半导体材料概述及硅晶体的应用

半导体材料概述及硅晶体的应用摘要：半导体材料在当下社会的应用已经深入我们的方方面面，正是这些用处广 泛的材料更要坚持“可持续发展的道路”能回收利用，造就一个良好的循环利用， 支持可持续发展。关键词：半导体发展；硅晶体；回收利用；太阳能一、半导体材料概述及发展半导体材料的发展与器件紧密相关。可以说，电子工业的发展和半导体器件 对材料的需求是促进半导体材料研究和开拓的强大动力；而材料质量的提高和新 型半导体材料的出现，又优化了半导体器件性能，产生新的器件，两者相互影响， 相互促进。1941 年用多晶硅材料制成检波器，是半导体材料应用的开始， 19481950 年用切克劳斯基法成功地拉出了锗单晶，并用它制成了世界第一个具有放大性能 的锗晶体三极管（点接触三极管）。1951 年用四氯化硅锌还原法制出了多晶硅； 第二年用直拉法成功地拉出世界上第一个硅单晶；同年制出了硅结构晶体管，从 而大大推进了半导体材料的广泛应用和半导体期间的飞速发展。20 世纪 60 年代初，出现了硅单晶薄层外延技术，特别是硅平面工艺和平面 晶体管的出现，以及相继出现的硅集成电路，对半导体材料质量提出了更高的要 求，促使硅材料在提纯、拉晶、区熔等单晶制备方法方面进一步改进和提高，开 始向高纯度、高完整性、高均匀性和大直径方向发展。与锗、硅材料发展并行，化合物半导体材料的研制也早在50 年代初就开始了。1952年人们发现IIIA-VA族化合物是一种与锗、硅性质类似的半导体材料， 其中砷化镓（GaAs）具有许多优良的半导体性质。其他化合物半导体材料如II A-WA族化合物、三元和多元化合物等也先后制备成功。70 年代以来，电子技术以前所未有的速度突飞猛进，尤其是微电子技术的 兴起，使人类从工业社会进入信息社会。微电子技术是电子器件与设备微型化的 技术，一般是指半导体技术和集成电路技术。它集中反映出现代电子技术材料提 出了愈来愈高的要求，使半导体材料的主攻目标更明显地朝着高纯度、高均匀性、 高完整性、大尺寸方向发展。此外，利用多种化学气相沉淀技术，可制造一系列薄膜晶体，其中分子束外 延技术可以人为地改变晶体结构，异质结、超晶格、量子阱的出现，改变了人们 设计电子器件的思想，半导体材料的发展，有着光明的前景。 1二、硅晶体在太阳能电池中的应用2.1 太阳能电池介绍太阳能电池具有许多其他发电方式所不具备的优点：不消耗燃料，不受地域 限制，规模可灵活组合，无污染、无噪音，安全可靠，维护简单，建设周期短， 最具有大规模应用的可能性。世界各国政府为大力发展太阳能产业，采取了各种政策和措施，如欧盟制订 了“百万屋顶太阳能计划”，德国制订了“十万屋顶太阳能计划”，日本推出了“新 阳光计划”，美国加州推出了“百万太阳能屋顶法案”。我国在2009年3月，财 政部、住房和城乡建设部联合发布了关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施 意见与太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法，对符合条件的太 阳能光电建筑应用示范项目给予相应的补贴。晶体硅太阳能电池可分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池，是目前国 际上的主流产品，占世界太阳能电池市场的 80。单晶硅太阳能电池在实验室 的转换效率为25，而工业生产的光电转换效率仅达 15，且单晶硅要求的晶 体纯度达99999 999以上，生产成本高，难以推广应用。多晶硅太阳能电池 由于其生产成本和原料价格低廉，工业生产的光电转换效率达13%16%，因 此其产业化发展较快，但还需解决低成本、低能耗和高效率的关键技术。2.2 单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池转换效率达 15%左右，其制造工艺已相当成熟。由于单 晶硅主要采用西门子法生产，从多晶硅中提炼出单晶，然后通过拉硅单晶棒、切 割得到单晶硅圆片，再经过刻蚀，最后生产成太阳能电池组件。可见，其生产过 程耗能较高，生产成本也相当高，因此推广应用有一定难度，但目前仍占太阳能 电池市场份额的主要地位。2.3 多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池主要采用改良型西门子法的制造工艺。由于其省却了单晶硅的纯度要求，使制造成本大大降低，电池的转换效率达到 16%左右。目前， 世界各国正不断研究提高光电转换效率和降低生产成本的方法。