晶體材料種類區(qū)別及優(yōu)勢研究

袁佳

摘 ?要：近年來，以單晶硅和多晶硅為代表的各種晶體材料和相關(guān)高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成為現(xiàn)代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支柱，使信息產(chǎn)業(yè)成為全球經(jīng)濟發(fā)展中增長最快的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。本文針對單晶硅與多晶硅的特征、性質(zhì)、區(qū)別、應(yīng)用及優(yōu)缺點進行了分析與研究，為實際開發(fā)相關(guān)資源提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：晶體材料;單晶硅;多晶硅;太陽能發(fā)電

引言

晶體材料作為一種潛力巨大，開發(fā)利用率高的高科技資源，越來越受到人們的關(guān)注和重視。目前，為了擴大太陽能發(fā)電的消費市場，提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率是非常必要的，而單晶硅和多晶硅在太陽能發(fā)電利用中都發(fā)揮著巨大作用。從國際發(fā)展上看，太陽能電池發(fā)展趨勢是應(yīng)用單晶硅、多晶硅、薄膜材料等新型高科技材料，從而在提高發(fā)電效率的同時減小生產(chǎn)成本，因此研究晶體材料間的種類區(qū)別對相關(guān)現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1 晶體材料種類區(qū)別

晶體材料種類豐富，本文僅選取最具代表性的單晶硅與多晶硅材料進行比較分析。

1.1 單晶硅晶體性質(zhì)

單晶硅具有基本完整的晶格結(jié)構(gòu)，在不同的方向具有不同的性質(zhì)，并且是良好的半導(dǎo)體材料。 其晶體純度要求達到99.9999%，甚至達到99.9999999%以上。單晶硅具有類金屬的物理性質(zhì)，具有弱的導(dǎo)電性，并且其導(dǎo)電性隨著溫度的升高而增加，具有顯著的半導(dǎo)電性，超純的單晶硅是本征半導(dǎo)體。在微量單晶硅（例如硼）中加入痕量的IIIA族元素可以提高其導(dǎo)電性，從而形成p型硅半導(dǎo)體;如果添加少量的諸如磷或砷的VA族元素，則可以增加導(dǎo)電度以形成n型硅半導(dǎo)體。單晶硅通常通過制備多晶硅或非晶硅，然后通過Czochralski法或懸浮區(qū)熔化法從熔體生長棒狀單晶硅來制備。單晶硅主要用于制造半導(dǎo)體元件，并且是用于制造高功率整流器，高功率晶體管，二極管，開關(guān)裝置等的半導(dǎo)體硅器件的原材料。

1.2 多晶硅晶體性質(zhì)

多晶硅在高溫下具有非常大的化學(xué)反應(yīng)性并且可以與幾乎任何材料相互作用。它與單晶硅一樣，也是一種重要的半導(dǎo)體，但如果多晶硅中存在少量的雜質(zhì)其導(dǎo)電性會受到極大影響。 多晶硅是元素硅的一種形式，如果這些晶核生長成具有不同晶體取向的晶粒，則晶粒結(jié)合形成晶體成為多晶硅，多晶硅可以用作拉制單晶硅的原料。

1.3 單晶硅與多晶硅差異比較

多晶硅和單晶硅之間的差異主要表現(xiàn)在物理性質(zhì)上。當(dāng)熔融的元素硅凝固時，硅原子以金剛石晶格排列成多個晶核，并且如果這些核生長成具有相同晶面取向的晶粒，則形成單晶硅;如果這些晶核生長成具有不同晶面取向的晶粒，則形成多晶硅。在性能方面例如，就機械性能，電性能等而言，多晶硅不如單晶硅表現(xiàn)的好。單晶硅可以被認為是世界上最純凈的物質(zhì)，而多晶硅是制造單晶硅的原料，單晶可以通過多晶直拉工藝進行原子結(jié)構(gòu)重組。單晶硅和多晶硅之間的區(qū)別在于它們的原子結(jié)構(gòu)排列，單晶中原子排列是有序的，而在多晶中是無序排列的，這主要取決于晶體材料的加工技術(shù)。

2 多晶硅優(yōu)勢分析

隨著中國集成電路，硅片生產(chǎn)和太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，多晶硅在國內(nèi)和國際市場上有著巨大的需求，價格也在不斷上漲。在光伏產(chǎn)業(yè)、微電子產(chǎn)業(yè)、大規(guī)模集成電路以及太陽能電池產(chǎn)業(yè)中，多晶硅已經(jīng)被譽為其原料的的基石，作為這些產(chǎn)業(yè)中的重要基礎(chǔ)原料，多晶硅的發(fā)展和應(yīng)用水平已成為衡量一個國家國防實力、現(xiàn)代化水平以及綜合國力的重要指標之一。

多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)。當(dāng)在過冷條件下，熔融的元素硅固化時，以金剛石晶格形式排列的硅原子將會形成多個晶核。如果這些晶核生長成具有不同晶體取向的晶粒，則晶粒結(jié)合形成晶體成為多晶硅。多晶硅可以用作拉制單晶硅的原料，從工業(yè)化的角度來看，以后的發(fā)展趨勢將是單晶到多晶硅和薄膜的發(fā)展，這其中的主要原因為：

A. 目前太陽能電池的頭尾材料普遍較少;

B. 對于太陽能電池，方形基板更具成本效益，并且通過澆鑄方法和直接凝固方法獲得的多晶硅可以直接獲得方形材料;

C. 多晶硅的生產(chǎn)過程不斷發(fā)展和進步;

D. 由于過去十年中單晶硅技術(shù)的快速研究和開發(fā)，該工藝也已應(yīng)用于多晶硅電池的生產(chǎn)。絲網(wǎng)印刷技術(shù)可以將柵電極的寬度減小到50微米，高度可以減小到15微米以上。單片熱處理時間可在不到一分鐘的時間內(nèi)完成，使用該工藝可在100平方厘米的多晶硅晶片上實現(xiàn)超過14%的電池轉(zhuǎn)換效率。

結(jié)論

近年來，以單晶硅和多晶硅為代表的各種晶體材料和相關(guān)高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成為現(xiàn)代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支柱，使信息產(chǎn)業(yè)成為全球經(jīng)濟發(fā)展中增長最快的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。本文針對單晶硅與多晶硅的特征、性質(zhì)、區(qū)別、應(yīng)用及優(yōu)缺點進行了分析與研究，為實際開發(fā)相關(guān)資源提供了理論參考。

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