能电池产量超过1088MW,首次超过日本和德国而跃居世界第一位,当年还有新增赛维LDK等三家海外上市公司,这三家海外上市公司总融资额近10亿美元;
■2008年我国晶体硅太阳能电池产量为2455MW,仍居世界第一,但
从四季度开始因全球性金融危机的影响,开始出现萎缩。
2005年以来,我国太阳能光伏企业海外上市一览表
公司名称
上市时间
上市地点
股票代
码
发行价
融资总额
无锡尚德
05-12-15
纽交所
STP
$15
4亿美兀
浙江昱辉
06-8-8
伦敦创业板
SOLA
$1.5
5000万美元
苏州阿特斯
06-11-9
纳斯达克
CSIQ
1.155亿美兀
常州天合
06-12-19
TSL
$18.5
9800万美元
江苏林洋
06-12-21
SOLF
$12.5
1.5亿美兀
河北晶澳
07-2-7
JASO
2.25亿美兀
南京中电
07-5-17
CSUN
$11
9350万美元
江西赛维
07-6-4
LDK
$27
4.69亿美兀
保定英利
07-6-8
YGE
$10.8
3.19亿美兀
江阴浚鑫
07-7-6
英国伦敦
JHL
1.53欧元
3050万英镑
(7)为什么说光伏产业危机中加快转型前景依然看好?
信息技术革命成为推动全球经济高速发展的动力,目前全球经济步人衰退时期,国际上很多专家预测,推动全球经济增长新的动力是新的低碳技术及相关产业。
太阳能是最具发展潜力的清洁能源,是取之不尽用之不竭的可再生能源。
能源危机、环保压力使得光伏产业得到世界各国特别是发达国家的高度重视,也推动了太阳能电池用硅材料产业的迅速发展。
光伏太阳能电池产业:
尽管金融危机全球光伏市场低迷,使国际光伏产品的价格也不断下降,太阳能电池供应商也大多下调了生产计划,
2008年全球太阳能电池产量仍保持了高速发展,全年总产量达到
6850MW左右(含650MW薄膜电池),年增长率达到60%。
2008年中国太阳能电池行业依旧保持了高速发展,全年太阳能电池产量达到
2570MW(含50MW薄膜电池),同比2007年1100MW增长了83%,
市场占有率也由2007年的27%增长到31%
在金融危机下,各国政府补贴力度相应下调,而信贷政策也有所收缩,预计未来两年全球光伏装机容量增速将面临回落,仍将保持20%左右的速度增长;
从长远来看,光伏产业未来发展前景依然较好。
但在目前缺乏市场化竞争能力的前提下,各国政府的补贴政策(德、日、美、西班牙、其他等)依然是光伏装机容量不断增长的基础,未来光伏装机需求增速仍将受制于各国政策的力度;
其中,日本市场的复苏,美国可再生能源的加大投入,预计将成为2009~2010年全球光伏市场的热点。
(8)液氯钢瓶的充装和使用安全
81页
(9)氢气的安全使用时怎样的?
