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第1章硅單質(zhì)及化學(xué)物的性質(zhì)萍鄉(xiāng)高等專(zhuān)科學(xué)校10光伏10366010
陳龍龍第1章萍鄉(xiāng)高等專(zhuān)科學(xué)校11.1硅元素1.2硅單質(zhì)及其性質(zhì)1.2.1硅的物理性質(zhì)1.2.2硅的化學(xué)性質(zhì)1.2.3硅的分類(lèi)硅的用途硅的生長(zhǎng)方法1.3硅化合物及其性質(zhì)1.3.1二氧化硅1.3.2一氧化硅1.3.3硅的鹵化物1.3.4硅烷1.4太陽(yáng)電池的發(fā)展目錄1.1硅元素1.2硅單質(zhì)及其性質(zhì)1.2.1硅的物理性質(zhì)1.22硅單質(zhì)及其化合物性質(zhì)ppt課件3硅元素原子序數(shù)14,在自然界有三種同位素分別為質(zhì)子數(shù)為28,29,30的原子。所占比例分別為92.23%,4.67%,3.10%,硅的原子量為28.025。硅元素在元素周期表第三周期IVA族,價(jià)電子數(shù)目與價(jià)電子軌道數(shù)相等,被稱(chēng)為等電子原子,電負(fù)性為1.90,原子的共價(jià)半徑為117pm,硅主要氧化數(shù)為+4和+2。硅在地殼中的豐度為25.90%,僅次于氧,硅的含量在所有元素中居第二位,硅在自然界主要以氧化物形式(如硅酸鹽礦石和石英砂)存在,不存在單質(zhì)。1.1硅元素硅元素原子序數(shù)14,在自然界有三種同位素分別為1.1硅元41.2貴單質(zhì)及其性質(zhì)1.2.1硅的物理性質(zhì)
硅晶體是原子晶體,是深灰色而帶有金屬光澤的晶體,它的熔點(diǎn)為1420℃,沸點(diǎn)為2355℃,莫氏硬度為6.5。硅晶體為脆性,密度為2.329克每立方厘米,比熱為0.7J/(g.K)。硅晶體形成過(guò)程是硅原子中的價(jià)電子進(jìn)行雜化,形成四個(gè)雜化軌道,相鄰硅原子的雜化軌道相互重疊,以共價(jià)鍵結(jié)合,形成硅晶體。在常壓下硅晶體具有金剛石型結(jié)構(gòu)。硅單質(zhì)是半導(dǎo)體,介于導(dǎo)體與絕緣體之間。硅晶體的共價(jià)鍵中電子在正常情況下是束縛在成鍵兩原子周?chē)?,它們不?huì)參與導(dǎo)電。因此在絕對(duì)溫度零度(T=0K)和無(wú)外界激發(fā)的條件下,硅晶體沒(méi)有自由電子存在。硅的電導(dǎo)率對(duì)外界因素(如光、熱、磁等)高度敏感。室溫下硅無(wú)延展性,屬脆性材料。但在溫度高于700℃時(shí)的硅具有熱塑性,在應(yīng)力作用下會(huì)呈現(xiàn)塑性形變,其內(nèi)部存在的位錯(cuò)才開(kāi)始移動(dòng)或攀移。1.2貴單質(zhì)及其性質(zhì)1.2.1硅的物理性質(zhì)5硅單質(zhì)及其化合物性質(zhì)ppt課件61.2.2硅的化學(xué)性質(zhì)硅單質(zhì)在常溫下化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定,但在高溫下,硅幾乎與所有物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。硅容易同氧、氮物質(zhì)發(fā)生作用,硅材料的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)就是硅表面很容易氧化,形成結(jié)構(gòu)高度穩(wěn)定的二氧化硅氧化層。它可以在400℃與氧發(fā)生反應(yīng),在1000℃與氮進(jìn)行反應(yīng)。硅在300℃與氯發(fā)生反應(yīng)。在2273-2773K時(shí)硅能與碳反應(yīng)。在1673K與氨反應(yīng):在高溫下硅能與一些氧化物反應(yīng),如在1400℃以上能與二氧化硅反應(yīng):
