电池片的加工工艺.pptx

电池片的加工工艺电池片的加工工艺（一）单晶硅片加工工艺主要为：切断（一）单晶硅片加工工艺主要为：切断外径滚圆外径滚圆切片切片倒角倒角研磨研磨腐蚀、清洗等。腐蚀、清洗等。1.切断切断 切断又称割断，是指在晶体生长完成后，沿垂直切断又称割断，是指在晶体生长完成后，沿垂直于晶体生长的方向切去晶体硅头尾无用部分，即头部于晶体生长的方向切去晶体硅头尾无用部分，即头部的籽晶和放肩部分以及尾部的收尾部分。通常利用外的籽晶和放肩部分以及尾部的收尾部分。通常利用外圆切割机进行切割，刀片边缘为金刚石涂层，这种切圆切割机进行切割，刀片边缘为金刚石涂层，这种切割机的刀片厚，速度快，操作方便；但是刀缝宽，浪割机的刀片厚，速度快，操作方便；但是刀缝宽，浪费材料，而且硅片表面机械损伤严重。目前，也有使费材料，而且硅片表面机械损伤严重。目前，也有使用带式切割机来割断晶体硅的，尤其适用于大直径的用带式切割机来割断晶体硅的，尤其适用于大直径的单晶硅。单晶硅。2.外径滚圆外径滚圆 在直拉单晶硅中，由于晶体生长时的热振动、在直拉单晶硅中，由于晶体生长时的热振动、热冲击等原因，晶体表面都不是非常平滑的，也就热冲击等原因，晶体表面都不是非常平滑的，也就是说整根单晶硅的直径有一定偏差起伏；而且晶体是说整根单晶硅的直径有一定偏差起伏；而且晶体生长完成后的单晶硅棒表面存在扁平的棱线，需要生长完成后的单晶硅棒表面存在扁平的棱线，需要进一步加工，使得整根单晶硅棒的直径达到统一，进一步加工，使得整根单晶硅棒的直径达到统一，以便于在后续的材料和期间加工工艺中操作。以便于在后续的材料和期间加工工艺中操作。3.切片切片 在单晶硅滚圆工序完成后，需要对单晶硅棒切片。在单晶硅滚圆工序完成后，需要对单晶硅棒切片。太阳电池用单晶硅在切片时，对硅片的晶向、平行度太阳电池用单晶硅在切片时，对硅片的晶向、平行度和翘曲度等参数要求不是很高，只需对硅片的厚度进和翘曲度等参数要求不是很高，只需对硅片的厚度进行控制。行控制。4.倒角倒角 将单晶硅棒切割成的晶片，晶片锐利边需要修整将单晶硅棒切割成的晶片，晶片锐利边需要修整成圆弧形，主要防止晶片边缘破裂及晶格缺陷产生成圆弧形，主要防止晶片边缘破裂及晶格缺陷产生 5.研磨研磨 切片后，在硅片的表面产生线痕，需要通过研磨除去切片后，在硅片的表面产生线痕，需要通过研磨除去切片所造成的锯痕及表面损伤层，有效改善单晶硅片的翘切片所造成的锯痕及表面损伤层，有效改善单晶硅片的翘曲度、平坦度与平行度，达到一个抛光过程处理的规格。曲度、平坦度与平行度，达到一个抛光过程处理的规格。6.腐蚀、清洗腐蚀、清洗 切片后，硅片表面有机械损伤层，近表面晶体的晶切片后，硅片表面有机械损伤层，近表面晶体的晶格不完整；而且硅片表面有金属粒子等杂质污染。因此，格不完整；而且硅片表面有金属粒子等杂质污染。因此，一般切片后，在制备太阳电池前；需要对硅片进行化学一般切片后，在制备太阳电池前；需要对硅片进行化学腐蚀。腐蚀。在单晶硅片加工过程中很多步骤需要用到清在单晶硅片加工过程中很多步骤需要用到清洗，这里的清洗主要是腐蚀后的最终清洗。清洗洗，这里的清洗主要是腐蚀后的最终清洗。清洗的目的在于清除晶片表面所有的污染源。的目的在于清除晶片表面所有的污染源。（二）多晶硅加工工艺主要为：开方（二）多晶硅加工工艺主要为：开方磨面磨面倒角倒角切片切片腐蚀、清洗等。腐蚀、清洗等。1.开方开方 对于方形的晶体硅锭，在硅锭的切断后，要进对于方形的晶体硅锭，在硅锭的切断后，要进行切方块处理，即沿着硅锭的晶体生长的纵向方向，行切方块处理，即沿着硅锭的晶体生长的纵向方向，将硅锭切成一定尺寸的长方形的硅块。将硅锭切成一定尺寸的长方形的硅块。2.磨面磨面 在开方之后的硅块，在硅块的表面产生线痕，在开方之后的硅块，在硅块的表面产生线痕，需要通过研磨除去开方所造成的锯痕及表面损伤层，需要通过研磨除去开方所造成的锯痕及表面损伤层，有效改善硅块的平坦度与平行度，达到一个抛光过有效改善硅块的平坦度与平行度，达到一个抛光过程处理的规格。程处理的规格。3.倒角倒角 将多晶硅锭切割成硅块后，硅块边角锐利部将多晶硅锭切割成硅块后，硅块边角锐利部分需要倒角、修整成圆弧形，主要防止切割时，分需要倒角、修整成圆弧形，主要防止切割时，硅片的边缘破裂、崩边及晶格缺陷产生。