73页
(10)简述多晶硅的主要生产技术工艺
7页
(12)三氯氢硅合成工艺流程
90页
另解:
,干燥后的氯化氢气体先经缓冲罐
(1),再经转子流量计以适当流量进入合成炉(4)中,与经干燥器
(2)干燥后的硅粉在280〜300°
C的温度范围内发生反应。
反应过程中,可随时调节合成炉的温度。
硅粉由加料器(3)不断加入合成炉,以补充反应过程所消耗的硅粉。
反应生成的三氯氢硅气体由合成炉上部排出,再经旋风过滤除尘器(5)除
去夹带的粉尘(粉尘进入硅粉干燥器利用),然后进入列管冷凝器(6)冷凝成为液体,列管冷凝器的冷却剂温度通常在-40C左右。
冷凝液经计量器(7)放入储槽(8)中。
未冷凝的气体经液封器(9)送至废气淋洗塔(10)处理后排入大气。
生产中要求定时测量出料速度及冷凝液的比重,定时取样测定冷凝液中三氯氢硅的
含量,来指导合成条件的调整,以保证稳定生产出足量高品质三氯氢硅产品。
国电宁夏太阳能有限公司内部培训教材氢硅合成
图3-1三氯氢硅合成工艺流程
(13)多晶硅产品的用途
多晶硅是制造集成电路和太阳能电池的主要原料,目前全球90%的半导体及太阳能电池是用多晶硅生产的,因此,多晶硅是信息产业和太阳能电池光伏产业的关键基础材料。
多晶硅按照用途不同可分为电子级和光伏级。
电子级多晶硅是制
备单晶硅的原材料,而单晶硅被广泛用来制作集成电路、分立器件等,
氢硅合成
是电子工业的基石,目前全球每年100亿美元的硅材料支撑起2500亿美元的电子信息产业。
光伏级多晶硅是指用来制备光伏太阳能电池的多晶硅。
目前硅基太阳能电池约占整个太阳能电池90%以上的市场份额。
随着传统能源逐步耗尽,人类必须找到能够代替碳的新的清洁能源,太阳能因之取之不尽、用之不绝成为人类未来的能源希望,硅材料由于其储量丰富,制备技术成熟,光电转换率高,使用寿命长,预计到本世纪中叶硅基太阳能光伏发电将成为未来人类最重要的清洁能源,而硅材料将成为最重要的新能源材料。
高纯多晶硅是最重要的电子信息基础材料,被视为“微电
子大厦的基石”。
多晶硅的用途非常广泛,除IT产业外,它还主要运用于太阳能光伏电池板和可控硅元件的生产。
由于硅材料的工艺成
熟、质量好、原料丰富、价格相对较低,因而在未来的50年里,还
不可能有其他材料能够替代硅材料而成为电子信息和光伏产业主要原材料。
在IT产业中,多晶硅生产的单晶硅。
即硅半导体,是多晶
硅的衍生产品,它是制造集成电路和电子元件的优质材料。
由于硅半
导体耐高电压、耐高温、晶带宽度大,比其它半导体材料有体积小、效率高、寿命长、可靠性强等优点,因此被广泛用于电子工业集成电路的生产中。
多晶硅的另一大用途是直接用于制造太阳能光伏电池板,或加工成单晶硅后再用于制造光伏电池板。
先将硅料铸锭、切片或直接用单晶硅棒切片,再通过在硅片上掺杂和扩散形成PN结,然后采用
丝网印刷法,将银浆印在硅片上做成栅线,经过烧结,同时制成背电极,并在有栅线的面上涂减反射膜等一系列工艺加工成太阳能电池单体片,最后按需要组装成太阳能电池板。
目前,硅光伏电池占世界光伏电池总产量的98%以上,其中多晶硅电池占55%,单晶硅电池约占36%,其它硅材料电池约占70%。
由于多晶硅光伏电池的制造成本较低,光电转换效率较高(接近20%),因而得到快速发展。
目前晶体硅电池在太阳能电池中的比重超过90%而且在今后相
当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。
(14)多晶硅还原炉内各反应有哪几种?