2009 年 4 月， 无锡尚德采用最新的冥王星技术进一步将多晶硅电池转换率提高到了 172%。 德国、日本和美国成功研制的发射极钝化及背面局部扩散太阳能电池，其转换效 率已达 20%左右；高效低阻硅太阳能电池，其转换效率达 21%左右。美国麻省 理工学院成功研制电池样品，光电转换效率提高了27%。三、废旧晶硅太阳能电池回收处置现状3.1 晶硅太阳能电池组件老化原因晶硅太阳能电池组件从上到下一般的结构为超白钢化玻璃-+EVA叶太阳能 电池片_EVA_T阳，最后对完成组件进行修饰和安装边框和接线盒归1。太阳能电 池的老化原因可以从两个方面解析，一方面是由于电池片本身的性能退化；另一 方面是用于封装的材料老化引起组件光学性能和电学性能的退化。晶硅太阳能电 池片本身的机械强度很小，必须借助玻璃盖板和其他密封材料将其封装成组件。 一般来说，这些密封材料的寿命比电池片的寿命要短得多。晶硅太阳能电池组件 长期暴露在室外，EVA胶膜在紫外线以及恶劣的自然条件作用下发生黄变、透光 率下降以及耐候性降低，EVA变黄是由过氧化物交联剂分解产生的自由基与防老 剂反应生成生色基团引起的，有望通过改进配方进一步改善EVA胶膜的耐老化性 能。此外空气中的水汽、污染气体等造成密封材料的老化，都会造成太阳能电池 片表面材料被腐蚀氧化，从而直接影响太阳能电池组件的电性能。舒碧芬等。利 用两组使用了20 年以上的晶体硅组件，从组件的外观及电性能两个方面分析了 其长期运行后性能衰退的原因，研究结果表明在自然状况下影响晶硅太阳能组件 性能的主要因素是组件的封装性能以及太阳能电池片的性能衰减，且单晶硅组件 性能衰减明显大于多晶硅组件。银浆做为晶硅电池片的背电极，有研究表明其与 电池片之间的结合力随着户外使用时间的增长而减小会导致晶硅太阳能电池功 率的降低进而缩短其寿命。3.2 晶硅太阳能电池回收处置现状太阳能电池各部分拆解提炼后各项资源的重量比大概为：玻璃70%、铝10% 粘合封胶10%、硅5%、其他5%3l。对生命周期完结的晶硅太阳能电池组件 进行回收利用可以有效节约自然资源和生产成本，为太阳电池产业的发展提供大 量的半导体以及其他原材料。早在2002年，德国环境保护部结合德国太阳能公 司与在佛来堡的 TU Bergakademie 研究中心设立了一项研究计划，主要任务在 于研发出环保且具经济效益的太阳能电池回收方法。Jun-Ki-Choi从宏观和微观 的层面剖析了回收太阳能电池的经济性需要考虑的因素，建立了一种数学模型分 析回收技术的盈利能力，为光伏回收中心(PVtakeback centers, PVTBc)的选 址提供了可靠的建议。从微观层面看，必须发展自动化的回收工艺以应对大量的 光伏废物,回收材料的市场价格是决定回收过程中盈利能力的重要因素,同时也 说明了从光伏组件中回收玻璃和昂贵金属的重要性。水泥固化的形式已被广泛应 用于世界各地的放射性、危险和混合废物的处置, Lucia 研究了将晶硅太阳能电 池混人水泥基体中的回收方法，铝酸钙水泥(cAc)和太阳能光伏电池的废物混合 物的水化过程进行了研究和分析。晶硅太阳能电池进行有效的拆解，才能回收利用废 旧晶硅太阳能电池组件 中的有用成分。单纯的使用 太阳能发电不会增加二氧化碳排放量，是一种环境 友好的发电技术。然而国内快速发展的光伏产 业仍面临产能过剩和日益恶化的 国际贸易环境的双重压力，需要更多积极的政策激励和进一步完善的市场。晶硅太阳能电池的使用寿命一般在 2530年 左右，快速扩张的国内光伏市 场必定会在一定时期内出现需要回收的退役光伏产品以及一小部分在生产过程 中产生的边角废料。应在综合考虑边际资本成本的水平，逆向物流成本，行驶距 离，以及从各种位置收集的光伏废物量等因素的基础上合理选址建 立光伏回收 中心(PVTC)。光伏回收中心的建立具 有环保以及节约自然资源的的双重效应， 符合光伏 产业可持续发展的特征。目前国内外对于退役的晶硅电池的拆解的研究相对较少，拆解技术的核心应 当针对如何有效破坏 EVA 胶膜来进行，一般采用的拆解方法可以分为两类即干式 拆解法和湿式拆解法。其中湿式拆解要使用能有效溶解 EVA 的有机溶剂，干式拆 解在高温下可能产生污染环境的有害气体，应当综合权衡采取适当的拆解方法以 回收废旧晶硅电池中的硅以及其他金属材料。参考文献1 殷景华，王雅珍，鞠刚.功能材料概论.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2009.72 太阳能电池现状及其发展前.万方数据库 引用日期 2016-03-243 废旧晶硅太阳能电池的回收拆解及进展研究.万方数据库 引用日期 2016-03-24