硅片的边缘破裂、崩边及晶格缺陷产生。切片与后续的腐蚀、清洗工艺几乎一致，切片与后续的腐蚀、清洗工艺几乎一致，（三）电池片的加工工艺（三）电池片的加工工艺 电池片加工过程中所包含的制造步骤，根据不同的电电池片加工过程中所包含的制造步骤，根据不同的电池片生产商有所不同。这里介绍的电池片加工主要包括池片生产商有所不同。这里介绍的电池片加工主要包括制绒、制结、去周边层、去制绒、制结、去周边层、去PSG、镀膜、印刷电极、烧、镀膜、印刷电极、烧结、测试包装结、测试包装等。等。单晶硅电池片单晶硅电池片 多晶硅电池片多晶硅电池片 1、制绒、制绒 晶晶体体硅硅太太阳阳电电池池一一般般是是利利用用硅硅切切片片，由由于于在在硅硅片片切切割割过过程程中中损损伤伤，使使得得硅硅片片表表面面有有一一层层1020m的的损损伤伤层层，在在太太阳阳电电池池制制备备时时首首先先需需要要利利用用化化学学腐腐蚀将损伤层去除，然后制备表面绒面结构。蚀将损伤层去除，然后制备表面绒面结构。对对于于单单晶晶硅硅而而言言，如如果果选选择择择择优优化化学学腐腐蚀蚀剂剂，就就可可以以在在硅硅片片表表面面形形成成金金字字塔塔结结构构，称称为为绒绒面面结结构构，又称表面织构化，这种结构比平整的化学抛光又称表面织构化，这种结构比平整的化学抛光的的硅硅片片表表面面具具有有更更好好的的减减反反射射效效果果，能能够够更更好好地地吸吸收收和和利利用用太太阳阳光光线线。当当一一束束光光线线照照射射在在平平整整的的抛抛光光硅硅片片上上时时，约约有有30%的的太太阳阳光光会会被被反反射射掉掉；如如果果光光线线照照射射在在金金字字塔塔形形的的绒绒面面结结构构上上，反反射射的的光光线线会会进进一一步步照照射射在在相相邻邻的的绒绒面面结结构构上上，减减少少了了太太阳阳光光的的反反射射；同同时时，光光线线斜斜射射入入晶晶体体硅硅，从从而而增增加加太太阳阳光光在在硅硅片片内内部部的的有有效效运运动动长长度度，增增加加光光线线吸吸收收的的机机会会。如如图图所所示示，为为单单晶晶硅硅制制绒绒后后的的SEM图，高图，高10m的峰时方形底面金字塔的顶。的峰时方形底面金字塔的顶。对对于于由由不不同同晶晶粒粒构构成成的的铸铸造造多多晶晶硅硅片片，由由于于硅硅片片表表面面具具有有不不同同的的晶晶向向，择择优优腐腐蚀蚀的的碱碱性性溶溶液液显显然然不不再再适适用用。研研究究人人员员提提出出利利用用非非择择优优腐腐蚀蚀的的酸酸性性腐腐蚀蚀剂剂，在在铸铸造造多多晶晶硅硅表表面面制制造造类类似似的的绒绒面面结结构构，增增加加对对光光的的吸吸收收。到到目目前前为为止止，人人们们研研究究最最多多的的是是HF和和HNO3的的混混合合液液。其其中中HNO3 作作为为氧氧化化剂剂，它它与与硅硅反反应应，在在硅硅的的表表面面产产生生致致密密的的不不溶溶于于硝硝酸酸的的SiO2层层，使使得得HNO3 和和硅硅隔隔离离，反反应应停停止止；但但是是二二氧氧化化硅硅可可以以和和HF反反应应，生生成成可可溶溶解解于于水水的的络络合合物物六六氟氟硅硅酸酸，导导致致SiO2层层的的破破坏坏，从从而而硝硝酸酸对对硅硅的的腐腐蚀再次进行，最终使得硅表面不断被腐蚀。蚀再次进行，最终使得硅表面不断被腐蚀。2、制结、制结P-N结的制备方法有四种：结的制备方法有四种：合金法、合金法、扩散法、扩散法、离子注入法、离子注入法、薄膜生长法薄膜生长法 晶晶体体硅硅太太阳阳电电池池一一般般利利用用掺掺硼硼的的p型型硅硅作作为为基基底底材材料料，在在850左左右右，通通过过扩扩散散五五价价的的磷磷原原子子形形成成n半导体，组成半导体，组成p-n结。结。三、去周边层三、去周边层 在扩散过程中，硅片的周边表面也被扩散，形成在扩散过程中，硅片的周边表面也被扩散，形成p-n结，结，这将导致电池的正负极连通，造成电池短路，所以需要将扩这将导致电池的正负极连通，造成电池短路，所以需要将扩散边缘大约散边缘大约0.05mm0.5mm的的p-n结去除。周边上存在任何结去除。周边上存在任何微小的局部短路都会使电池并联电阻下降，以至成为废品。微小的局部短路都会使电池并联电阻下降，以至成为废品。