多晶硅还原炉内各反应有以下8种:
⑴SiHCI3+H2=Si+3HCIf(1050-1100C)
⑵2SiHCI3=Si+2HCIf+SiCI4(热分解)
⑶SiHCI3+H2=SiH2CI2+HCIf(900-1000C)
⑷Si+2HCI=SiH2CI2(>
1200C或低温腐蚀)
⑸2SiHCI3=SiH2CI2+SiCI4
⑹SiCI4+2H2=Si+4HCIf(高温下)
⑺4SiHCI3=Si+2H2f+3SiCI4(热分解)
⑻Si+4HCI=2H2f+SiCI4(腐蚀)
杂质的还原反应:
2BCI3+3H2f2B+6HCI
2PCI3+3H2—2P+6HCI
(15)对于改良西门子法的重新评价
生产太阳能级多晶硅暴露的新问题:
1还原反应产出率低(14-18%,约1/6);
2能耗高,150kwh/kg;
3生产成本高,150元/kg;
4投资门槛高,12-16亿元/千吨产能;
5建设周期长;
6扩产速度低;
7资金回收慢;
8取出产物时需停炉,未达到完全自动化连续生产。
深层原因分析:
从宏观上看,评价标准由单一针对微电子级多晶硅的需求,转变为同时分别针对微电子级多晶硅和太阳能级多晶硅需求,二者相
差甚远,侧重不同,难以兼顾。
事实上,太阳能级多晶硅降价的要求,会按照市场规则,继续降下去,这对于改良西门子法难度更大,虽然纯度能够达到,能耗和成本却难以降下来。
此外副产品中的SiCI4太多,也是一个经营上的难题。
从微观上看,其中①-⑦都是由于还原反应转化率低引起
的,而转化率低,则是因为采用了热化学气相反应造成的。
国电宁夏太阳能有限公司内部培训教材
第三章三氯
16.SiHCI3氢还原反应的影响因素
152页
.另解:
1反应温度
根据化学反应速度和化学平衡原理分析,三氯氢硅和四氯化硅的氢还原过程都是吸热反应,因此,升高温度使平衡向吸热一方移动,即有利于硅的沉积。
按照理论分析,温度愈高,沉积速度愈快。
但实际生产中,反应生成硅自气相向固态载体上沉积时有一个最高温度Tmax,当反应温度超过这个温度,随着温度升
高沉积速率反而下降;
还有一个最低沉积温度To,高于该温度才开始反应析出硅
般在最低沉积温度和最高沉积温度之间,沉积速率随反应温度增高而增大
凹角硅棒
图5-1联桥腐蚀凹角
A、温度过高,会有联桥腐蚀凹角,所谓的“联桥腐蚀凹角“如图5-1所示,还原生成的氯化氢气体和四氯化硅均可使硅在高温下产生逆腐蚀:
Si2HCL1200C>
SiH2Cl21-9
SiSiCh1200C>
2SiCI21-10
在联桥90°
角处是热焦点,又称为热角,此处温度很高,当超过1200r时则产生硅腐蚀而形成凹角。
因此,严格控制硅棒表面温度低于Tmax,而又要接近
Tmax某一合适温度就能消除表面凸凹现象。
实验测定,对于三氯氢硅氢还原这个适宜温度为1150C。
B、温度过高,沉积硅本身的化学活性增强,硅棒受到设备材质沾污的可能性增加,所以其表面温度不能过高。
三氯氢硅在900〜1000r范围内,热分解反应占优势;
在110o〜1200r之间氢还原反应占优势。
三氯氢硅氢还原反应温度与硅实收率的关系见图5-2。
需要
注意的是硅的熔点为1410C,与反应温度比较接近,因此生产中应严格控制反应温度的波动,以免温度过高使硅棒熔化倒塌,造成较大损失。
图5-2温度对还原反应的影响
C、一般说来,当温度低于适宜温度时,随温度升高使硅的结晶变得粗大、光亮;
在低于适宜温度时,温度愈低,结晶变得更细小,表面呈暗灰色,无金属光泽。
如低于1000C时,贝U会生成疏松的暗褐色无定形硅(即温度夹层),造成多晶硅的质量下降。
温度高于适宜温度时,随温度升高硅棒表面愈加粗糙,类似于爆米花状;