在1000℃能與水蒸汽反應(yīng):在常溫下硅對(duì)多數(shù)酸是穩(wěn)定的,硅不溶于鹽酸、硫酸、硝酸、氫氟酸及王水。但硅卻很容易被HF-HNO3混合液所溶解。因而,通常使用此類(lèi)混合酸作為硅的腐蝕液。1.2.2硅的化學(xué)性質(zhì)7硅的一些化學(xué)方程式:Si+SiO2=2SiO高溫Si+2F2=SiF4Si+4HF=SiF4↑+2H2↑Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑硅的一些化學(xué)方程式:Si+SiO2=2SiO高溫Si+281.2.3硅的分類(lèi)及應(yīng)用
硅根據(jù)其雜質(zhì)含量分為粗硅和高純硅。粗硅的純度約為95%-99%,又稱(chēng)為冶金級(jí)硅,其中含有各種雜質(zhì),如Fe、C、B、P等。主要用于鋁硅合金(如作汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī))。用來(lái)制備硅氧烷和有機(jī)硅化學(xué)品的也是這種規(guī)格?!耙苯鸸琛钡钠渌猛具€包括煉鋼、高溫合金、銅合金和電接觸材料,還是高純硅的原料。高純硅一般要求純度達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后面6個(gè)“9”至8個(gè)“9”的范圍,一般用作半導(dǎo)體和太陽(yáng)能電池。根據(jù)高純硅摻入雜質(zhì)不同又分為P型硅半導(dǎo)體和N型硅半導(dǎo)體。高純硅根據(jù)晶型的不同又分為單晶硅、多晶硅和無(wú)定形硅。高純硅根據(jù)用途不同可分為電子級(jí)硅和太陽(yáng)能級(jí)硅。硅含量為99.9999%(6個(gè)9)的為太陽(yáng)能級(jí)硅(SG),主要用于太陽(yáng)能電池芯片的生產(chǎn)制造。純度在99.999999999%(11個(gè)9)的為電子級(jí)硅(EG),主要用于半導(dǎo)體芯片制造。經(jīng)過(guò)研究,人們發(fā)現(xiàn),金屬鉭、鉬、鈮、鈦、釩等即使在硅中含量極微,也會(huì)對(duì)電池的效率產(chǎn)生影響。,也不會(huì)對(duì)電池的轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生明顯影響,這就比對(duì)半導(dǎo)體級(jí)硅的要求放寬了100倍,因而人們可以嘗試用成本較低的方法來(lái)制造太陽(yáng)能電池級(jí)硅材料。1.2.3硅的分類(lèi)及應(yīng)用9
硅材料科學(xué)與技術(shù)的卓有成效的發(fā)展在20世紀(jì)世界材料科學(xué)領(lǐng)域中無(wú)可非議地占據(jù)了極為重要的地位。1948年發(fā)明的半導(dǎo)體晶體管,導(dǎo)致電子設(shè)備小型、輕量、節(jié)能、低成本,并提高設(shè)備可靠性及壽命;1958年出現(xiàn)的集成電路,使計(jì)算機(jī)及各種電子設(shè)備發(fā)生一次飛躍。進(jìn)入20世紀(jì)90年代,集成電路的集成度進(jìn)一步提高到微米、亞微米以及深亞微米水平。下面簡(jiǎn)單介紹高純硅的主要用途:硅的用途硅的用途10①整流器按容量分兩類(lèi):大容量電力用整流器和小容量整流器。大容量的用于電氣鐵道、電化學(xué)及電冶金工業(yè)、機(jī)械制造工業(yè),代替直流電源---直流發(fā)電機(jī)、水銀整流器、硒整流器等。小容量整流器且用于電報(bào)接收機(jī)、收音機(jī)、通訊沒(méi)備及其他電氣儀器的直流電供電裝置,用以代替硒整流器與真空管。②二極管晶體二極管即能整流又能檢波??煞譃辄c(diǎn)接觸型和面結(jié)型晶體二極管。定電壓二極管用電氣測(cè)定儀器、電子計(jì)算機(jī)、載波裝置及其他電子儀器中的定電壓回路中。其它二極管,用于微波通訊裝置、雷達(dá)及其它無(wú)線電設(shè)備等。③三極管有信號(hào)放大和開(kāi)關(guān)作用。與二極管通常稱(chēng)為小功率器件。④集成電路這是將成千上萬(wàn)個(gè)分立的晶體管、電阻、電容等元件,采用掩蔽、光刻、擴(kuò)散等工藝,把它們集成在一個(gè)或幾個(gè)很小的硅晶片上集結(jié)成一個(gè)或幾個(gè)完整的電路。微機(jī)的出現(xiàn)就是集成電路發(fā)展的結(jié)果,隨著集成電路的不斷發(fā)展,我們的微型計(jì)算機(jī)可以體積更小、速度更快、功能更強(qiáng)大。