四、去四、去PSG 在在扩扩散散过过程程中中，三三氯氯氧氧磷磷与与硅硅反反应应产产生生的的副副产产物物二二氧氧化化硅硅残残留留于于硅硅片片表表面面，形形成成一一层层磷磷硅硅玻玻璃璃（掺掺P2O5或或P的的SiO2，含含有有未未掺掺入入硅硅片片的的磷磷源源）。磷磷硅硅玻玻璃璃对对于于太太阳阳光光线线有有阻阻挡挡作作用用，并并影影响响到到后后续续减减反反射射膜膜的的制备，需要去除。制备，需要去除。目目前前电电池池片片生生产产工工艺艺中中，去去PSG常常用用的的方方法法是是酸酸洗洗。原原理理为为利利用用氢氢氟氟酸酸与与二二氧氧化化硅硅反反应应，使使硅硅片片表表面面的的PSG溶解。溶解。五、镀减反射膜五、镀减反射膜 光照射到平面的硅片表面，其中一部分被反射，光照射到平面的硅片表面，其中一部分被反射，即使对绒面的硅表面，由于入射光产生多次反射而即使对绒面的硅表面，由于入射光产生多次反射而增加了吸收，但也有约增加了吸收，但也有约11%的反射损失。在其上覆的反射损失。在其上覆盖一层减反射膜层，可大大降低光的反射，增加对盖一层减反射膜层，可大大降低光的反射，增加对光的吸收。光的吸收。目前电池片生产工艺中，常见的镀膜工艺为目前电池片生产工艺中，常见的镀膜工艺为PECVD（等离子增强化学气相沉积法）。利用硅烷（等离子增强化学气相沉积法）。利用硅烷与氨气在辉光放电的情况下发生反应，在硅片表面与氨气在辉光放电的情况下发生反应，在硅片表面沉积一层氮化硅减反射膜。增加对光的吸收。沉积一层氮化硅减反射膜。增加对光的吸收。六、印刷电极与烧结六、印刷电极与烧结 太阳电池的关键是太阳电池的关键是p-n，有了，有了p-n结即可产生光结即可产生光生载流子，但有光生载流子的同时还必须将这些光生载流子，但有光生载流子的同时还必须将这些光生载流子导通出来，为了将太阳电池产生的电流引生载流子导通出来，为了将太阳电池产生的电流引导到外加负载，需要在硅片导到外加负载，需要在硅片p-n结的两面建立金属结的两面建立金属连接，形成金属电极。连接，形成金属电极。目前，金属电极主要是利用丝网印刷技术，在目前，金属电极主要是利用丝网印刷技术，在晶体硅太阳电池的两面制备成梳齿状的金属电极。晶体硅太阳电池的两面制备成梳齿状的金属电极。随后通过烧结，形成良好的欧姆接触。随后通过烧结，形成良好的欧姆接触。烧结工艺烧结工艺是将印刷电极后的电池片，在适当的气氛是将印刷电极后的电池片，在适当的气氛下，通过高温烧结，使浆料中的有机溶剂挥发，金属颗下，通过高温烧结，使浆料中的有机溶剂挥发，金属颗粒与硅片表面形成牢固的硅合金，与硅片形成良好的欧粒与硅片表面形成牢固的硅合金，与硅片形成良好的欧姆接触，从而形成太阳电池的上、下电极。姆接触，从而形成太阳电池的上、下电极。七、测试包装七、测试包装 为为了了将将电电池池片片分分组组、方方便便包包装装利利于于后后期期组组件件生生产产，以以及及分分析析发发现现制制程程中中的的问问题题，从从而而加加以以改改善善制制程程。在在电电池池片片的的最最后后工工艺艺中中，我我们们将将对对电电池池片进行测试。片进行测试。测测试试的的原原理理是是利利用用稳稳态态模模拟拟太太阳阳光光或或者者脉脉冲冲模模拟拟太太阳阳光光，使使电电池池片片形形成成光光电电流流。对对其其中中的的Isc、Voc、FF、Eff、Rs、Rsh等进行检测。等进行检测。组件的生产工艺组件的生产工艺 电池组件加工过程中所包含的制造工艺步骤，电池组件加工过程中所包含的制造工艺步骤，主要为主要为生产准备、单片焊接、单片串接、组件敷设生产准备、单片焊接、单片串接、组件敷设与检验、层压封装、装框与装接线盒、成品终测、与检验、层压封装、装框与装接线盒、成品终测、成品清洗、成品包装入库成品清洗、成品包装入库等。常见单晶硅片、多晶等。常见单晶硅片、多晶硅片如图硅片如图 一、生产准备一、生产准备 电池组件的生产过程中，第一步为生产准备，准电池组件的生产过程中，第一步为生产准备，准备工艺具体如下：备工艺具体如下：1、电池片分捡、电池片分捡 根据根据“生产任务单生产任务单”挑选符合要求的电池片。将挑选符合要求的电池片。将电池片整理成小托，每一托电池片的数量即为一块组电池片整理成小托，每一托电池片的数量即为一块组件中电池片的数量。