在适宜温度下,硅棒晶粒细小致密,表面平整有金属光泽;
2.反应配比
还原反应时,H2与SiHCl3的摩尔数之比(也叫配比)对多晶硅的沉积有很大影响。
只有在较强的还原气氛下,才能使反应比较充分地进行,获得较高的SiHCl3转化率。
如果按化学当量计算,配比所需氢气量来还原SiHCl3,那么不
会得到结晶型的多晶硅,只会得到一些非晶态的褐色粉末,而且硅收率极低。
这是由于H2不足发生副反应的结果。
增加氢气的配比,可以显著提高SiHCl3的转化率。
图5-3SiHCI3在不同氢气配比情况下的理论平衡转化率
通常,实际的转化率远远低于理论值。
一方面是因为还原过程中存在各种副
反应,另一方面是实际的还原反应不可能达到平衡的程度。
但是,总的情况仍然是还原转化率随着H2与SiHCl3的摩尔比的增大而提高,如果氢气与SiHCb的摩尔比更大一些,那么SiHCl3的转化率还会更高。
但是氢气与SiHCl3的配比不能过大,如果过大会存在以下问题:
1)氢气量太大,稀释了SiHCl3的浓度,减少SiHCl3分子与硅棒表面碰撞的机会,降低硅的沉积速度,也就降低了单位时间内多晶硅的产量。
同时,大量的
氢气得不到充分的利用,增加了氢气消耗,从而增加了投资额。
2)从BCb、PCI3的氢还原反应可以看出,
2BCl33H2:
__2B6HCl
2PCl33H2:
一2P6HCl
决定混合气配比的另一个因素是氯硅烷中含硼、含磷量,过高的氢气浓度不
利于抑制B、P的析出。
选定一个合适的混合气配比,可以除去相当量的硼和磷,其原理主要是借助于质量作用定律(化学反应速率与反应物的有效质量即浓度成正比),使化学反应向左方移动。
由上述反应化学平衡关系不难看出,提高HCI浓度和降低Hz浓度,有利于
抑制硼和磷的析出,这与沉积硅的条件正好相反,为解决这一矛盾,只有设法提高氯化氢浓度,HCI可来自反应自身,也可以掺入。
氯化氢含量对抑制硼析出作用明显,而对磷析出作用的影响则不太显著。
由此可知,配比过大,则SiHCl3的转化率也增大,但是多晶硅的沉积速率会降低。
以前国内生产多采用H2:
SiHCl3=10:
1(摩尔比)的配比,以获得较高的SiHCl3一次转化率;
现在普遍采用较低的配比,以求提高多晶硅的沉积速率。
对于低配比所带来的SiHCl3一次转化率降低的影响,可以通过尾气回收未反应的SiHCl3,返回多晶硅还原生产中去使用,从而保证SiHCl3得到充分利用。
图5-4给出反应后各组份随反应气分子比变化关系,由此可见,硅的实收率随Hz与SiHCl3分子比的增加而增高,反应过程中生成SiCl4量随分子比增高而降低的现象意味着增高氢气浓度有利于抑制热分解反应。
由图5-4还
图5-4反应后各组分组成与反应气分子比关系
可看出:
随SiCl4含量增高,硅的生成量增大,也就是说,加入SiCl4同样可以抑制热分解反应。
3•反应气体流量和流速
当沉积速率达到一定状态时,流量越大炉产量越高。
但是流量大小与还原炉的结构和大小以及载体表面大小有关。
从分子运动观点来看,载体面积与反应空间之比愈大愈好,Si分子对沉积面碰撞机会愈多,因而对提高实收率是有利的。
此外,增加气体流量又能强化气体湍流(介质在流动状下,流体内部充满了大小不一的、在不断运动着的涡旋,流体质点(微团)除沿轴线方向做主体流动外,还在各个方向上做剧烈的随机运动)状态,有效地消减发热体表面的气体边界层和炉内气体分布不均匀的现象,有利于还原反应的进行。
但SiHCl3的流量不能过大,否则会造成SiHCl3在炉内的停留时间太短,使SiHCl3转化率相对降低,从而增大了尾气的含量,造成部分SiHCl3浪费;
