不同晶向的硅在哪方面有哪些區(qū)別

【專家解說(shuō)】：硅以大量的硅酸鹽礦和石英礦存在于自然界中。如果說(shuō)碳是組成生物界的主要元素，那么，硅就是構(gòu)成地球上礦物界的主要元素。 硅在地殼中的豐度為27.7%，在所有的元素中居第二位，地殼中含量最多的元素氧和硅結(jié)合形成的二氧化硅SiO2，占地殼總質(zhì)量的87%。 我們腳下的泥土、石頭和沙子，我們使用的磚、瓦、水泥、玻璃和陶瓷等等，這些我們?cè)谌粘Ｉ钪薪?jīng)常遇到的物質(zhì)，都是硅的化合物。硅，真是遍布世界，俯拾即是的元素。 單晶硅和多晶硅的區(qū)別是，當(dāng)熔融的單質(zhì)硅凝固時(shí),硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長(zhǎng)成晶面取向相同的晶粒，則形成單晶硅。如果這些晶核長(zhǎng)成晶面取向不同的晶粒，則形成多晶硅。 硅有晶態(tài)和無(wú)定形兩種同素異形體。晶態(tài)硅又分為單晶硅和多晶硅，它們均具有金剛石晶格，晶體硬而脆，具有金屬光澤，能導(dǎo)電，但導(dǎo)電率不及金屬，且隨溫度升高而增加，具有半導(dǎo)體性質(zhì)。晶態(tài)硅的熔點(diǎn)1410C,沸點(diǎn)2355C,密無(wú)定形硅是一種黑灰色的粉末。 硅的化學(xué)性質(zhì) 硅在常溫下不活潑，其主要的化學(xué)性質(zhì)如下： (1)與非金屬作用 常溫下Si只能與F2反應(yīng)，在F2中瞬間燃燒，生成SiF4. Si+F2 === Si+F4 加熱時(shí)，能與其它鹵素反應(yīng)生成鹵化硅，與氧反應(yīng)生成SiO2: Si+2F2 SiF4 (X=Cl,Br,I) Si+O2 SiO2 (SiO2的微觀結(jié)構(gòu)) 在高溫下，硅與碳、氮、硫等非金屬單質(zhì)化合，分別生成碳化硅SiC、氮化硅Si3N4和硫化硅SiS2等. Si+C SiC 3Si+2N2 Si3N4 Si+2S SiS2 (2)與酸作用 Si在含氧酸中被鈍化，但與氫氟酸及其混合酸反應(yīng)，生成SiF4或H2SiF6: Si+4HF SiF4↑+2H2↑ 3Si+4HNO3+18HF === 3H2SiF6+4NO↑+8H2O (3)與堿作用 無(wú)定形硅能與堿猛烈反應(yīng)生成可溶性硅酸鹽，并放出氫氣： Si+2NaOH+H2O === Na2SiO3+2H2↑ (4)與金屬作用 硅還能與鈣、鎂、銅、鐵、鉑、鉍等化合，生成相應(yīng)的金屬硅化物。 硅的用途 ①高純的單晶硅是重要的半導(dǎo)體材料。在單晶硅中摻入微量的第IIIA族元素，形成p型硅半導(dǎo)體；摻入微量的第VA族元素，形成n型和p型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，就可做成太陽(yáng)能電池，將輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。在開(kāi)發(fā)能源方面是一種很有前途的材料。 ②金屬陶瓷、宇宙航行的重要材料。將陶瓷和金屬混合燒結(jié)，制成金屬陶瓷復(fù)合材料，它耐高溫，富韌性，可以切割，既繼承了金屬和陶瓷的各自的優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了兩者的先天缺陷。 可應(yīng)用于軍事武器的制造 第一架航天飛機(jī)“哥倫比亞號(hào)”能抵擋住高速穿行稠密大氣時(shí)磨擦產(chǎn)生的高溫，全靠它那三萬(wàn)一千塊硅瓦拼砌成的外殼。 ③光導(dǎo)纖維通信，最新的現(xiàn)代通信手段。用純二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纖維，激光在玻璃纖維的通路里，無(wú)數(shù)次的全反射向前傳輸，代替了笨重的電纜。光纖通信容量高，一根頭發(fā)絲那么細(xì)的玻璃纖維，可以同時(shí)傳輸256路電話，它還不受電、磁干擾，不怕竊聽(tīng)，具有高度的保密性。光纖通信將會(huì)使 21世紀(jì)人類的生活發(fā)生革命性巨變。 聚氧硅材料的應(yīng)用1 ④性能優(yōu)異的硅有機(jī)化合物。例如有機(jī)硅塑料是極好的防水涂布材料。在地下鐵道四壁噴涂有機(jī)硅，可以一勞永逸地解決滲水問(wèn)題。在古文物、雕塑的外表，涂一層薄薄的有機(jī)硅塑料，可以防止青苔滋生，抵擋風(fēng)吹雨淋和風(fēng)化。天安門(mén)廣場(chǎng)上的人民英雄紀(jì)念碑，便是經(jīng)過(guò)有機(jī)硅塑料處理表面的，因此永遠(yuǎn)潔白、清新。 硅橡膠具有良好的絕緣改組，長(zhǎng)期不龜裂、不老化，沒(méi)有毒性，還可以作為醫(yī)用高分子材料。 硅油，是一種很好的潤(rùn)滑劑，由于它的粘度受溫度變化的影響小，流動(dòng)性好，蒸氣壓低，在高溫或寒冷的環(huán)境中都能使用。