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单晶硅,多晶硅,金属硅,工业硅,有机硅,详细科普图解

作者: 发布时间:2023-02-18 点击:880

硅是常见应用广的半导体材料,用镁还原二氧化硅可得无定形硅。用碳在电炉中还原二氧化硅可得晶体硅,电子工业中用的高纯硅则是用氢气还原三氯氢硅或四氯化硅而制得。

单晶硅

当熔融的单质硅凝固时,硅原子以金刚石晶格排列成晶核,其晶核长成晶面取向相同的晶粒,形成单晶硅。

单晶硅材料制造要经过如下过程:石英砂-冶金级硅-提纯和精炼-沉积多晶硅锭-单晶硅-硅片切割,其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。

在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素,形成p型硅半导体;掺入微量的第VA族元素,形成n型半导体。p型半导体和n型半导体结合在一起形成p-n结,就可做成太阳能电池,将辐射能转变为电能,另外广泛应用的二极管、三极管、晶闸管、场效应管和各种集成电路(如常见的cpu、gpu,mcu)都是用硅做的原材料。

单晶硅用于制造太阳能电池,其转换效率是较高的,其电池转换效率较高可达25%,在大规模应用和工生产中仍占据主导地位,但是受到单晶硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响,致使单晶硅成本价格居高不下。

多晶硅

多晶硅是单质硅的一种形式。当熔融的单质硅在过冷条件下固化时,硅原子以金刚石晶格形式排列成多个晶核。如果晶核生长成具有不同晶体取向的晶粒,则晶粒结合并结晶成多晶硅。

多晶硅可作拉制单晶硅的原料,多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如,在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面,远不如单晶硅明显。在电学性质方面,多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著,甚至于几乎没有导电性。多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别,但真正的鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率等。多晶硅是生产单晶硅的直接原料。

单晶硅和多晶硅在太阳能电池效率差异

单晶硅电池具有高电池转换效率和良好的稳定性,但其制造成本远比多晶硅高。 早在20年前,单晶硅电池就突破了20%以上光电转换效率的技术壁垒。

多晶硅电池的成本低,转换效率略低于提拉法的硅太阳能电池的转换效率。 材料中的各种缺陷,例如晶界,位错,微缺陷和材料中的杂质,例如碳和氧,以及工艺中的污染。 多晶硅太阳能电池的光电转换率一度被认为不会不超过20%。 德国弗劳恩霍夫研究所的科学家通过改进技术和工艺,使多晶硅太阳能电池的光电转换率达到20.3%以上。

在太阳能利用上,单晶硅和多晶硅同时发挥着巨大的作用。虽然从目前来讲,要使太阳能发电具有较大的市场,被广大的消费者接受,就必须提高太阳电池的光电转换效率,降低生产成本。

多晶硅因成本相对较低,一度成为主流,但近年来随着光伏平价上网,光伏去补贴信号的明确,电站开发商对于性价比的要求越来越高,使用产品才能在无补贴或者补贴极少的情况下确保电站的内部收益率,由此光伏企业从“产能之争”调转为产品“性价比”之间的较量。2015年起,单晶在性价比上实现对多晶硅片的超越,光伏单晶化已经成为行业共识。

中国单晶硅的龙头企业分别是隆基股份、中环股份。2018年中环股份和隆基股份硅片分别出货30亿片和36亿片,合计占硅片总产量的 32%,占单晶硅片总产量的70%。截至2018年底两家合计产能已达53GW,寡头垄断格局明显。2019年全年隆基股份的硅片出货量65亿片。2020年,隆基股份单晶硅产能相较于中环股份略胜一筹。数据显示,2020年,隆基股份的单晶硅的产能达到85GW;中环股份的2020年单晶硅的产能为55GW。

业绩方面,隆基股份—2020-2022年,机构一致预期收入规模大约为550.19亿元、836.6亿元、1000.82亿元,预期同比增速分别为67.24%、52.06%、19.62%。中环股份—2021-2023年,机构一致预期收入规模大约为318.01亿元、413.6亿元、501.87亿元,同比增速分别为66.88%、30.06%、21.34%。



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