件中电池片的数量。2、焊带裁剪、焊带裁剪 根据所生产组件的电池片的不同，依据设计图纸根据所生产组件的电池片的不同，依据设计图纸中所表示的尺寸裁剪相应的焊带待用。中所表示的尺寸裁剪相应的焊带待用。3、TPT和和EVA胶膜准备胶膜准备 使用自制的切割模具将使用自制的切割模具将EVA胶膜和胶膜和TPT背背膜切割成相应的规格并整理好，放到不同的料膜切割成相应的规格并整理好，放到不同的料架上待用。架上待用。4、铝合金外框、铝合金外框 根据所生产电池组件规格的不同，依据设根据所生产电池组件规格的不同，依据设计图纸中所表示的尺寸加工相应的铝框待用。计图纸中所表示的尺寸加工相应的铝框待用。二、单片焊接二、单片焊接 做好准备工作后，首先进行单片焊接工艺，工做好准备工作后，首先进行单片焊接工艺，工艺具体如下：艺具体如下：1、来料检查、来料检查 对上道来料进行检查，并根据组件设计单片焊对上道来料进行检查，并根据组件设计单片焊接所需涂锡带的长度要求将涂锡带裁剪成规定尺寸接所需涂锡带的长度要求将涂锡带裁剪成规定尺寸待用。将电池片一次取出，放入工作台上，准备焊待用。将电池片一次取出，放入工作台上，准备焊接。接。2、焊接、焊接 开启烙铁开关，开启加热台开关，等温度达到开启烙铁开关，开启加热台开关，等温度达到规定温度后开始操作。将电池片放在加热台上，一规定温度后开始操作。将电池片放在加热台上，一次对上下电池的主栅线进行焊接。次对上下电池的主栅线进行焊接。3、检查、检查 焊好的电池片确认检查无误后流入下一道工序，焊好的电池片确认检查无误后流入下一道工序，填写好流程卡。填写好流程卡。三、单片串接三、单片串接 对单片电池片上下主栅线焊接好后，进行到单片对单片电池片上下主栅线焊接好后，进行到单片串接作业，工艺具体如下串接作业，工艺具体如下:模板选择模板选择1、对上道来料进行互捡，将电池片放入工作台指定位、对上道来料进行互捡，将电池片放入工作台指定位置，选择模板。置，选择模板。2、电池片的焊接、电池片的焊接 将焊有焊带的单片电池正极向上，分散放入模板，将焊有焊带的单片电池正极向上，分散放入模板，焊带统一朝一个方向整齐地排列在串联模板上。焊带统一朝一个方向整齐地排列在串联模板上。用用电电烙烙铁铁依依次次从从右右到到左左焊焊接接电电池池串串组组。在在每每串串串串联联电电池池组组的的最最后后一一片片电电池池主主背背电电极极上上焊焊两两根根涂涂锡锡带带，并并露露出出锡锡带带尾尾。在在最最后后一一串串电电池池组组主主背背电电极极上上焊焊两两根根涂涂锡锡带带，不不露露出出锡锡带带尾尾，并并将将电电池池片片背背面面清清扫扫干干净。净。3、电池片的摆放、电池片的摆放 准备好干净的玻璃板，绒面朝上，在绒面上铺准备好干净的玻璃板，绒面朝上，在绒面上铺设设EVA并定位。按照图纸要求，将电池片串联组逐并定位。按照图纸要求，将电池片串联组逐条依次放在条依次放在EVA上。上。四、组件敷设与检验四、组件敷设与检验 单片串接结束后，进行到组件的敷设与检验工单片串接结束后，进行到组件的敷设与检验工艺，工艺具体如下：艺，工艺具体如下：1、电池组拼接、电池组拼接 在敷设台上用汇流条拼接各串电池组，并在引在敷设台上用汇流条拼接各串电池组，并在引出线部焊上汇流带。将拼接后多余的锡带修整干净。出线部焊上汇流带。将拼接后多余的锡带修整干净。2、EVA与与TPT的摆放的摆放 在电池组件上放第二层在电池组件上放第二层EVA膜，按图纸要求在膜，按图纸要求在EVA上找出接线盒的位置，并将组件正负极引出在上找出接线盒的位置，并将组件正负极引出在EVA上。在上。在EVA上放上放TPT膜，并按图纸要求在膜，并按图纸要求在TPT上上找出接线盒位置，在引出口将组件正负极引出在找出接线盒位置，在引出口将组件正负极引出在TPT上。并固定好上。并固定好TPT的位置。的位置。3、检验、检验 敷设好后打开光检验箱电源，用万用表检测组件敷设好后打开光检验箱电源，用万用表检测组件电性能、正负极连接是否正确等。做好检测记录，将组电性能、正负极连接是否正确等。做好检测记录，将组件放于周转车，流入下道工序。件放于周转车，流入下道工序。