⑤原子能方面應(yīng)用原子能電池與太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)一樣,可以把原子堆廢料中放出的射線轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。容量小,效率低,但壽命和效率在幾年?nèi)不會(huì)降低。⑥硅可以作成紅外探測(cè)器,廣泛用于照相機(jī)、人造衛(wèi)星、火箭和紅外強(qiáng)聚焦等設(shè)備上。⑦光電池利用硅材料可以把光能轉(zhuǎn)化成電能。尤其是把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能,常用的是光伏發(fā)電。①整流器按容量分兩類(lèi):大容量電力用整流器和小容量整流器。11電子集流器太陽(yáng)能電池板光導(dǎo)纖維電子集流器太陽(yáng)能電池板光導(dǎo)纖維12硅的生長(zhǎng)方法直拉法區(qū)域融化法布里奇曼法枝蔓生長(zhǎng)法氣相沉積生長(zhǎng)發(fā)硅的生長(zhǎng)方法直拉法131.3硅化合物及其性質(zhì)1、二氧化硅二氧化硅是制造冶金硅的主要原料之一,SiO2的同質(zhì)多晶變體很多,其中最常見(jiàn)的、在地球上分布最廣的是低溫石英,即β-石英,一般稱(chēng)為石英。而高溫石英(α-石英)則少見(jiàn),SiO2的高溫變體(鱗石英、方石英等)在自然界少見(jiàn),而多存在于人造硅酸鹽制品中。石英是分布很廣的礦物。在地殼中石英成分占百分之十二,僅次于長(zhǎng)石。純凈的石英又稱(chēng)為水晶,它是一種堅(jiān)硬、脆性、難溶的無(wú)色透明的固體。1.3硅化合物及其性質(zhì)14硅單質(zhì)及其化合物性質(zhì)ppt課件15硅單質(zhì)及其化合物性質(zhì)ppt課件161、藥用二氧化硅:主要用作潤(rùn)滑劑、抗粘劑、助流劑.
2、食品、飲料用二氧化硅:流動(dòng)助劑、抗結(jié)塊性能。3、橡膠用二氧化硅:消除內(nèi)張力、分層和開(kāi)裂現(xiàn)象.
4、油漆、涂料用二氧化硅:控制流變、防亮光、抗流掛、抗紫外線、防沉降、提高耐腐蝕性。
5、造紙用二氧化硅:吸墨速度快、白度高、打印圖象清晰、鮮艷。
6、模具用二氧化硅:具有優(yōu)異分散性、相溶性、高透明性、高白度。7、還生產(chǎn)其他二氧化硅用于石油、食用油脫色劑、牙膏研磨劑、皮革專(zhuān)用消光劑等。
二氧化硅的作用1、藥用二氧化硅:主要用作潤(rùn)滑劑、抗粘劑、助流劑.
2、食品17二氧化硅在自然界中的存在形態(tài)石英水晶瑪瑙二氧化硅在自然界中的存在形態(tài)石英水晶瑪瑙182、一氧化硅SiO
硅和二氧化硅的均勻混合物在低壓下加熱到1450K以上,生成揮發(fā)性物質(zhì)一氧化硅。但對(duì)一氧化硅的固態(tài)形式是否存在還有爭(zhēng)論,實(shí)驗(yàn)資料表明一氧化硅在1470K以下是熱力學(xué)不穩(wěn)定比,它按等摩爾比生成硅石和硅歧化回來(lái)。
2、一氧化硅SiO19
3、硅的鹵化物
硅的鹵化物都是無(wú)色的,常溫下SiF4是氣體,SiCl4和SiBr4是液體,SiI4是固體。硅的鹵化物都是共價(jià)化合物,熔點(diǎn)、沸點(diǎn)都比較低,氟化物、氯化物的揮發(fā)性更大,易于用蒸餾的方法提純它們,常被用作制備其它含硅化合物的原料,SiF4是無(wú)色而有刺激性氣味的氣體,由于它在水中強(qiáng)烈水解,因而在潮濕的空氣中會(huì)發(fā)煙,無(wú)水的SiF4很穩(wěn)定。通常制備SiF4是用螢石粉和石英砂的混合物與濃硫酸加熱,常溫下,SiCl4是無(wú)色而有刺鼻氣味的液體。分子量169.90,蒸汽壓55.99kPa(37.8℃)。熔點(diǎn)-70℃,沸點(diǎn)57.6℃??苫烊苡诒健⒙确?、石油醚等多數(shù)有SiCl4易水解,因而在潮濕空氣中與水蒸氣發(fā)生水解作用會(huì)產(chǎn)生煙霧,可以吸入、食入、經(jīng)皮吸收,對(duì)眼睛及上呼吸道有強(qiáng)烈刺激作用。高濃度可引起角膜混濁,呼吸道炎癥,甚至肺水腫。皮膚接觸后可引起組織壞死。