也不能过小,否则反应生成的HCI气体会在灼热的载体表面造成气体层,如果反应气体在载体周围某些部位上的循环而不足以消除这些气体层,这些部位上容易沉积出针状或其它突出物,在针状或突出点上特别有利于硅的沉积,进而发展形成小结或小瘤。
相邻近的小结或小瘤连结在一起,其下面夹集气泡,致使沉积硅棒表面粗糙。
4•发热体表面积
随着还原过程的进行,生成的硅不断沉积在发热体上,发热体的表面积也越来越大,反应气体分子对沉积面碰撞的机会和数量也增大,有利于硅的沉积。
当单位面积的沉积速率不变时,表面积愈大,则沉积的多晶硅量也就愈多,多晶硅的生产效率也越高。
尽可能地延长反应时间,也就是尽可能地使硅棒长粗对提高产品质量与产量都是有益的。
随着反应周期延长,沉积出的硅棒越来越粗,载体表面积越来越大,则沉积速率不断增大。
而单位体积内载体扩散入硅中的杂质量相对地减少(载体
杂质含量相对于沉积硅棒的影响相应地减少)。
此外,延长开炉周期,相应地减少了载体的单位消耗量和缩短了停炉、装炉
的非生产时间。
随着硅棒不断长粗,为保持硅棒表面温度恒定,必须不断地增大电流。
所以,在电器设备容量及电流足够大的情况下,尽可能延长多晶硅的生产时间,使其发热体表面积尽量大,有利于提高生产效率。
但实际上开炉周期受到炉体结构、电极间距、加热功率的等的限制。
因此,反应时间的延长总有一定限度。
在生产中,进入还原炉的物料量也要随发热体直径的增大而增大,否则表面积增大了,进料量跟不上,硅的沉积速度也不会增加。
进料量常用的控制方法有两种,一种是设定好供料程序表(即供料量与生产时间的关系表),按时间调整
进料量;
另一种是根据硅棒直径控制进料量。
这两种方法均可实现计算机自动控制。
5.沉积硅的载体
生产中对硅芯具体要求(内在质量和表面质量)
硅芯的内在质量,首先,要求高纯度而且结构致密均匀;
其次,适应高压启动或预热启动的需要,不允许硅芯内存在P-N结,并且要求一定的电阻率范围。
从对产品质量方面要求硅芯的纯度愈高愈好,但是纯度愈高相应电阻率愈大。
硅芯中杂质含量对沉积硅的影响是值得考虑的问题,特别是当对沉积硅电阻率要求特别高的场合下,这种影响就必须考虑。
硅芯的表面质量包括直径、长度、表面平整度、直径均匀度、清洁无污、干燥。
载体愈粗、愈长无疑对提高产量是有益的。
但是载体过长其稳定度差,生长中易出现倾斜和倒塌现象;
而细长硅芯在加热初期容易烧断。
因此,从硅芯制备条件、还原设备操作条件和经济效果分析,硅棒的直径和长度是有一定限度的。
有了一定直径、长度、电阻率的硅芯后,在装炉前还要经过仔细地酸洗腐蚀处理,使表面抛光、清洁之后烘干,方可装炉。
(仃)在近十年里,太阳能电池的技术进步非常明显,主要体现在哪几个方面?
在近十年里,太阳能电池的技术进步非常明显,主要体现在以下几个方面:
⑴、晶硅电池的制造技术已趋于成熟,已有了一套完整的制备工艺,而且相应的设备也很配套。
多晶硅片的转换效率多在15〜17%
之间,单晶硅片的转换效率多在16〜18%之间,硅片的厚度多在
200卩m以下。
这些技术的日臻成熟,大大降低了太阳能电池的发电成本,从而加速了光伏电池的推广应用;
⑵、薄膜电池,特别是非晶硅(a-Si、卩c-Si等)以及CdTeCIGSCIS等薄膜电池技术获得了空前的发展,而且它在太阳能光伏市场中的份额正逐年提高,从十年前的不到1%,到2007年达到
8.75%,预计2008年接近10%。
这是我们光伏产业大家族里的重要成员,也有专家预测它将成为光伏产业的下一代产品;
⑶、颇受争议的冶金级硅制备的太阳能电池也开始进入市场,这
说明纯度在6N以下的硅原料
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