五、层压封装五、层压封装 层压是电池组件制作的最为关键工艺，务必层压是电池组件制作的最为关键工艺，务必小心谨慎。具体工艺如下：小心谨慎。具体工艺如下：1、参数设定、参数设定 打开层压机电源开关，按图纸设计要求进行打开层压机电源开关，按图纸设计要求进行调试。待参数达到要求后，打开层压机。调试。待参数达到要求后，打开层压机。2、来料检查、来料检查 对上道来料进行检查，将合格的电池组件居对上道来料进行检查，将合格的电池组件居中放在高温布上，在组件上轻轻将高温布盖好。中放在高温布上，在组件上轻轻将高温布盖好。3、层压、层压 层压机打自动挡，合上层压机盖，检查上下室层压机打自动挡，合上层压机盖，检查上下室真空状态。层压时间达到后，取出电池组件。真空状态。层压时间达到后，取出电池组件。4、检查、检查 对层压后的电池组件进行检查，并清理周边多对层压后的电池组件进行检查，并清理周边多余的余的EVA和和TPT。做好记录，流入下道工序。做好记录，流入下道工序。六、装框与装接线盒六、装框与装接线盒 层压封装后，进行到组件的装框与装接线盒，层压封装后，进行到组件的装框与装接线盒，具体工艺如下：具体工艺如下：1、铝合金准备、铝合金准备 按要求准备铝合金，在铝合金边框槽内打密封按要求准备铝合金，在铝合金边框槽内打密封硅胶，用角码将四根铝合金边框连接起来，将连接硅胶，用角码将四根铝合金边框连接起来，将连接好的铝合金框放到打框机上。好的铝合金框放到打框机上。2、装框、装框 将将组组件件放放到到打打框框机机上上，并并且且把把组组件件放放到到铝铝合合金金边边框框内内，开开启启启启动动装装置置把把铝铝合合金金边边框框压压紧紧并并在在组组件与铝合金边缘四周上密封硅胶。件与铝合金边缘四周上密封硅胶。3、装接线盒、装接线盒 按按图图纸纸要要求求准准备备接接线线盒盒，并并将将接接线线盒盒放放置置在在正正负负电电极极引引出出线线上上，将将引引出出的的正正负负电电极极放放置置在在接接线线盒的电极上，用电烙铁焊接好。盒的电极上，用电烙铁焊接好。七、成品终测七、成品终测 装装框框与与装装接接线线盒盒结结束束后后，应应对对相相应应的的电电池池组组件件检测，并记录其性能。具体工艺如下：检测，并记录其性能。具体工艺如下：1、检测准备工作、检测准备工作 检检测测之之前前，根根据据检检测测需需要要，设设定定环环境境温温度度，打打开测试仪电源开关，进入电脑测试程序。开测试仪电源开关，进入电脑测试程序。2、成品测试、成品测试 对对前前道道工工序序进进行行外外观观检检查查，合合格格后后进进行行成成品品测测试试。终终测测时时，记记录录测测试试数数据据，将将不不同同功功率率组组件件按按档档次分类并贴好标签次分类并贴好标签，流入下一道工序。，流入下一道工序。八、成品清洗八、成品清洗 在包装入库前，要对组件进行清洗，具体清洗在包装入库前，要对组件进行清洗，具体清洗工艺如下：工艺如下：1、检查工作、检查工作 将电池组件放在工作台上，检查上道工序的质量。将电池组件放在工作台上，检查上道工序的质量。2、清洗、清洗 将正面的硅胶与背面将正面的硅胶与背面TPT上的残余物清理干净。上的残余物清理干净。清洗后对组件进行自检。清洗后对组件进行自检。九、成品包装入库九、成品包装入库 检查上道工序的质量，准备包装纸箱，按照检查上道工序的质量，准备包装纸箱，按照组件玻璃面朝外放置，放置组件。最后，用胶带组件玻璃面朝外放置，放置组件。最后，用胶带封住纸箱四周，在制定位置贴条码、打上包带。封住纸箱四周，在制定位置贴条码、打上包带。半导体中的杂质和缺陷能级半导体中的杂质和缺陷能级 理想的晶体结构具有完美的晶格，实际应用的半导体理想的晶体结构具有完美的晶格，实际应用的半导体材料总是会出现各种破坏晶格完美性的现象。首先，原子材料总是会出现各种破坏晶格完美性的现象。首先，原子并不是在晶格的格点静止不动，而是在其平衡位置附近振并不是在晶格的格点静止不动，而是在其平衡位置附近振动；其次，半导体材料并不是纯净的，总是本来就含有杂动；其次，半导体材料并不是纯净的，总是本来就含有杂质或为控制半导体材料性质人为掺入杂质；另外实际的半质或为控制半导体材料性质人为掺入杂质；另外实际的半导体材料中有些原子组成晶格时没有按规则排列，形成各导体材料中有些原子组成晶格时没有按规则排列，形成各种缺陷，如点缺陷、线缺陷和面缺陷。