在氯氣氣流內(nèi)加熱硅(或SiO2和焦碳的混合物)可生成SiCl4,SiBr4和SiI4在水中也易水解。3、硅的鹵化物204、三氯氫硅三氯氫硅是無(wú)色透明液體,熔點(diǎn)-128℃,沸點(diǎn)31.5℃。三氯氫硅由硅粉與氯化氫合成而得?;瘜W(xué)方程式為:Si+3HCl=SiHCl3+H2上述反應(yīng)要加熱到所需溫度才能進(jìn)行,反應(yīng)是放熱反應(yīng)。反應(yīng)除了生成三氯氫硅外,有四氯化硅或SiH2Cl2等氯硅烷以及其他雜質(zhì)氯化物。也可以在高溫高壓下用氫還原四氯硅生成三氯氫硅:SiCl4+H2→SiHCl3+HCl。但該反應(yīng)的一次轉(zhuǎn)化率低。三氯氫硅能在1100-1200℃被氫還原為單質(zhì)硅,其反應(yīng)方程式為:SiHCl3+H2=Si+3HCl4、三氯氫硅215、硅烷
硅和碳一樣能和氫生成一系列氫化物,但硅與氫不能生成與烯烴、炔烴類(lèi)似的不飽和化合物,所以硅的氫化物又稱(chēng)為硅烷。硅烷的通式可以寫(xiě)作SinH2n+2,硅烷的結(jié)構(gòu)與烷烴相似。迄今為止,已制得的硅烷也只有二十幾種。最重要和最簡(jiǎn)單的硅烷是甲硅烷。由于硅和氫不能直接作用生成甲硅烷,我們只能用間接法制備。在所得產(chǎn)物中有不到一半的甲硅烷,其余為高級(jí)硅烷和氫氣。80年代美國(guó)聯(lián)合碳化物公司成功采用催化劑,使氯硅烷產(chǎn)生歧化反應(yīng)生成甲硅烷:該法大大降低了甲硅烷的制備成本,已進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。甲硅烷是無(wú)色、無(wú)臭的氣體。熔點(diǎn)-185℃,沸點(diǎn)-111.8℃。硅烷都是共價(jià)型化合物,能溶于有機(jī)溶劑。甲硅烷比甲烷的化學(xué)性質(zhì)更活潑。甲烷在常溫下不會(huì)與氧氣反應(yīng),而甲硅烷在空氣中能自燃生成二氧化硅和水甲硅烷有強(qiáng)的還原性,可將高錳酸鉀還原成二氧化錳:甲硅烷對(duì)堿十分敏感,溶液有微量的堿便可以引起甲硅烷迅速水解,生成硅酸和氫。甲硅烷的熱穩(wěn)定性差,在高溫下會(huì)分解為硅和氫甲硅烷的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓為正值,反應(yīng)是放熱的。SiH4被大量地用于制高純硅。硅的純度越高,大規(guī)模集成電路的性能就越好。
5、硅烷能溶于有機(jī)溶劑。甲硅烷比甲烷的化學(xué)性質(zhì)更活潑。甲221.4太陽(yáng)能級(jí)硅材料發(fā)展前景今后光伏產(chǎn)業(yè)將迅猛增長(zhǎng),對(duì)多晶硅的需求將超過(guò)電子工業(yè)。光伏產(chǎn)業(yè)是拉動(dòng)多晶硅生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿??;Y源日漸匱乏、原油價(jià)格持續(xù)上漲促進(jìn)行業(yè)快速增長(zhǎng)。根據(jù)“哈伯特峰值”理論,石油開(kāi)采接近全球產(chǎn)量?jī)?chǔ)備一半后產(chǎn)量將逐年下降,替代能源開(kāi)發(fā)成為趨勢(shì);油價(jià)高引發(fā)各政府對(duì)可再生能源的重視,采用補(bǔ)貼方式致使近年光伏行業(yè)發(fā)展復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)45%以上。光伏市場(chǎng)未來(lái)5年復(fù)合增長(zhǎng)率至少超過(guò)30%。EPIA根據(jù)現(xiàn)有各國(guó)政策驅(qū)動(dòng),預(yù)計(jì)未來(lái)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)能源局副處長(zhǎng)周篁指出,據(jù)國(guó)務(wù)院發(fā)布的可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃顯示,預(yù)計(jì)20
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