硅元素進(jìn)入有機(jī)世界，將它優(yōu)異的無(wú)機(jī)性質(zhì)揉進(jìn)有機(jī)物里，使有機(jī)硅化合物別具一格，開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。 晶體硅光電池 晶體硅光電池有單晶硅與多晶硅兩大類，用P型（或n型）硅襯底，通過(guò)磷（或硼）擴(kuò)散形成Pn結(jié)成制作，生產(chǎn)技術(shù)成熟，是光伏市場(chǎng)上的主導(dǎo)產(chǎn)品。采用埋層電極、表面鈍化、強(qiáng)化陷光、密柵工藝、優(yōu)化背電極及接觸電極等技術(shù)，提高材料中的載流子收集效率，優(yōu)化抗反肘膜、凹凸表面、高反射背電極等方式，光電轉(zhuǎn)換效率有較大提高。單晶硅光電池面積有限，目前比較大的為 ∮10至 20cm的圓片，年產(chǎn)能力46MW/a。目前主要課題是繼續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，開(kāi)發(fā)帶狀硅光電池技術(shù)，提高材料利用率。國(guó)際公認(rèn)最高效率在AM1.5條件下為24％，空間用高質(zhì)量的效率在AMO條件約為13.5—18％地面用大量生產(chǎn)的在AM1條件下多在11—18％之間。以定向凝固法生長(zhǎng)的鑄造多晶硅錠代替＃晶硅，可降低成本，但效率較低。優(yōu)化正背電極的銀漿和鋁漿絲網(wǎng)印刷，磨圖拋工藝，千方百計(jì)進(jìn)一步降成本，提高效率，大晶粒多晶硅光電池的轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)18.6%。 非晶硅光電池 a－Si（非晶硅）光電池一般采用高頻輝光放電方法使硅烷氣體分解沉積而成。由于外解沉積溫度低，可在玻璃、不銹鋼板、陶瓷板、柔性塑料片上沉積約1μm厚的薄膜，易于大面積化（05rn×l.0m），成本較低，多采用p in結(jié)構(gòu)。為提高效率和改善穩(wěn)定性，有時(shí)還制成三層P in等多層疊層式結(jié)構(gòu)，或是插入一些過(guò)渡層。其商品化產(chǎn)量連續(xù)增長(zhǎng)，年產(chǎn)能力45MW／a，10MW生產(chǎn)線已投入生產(chǎn)，全球市場(chǎng)用量每月在1千萬(wàn)片左右，居薄膜電池首位。發(fā)展集成型a－Si光電池組件，激光切割的使用有效面積達(dá)90％以上，小面積轉(zhuǎn)換效率提高到 14.6％，大面積大量生產(chǎn)的為8－10％，疊層結(jié)構(gòu)的最高效率為21％。研發(fā)動(dòng)向是改善薄膜特性，精確設(shè)計(jì)光電池結(jié)構(gòu)和控制各層厚度，改善各層之間界面狀態(tài)，以求得高效率和高穩(wěn)定性。 多晶硅光電池 P－Si（多晶硅，包括微品）光電池沒(méi)有光致衰退效應(yīng)，材料質(zhì)量有所下降時(shí)也不會(huì)導(dǎo)致光電池受影響，是國(guó)際上正掀起的前沿性研究熱點(diǎn)。在單晶硅襯底上用液相外延制備的p－Si光電池轉(zhuǎn)換效率為15.3％，經(jīng)減薄襯底，加強(qiáng)陷光等加工，可提高到23.7%，用CVD法制備的轉(zhuǎn)換效率約為12.6—l7.3%。采用廉價(jià)襯底的p—si薄膜生長(zhǎng)方法有PECVD和熱絲法，或?qū)—si：H材料膜進(jìn)行后退火，達(dá)到低溫固相晶化，可分別制出效率9.8%和9.2%的無(wú)退化電池。微晶硅薄膜生長(zhǎng)與a—si工藝相容，光電性能和穩(wěn)定性很高，研究受到很大重視，但效率僅為7.7％大面積低溫p—si膜與—si組成疊層電池結(jié)構(gòu)，是提高比a—S光電池穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率的重要途徑，可更充分利用太陽(yáng)光譜，理論計(jì)算表明其效率可在28％以上，將使硅基薄膜光電池性能產(chǎn)生突破性進(jìn)展。銅煙硒光電池 CIS（銅鎖硒）薄膜光電池己成為國(guó)際先伏界研究開(kāi)發(fā)的熱門(mén)課題，它具有轉(zhuǎn)換效率高（已達(dá)到17.7％），性能穩(wěn)定，制造成本低的特點(diǎn)。CIS光電池一般是在玻璃或其它廉價(jià)襯底上分別沉積多層膜而構(gòu)成的，厚度可做到2－3μrn，吸收層CIS膜對(duì)電池性能起著決定性作用。現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出反應(yīng)共蒸法和硒化法（濺射、蒸發(fā)、電沉積等）兩大類多種制備方法，其它外層通常采用真空蒸發(fā)或?yàn)R射成膜。阻礙其發(fā)展的原風(fēng)是工藝重復(fù)性差，高效電池成品率低，材料組分較復(fù)雜，缺乏控制薄膜生長(zhǎng)的分析儀器。CIS光電池正受到產(chǎn)業(yè)界重視，一些知名公司意識(shí)到它在未來(lái)能源市場(chǎng)中的前景和所處地位，積極擴(kuò)人開(kāi)發(fā)規(guī)模，著手組建中試線及制造廠。