种缺陷，如点缺陷、线缺陷和面缺陷。杂质和缺陷的存在破坏了严格按周期性有规则排列的杂质和缺陷的存在破坏了严格按周期性有规则排列的原子所产生的周期性势场，有可能在禁带中引入允许电子原子所产生的周期性势场，有可能在禁带中引入允许电子占据的能级，对半导体材料的性质有非常大的影响。占据的能级，对半导体材料的性质有非常大的影响。(一）一）施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级 以硅中掺入以硅中掺入族元素，如以掺入磷为例。每个硅原子族元素，如以掺入磷为例。每个硅原子有四个价电子，原子和原子之间以共价键方式结合。磷原有四个价电子，原子和原子之间以共价键方式结合。磷原子进入半导体硅后，以替位的形式存在，占据硅原子的位子进入半导体硅后，以替位的形式存在，占据硅原子的位置。磷原子有五个价电子，其中四个价电子与周围四个硅置。磷原子有五个价电子，其中四个价电子与周围四个硅原子的四个价电子组成四个共价键，还剩一个价电子弱束原子的四个价电子组成四个共价键，还剩一个价电子弱束缚在磷原子核的周围，一旦接受能量，这个价电子很容易缚在磷原子核的周围，一旦接受能量，这个价电子很容易挣脱原子核的束缚，挣脱原子核的束缚，从而可以在整个晶体中运动，成为导电电子，磷原子失去电子从而可以在整个晶体中运动，成为导电电子，磷原子失去电子后成为带正电的磷离子，称为正电中心，正电中心是不能移动后成为带正电的磷离子，称为正电中心，正电中心是不能移动的。上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为施的。上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为施主电离，电离过程所需的最小能量就是它的电离能。主电离，电离过程所需的最小能量就是它的电离能。族杂质族杂质在硅中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，在硅中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或型杂质。称它们为施主杂质或型杂质。用能带图表示就是，掺入的磷在能带中形成施主能用能带图表示就是，掺入的磷在能带中形成施主能级，此能级位于禁带中间，称为杂质能级。当电子得到级，此能级位于禁带中间，称为杂质能级。当电子得到能量后，就从施主能级上跃迁到导带成为导电电子，所能量后，就从施主能级上跃迁到导带成为导电电子，所以施主能级位于离导带底的下方处。以施主能级位于离导带底的下方处。（二）受主杂质、受主能级（二）受主杂质、受主能级 以以硅硅中中掺掺入入族族元元素素，如如掺掺入入硼硼为为例例。硼硼原原子子进进入入半半导导体体硅硅后后，也也是是以以替替位位的的形形式式存存在在，占占据据硅硅原原子子的的位位置置。硼硼原原子子有有三三个个价价电电子子，当当它它与与周周围围四四个个硅硅原原子子形形成成共共价价键键时时，还还缺缺少少一一个个价价电电子子，只只好好从从别别处处的的硅硅原原子子中中夺夺取取一一个个价价电电子子来来形形成成共共价价键键，于于是是会会在在硅硅晶晶体体的的共共价价键键中中产产生生一一个个空空穴穴。而而硼硼原原子子在在接接受受一一个个电电子子后后，成成为为带带负负电电的的硼硼离离子子，称称为为负电中心，负电中心也是不能移动的。负电中心，负电中心也是不能移动的。空空穴穴由由于于静静电电引引力力作作用用弱弱束束缚缚在在硼硼离离子子的的周周围围，一一旦旦接接受受能能量量，空空穴穴就就很很容容易易挣挣脱脱硼硼离离子子的的束束缚缚，从从而而可可以以在在整整个个晶晶体体中中运运动动，成成为为导导电电空空穴穴。上上述述空空穴穴脱脱离离杂杂质质的的束束缚缚成成为为导导电电空空穴穴的的过过程程称称为为受受主主电电离离。掺掺入入的的杂杂质质电电离离时时能能够够使使价价带带中中的的导导电电空空穴穴增增多多，称称它们为受主杂质或型杂质。它们为受主杂质或型杂质。用能带图表示就是，掺入的硼在能带中形成用能带图表示就是，掺入的硼在能带中形成施主能级施主能级，这，这个能级也位于禁带中间，同样是杂质能级。当空穴得到能个能级也位于禁带中间，同样是杂质能级。当空穴得到能量后，就从受主能级上跃迁到价带成为导电空穴，所以受量后，就从受主能级上跃迁到价带成为导电空穴，所以受主能级位于离价带顶的上方处。主能级位于离价带顶的上方处。1、深能级杂质、深能级、深能级杂质、深能级 在在半半导导体体硅硅中中掺掺入入、族族杂杂质质后后在在禁禁带带中中形形成成浅浅能能级级，其其他他各各族族元元素素掺掺入入硅硅后后也也会会在在硅硅中中形形成成能能级级。如如果果产产生生的的施施主主杂杂质质能能级级距距离离导导带带底底较较远远、受受主主杂杂质质能能级级距距离离价价带带顶顶较较远远，即即靠靠近近禁禁带带中中心心，这这些些能能级级称称为为深深能能级级，相相应应的的杂杂质质称称为为深深能能级级杂杂质质。室室温温下下深深能能级级杂杂质质基基本本不不电电离离，而而如如果果电电离离时时能能够够产产生生多多次次电电离离，在在禁禁带带中中引引入入多多个个能能级级，这这些些能能级级可可能能是是施施主主能能级级，也也可可能能是是受受主能级，还可能同时引入施主能级和受主能级。主能级，还可能同时引入施主能级和受主能级。深深能能级级杂杂质质含含量量一一般般极极少少，而而且且较较深深，它它们们对对半半导导体体材材料料的的电电子子和和空空穴穴浓浓度度影影响响没没有有浅浅能能级级杂杂质质显显著著，但但它它们们对对电电子子和和空空穴穴的的复复合合作作用用比比浅浅能能级级杂杂质质强强，可可以以成成为为有有效效的的电电子子和和空空穴穴的的复复合合中中心心，影影响响非非平平衡衡少数载流子的寿命。少数载流子的寿命。2、缺陷、缺陷能级、缺陷、缺陷能级 理理想想的的晶晶体体是是原原子子有有规规则则地地周周期期性性重重复复排排列列的的完完美美晶晶体体，没没有有杂杂质质和和缺缺陷陷。实实际际的的晶晶体体中中存存在在各各种种破破坏坏晶晶体体完完美美性性的的现现象象，如如点点缺缺陷陷、线线缺缺陷陷和和面面缺缺陷陷。这些缺陷也可能在禁带中引入相应能级，即这些缺陷也可能在禁带中引入相应能级，即缺陷能级。缺陷能级。这这些些缺缺陷陷能能级级和和杂杂质质引引入入的的深深能能级级一一样样，会会影影响响少少数数载载流流子子的的寿寿命命。对对于于太太阳阳能能光光电电材材料料而而言言，则则会会影影响响太太阳阳能能光光电电转转换换效效率率。因因此此，太太阳阳能能光光电电材材料料不不仅仅需需要要尽尽量量提提高高纯纯度度，减减少少杂杂质质能能级级，而而且且需需要要晶晶体体结结构构尽尽量量完整，减少晶体缺陷，从而提高太阳能光电转换效率。完整，减少晶体缺陷，从而提高太阳能光电转换效率。统计规律：统计规律：在涉及粒子数目非常多时，我们感兴趣的只是这些粒在涉及粒子数目非常多时，我们感兴趣的只是这些粒子作为一个整体的统计学状态，而不是其中某一个粒子的子作为一个整体的统计学状态，而不是其中某一个粒子的状态。粒子的统计特征可以用粒子所遵循的统计规律来描状态。粒子的统计特征可以用粒子所遵循的统计规律来描述。在假设粒子之间不存在相互作用的前提下，通常有三述。在假设粒子之间不存在相互作用的前提下，通常有三种分布函数用来确定粒子在有效能态中的分布规律。种分布函数用来确定粒子在有效能态中的分布规律。麦麦克克斯斯韦韦-波波耳耳兹兹曼曼分分布布函函数数。这这种种分分布布认认为为粒粒子子是是可可以以被被一一一一区区分分开开的的，而而且且对对每每个个能能态态所所能能容容纳纳的的粒粒子数没有限制。分布函数为子数没有限制。分布函数为玻玻色色-爱爱因因斯斯坦坦分分布布函函数数。这这种种分分布布认认为为粒粒子子是是全全同同粒粒子子，不不能能被被一一一一区区分分开开，不不过过每每个个能能态态所能容纳的粒子数没有限制。分布函数为所能容纳的粒子数没有限制。分布函数为 费米费米-狄拉克分布函数。这种分布也认为粒子是全狄拉克分布函数。这种分布也认为粒子是全同粒子，不能被一一区分开，而且每个量子态中只同粒子，不能被一一区分开，而且每个量子态中只允许容纳一个粒子。分布函数为允许容纳一个粒子。分布函数为 是是电电子子的的费费米米分分布布函函数数，它它描描述述的的是是热热平平衡衡状状态态下下电电子子在在允允许许的的量量子子态态上上分分布布规规律律的的统统计计分分布布函函数数，也也可可以以用用来来表表示示被被电电子子填填充充的的量量子子态态占占总总量量子子态态的的比比率率。只只要要知知道道了了费费米米能能级级的的数数值值，在在一一定定温温度度下，电子各量子态上的统计分布就完全确定了。下，电子各量子态上的统计分布就完全确定了。费米能级：费米能级：就就一一个个由由费费米米子子组组成成的的微微观观体体系系而而言言，每每个个费费米米子子都都处处在在各各自自的的量量子子能能态态上上。费费米米子子按按照照一一定定的的规规则则（例例如如泡泡利利原原理理等等）填填充充在在各各个个可可供供占占据据的的量量子子能能态态上上，并并且且这这种种填填充充过过程程中中每每个个费费米米子子都都占占据据最最低低的的可可供供占占据据的的量量子子态态。最最后后一一个个费费米米子子占占据据着着的的量量子子态态即即可可粗粗略略理理解解为费米为费米能级能级。虽然严格来说，费米能级等于费米子系统在趋于虽然严格来说，费米能级等于费米子系统在趋于绝对零度绝对零度时的时的化学势化学势；但是在半导体物理和电子学领；但是在半导体物理和电子学领域中，费米能级则经常被当做电子或空穴化学势的代域中，费米能级则经常被当做电子或空穴化学势的代名词。一般来说，名词。一般来说，“费米能级费米能级”这个术语所代表的含这个术语所代表的含义可以从上下语境中判断。义可以从上下语境中判断。绝对零度下，电子占据的最高能级就是绝对零度下，电子占据的最高能级就是费米能级费米能级。费米子可以是费米子可以是电子、质子、中子电子、质子、中子 玻色子有：玻色子有：光子光子和量子化的晶格振动即和量子化的晶格振动即声子声子。费费米米能能级级在在半半导导体体物物理理中中是是个个很很重重要要的的物物理理参参数数，只只要要知知道道了了他他的的数数值值，在在一一定定温温度度下下，电电子子在在各各量量子子态态上上的的统统计计分分布布就就完完全全确确定定了了。它它和和温温度度，半半导导体体材材料料的的导电类型，导电类型，杂质杂质的含量以及能量零点的选取有关。的含量以及能量零点的选取有关。将将半半导导体体中中大大量量电电子子的的集集体体看看成成一一个个热热力力学学系系统统，可可以以证证明明处处于于热热平平衡衡状状态态下下的的电电子子系系统统有有统统一一的的费费米米能能级。级。如如果果费费米米能能级级位位置置较较高高，说说明明能能量量较较高高的的量量子子态态上上有有较较多多的的电电子子占占据据，因因此此可可以以说说，费费米米能能级级是是电电子子填填充充能能级级水平高低的标志。水平高低的标志。如果把电子系统看作一个热力学系统，费米能级实际如果把电子系统看作一个热力学系统，费米能级实际上就是电子系统的化学势上就是电子系统的化学势，它是平衡系统的热力学参数。，它是平衡系统的热力学参数。在包括导带、价带、施主和受主的整个电子系统处于热平在包括导带、价带、施主和受主的整个电子系统处于热平衡状态时，系统应该有统一的化学势，所以处于热平衡状衡状态时，系统应该有统一的化学势，所以处于热平衡状态的电子系统有统一的费米能级。如果系统中子系统各具态的电子系统有统一的费米能级。如果系统中子系统各具有自己的化学势且彼此不相等时，这是一个准平衡状态。有自己的化学势且彼此不相等时，这是一个准平衡状态。这时包括各子系在内的整个系统的自由能并未达到最低值，这时包括各子系在内的整个系统的自由能并未达到最低值，系统并未达到平衡（平衡时要求系统的自由能最低）。系系统并未达到平衡（平衡时要求系统的自由能最低）。系统达到平衡的过程就是电子由化学势高的子系向化学势低统达到平衡的过程就是电子由化学势高的子系向化学势低的子系转移的过程，平衡时各子系统的化学势相等，的子系转移的过程，平衡时各子系统的化学势相等，即系即系统具有统一的费米能级。这个结论非常重要，统具有统一的费米能级。这个结论非常重要，对于处于准对于处于准平衡的各子系来说，子系统的准费米能级的差异是电子在平衡的各子系来说，子系统的准费米能级的差异是电子在子系间转移的动力，电子的转移一直要到系统有统一的费子系间转移的动力，电子的转移一直要到系统有统一的费米能级才会停止。米能级才会停止。