光伏材料知识点.doc

小题：1.晶体分类：离子晶体，共价晶体，分子晶体，金属晶体。2.共价键特点：饱和性和方向性。3.硅属于间接能隙半导体。4.半导体分为本证半导体和杂质半导体，杂质填充方式有间隙和替位。5.P-N结正反向接法（辨别即可）6. 晶向：晶列取向，通常用晶向指数来描述。晶胞中任取一格点作为原点，则任一格点位矢R=ma+nb+pc，那么该晶列晶向指数可表示为m n p。7.晶面：晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面。平行的晶面组成晶面族 密勒指数来描述晶面的方向。任选一格点为原点，以晶胞基矢a,b,c为坐标轴，晶面在坐标轴上截距r,s,t的倒数比即为密勒指数，表示为（hkl）。 8. 峰瓦数：比如，一个1m2、转换效率为18%的太阳电池，在赤道附近它的输出功率为180Wp（1000W/m21m218%）9. 太阳级多晶硅原料制备流程：冶金级多晶硅制造，SiHCl3制造与纯化，SiHCl3氢气还原。10. 直拉（CZ）法单晶硅制造流程 ：加料、熔化；熔接；缩颈生长；放肩生长；等晶生长；收尾生长。11. 直拉（CZ）法单晶硅制造中碳，氧杂质分布情况：K1,意味着杂质在晶体中的浓度始终小于在熔体中的浓度，也就导致随着晶体生长杂质含量越来越多。例如：碳杂质K=0.07 K1,意味着杂质在晶体中的浓度始终大于在熔体中的浓度，也就导致随着晶体生长杂质含量越来越少。例如：氧杂质K=1.27 (换言之，就是氧杂质头部多尾部少，碳杂质头部少尾部多。)12. 磷硅玻璃成份：，13. 表面制绒：硅材料制绒方法可分为干法和湿法。干法有机械刻槽，反应离子刻蚀，光刻等。湿法是传统的刻蚀方法，又被称为化学腐蚀法。1)单晶硅碱制绒(碱制绒腐蚀液:NaOH和IPA NaOH，IPA，NaSiO3 NaOH，乙醇)2)多晶硅酸制绒(酸制绒腐蚀液：HNO3，HF，HNO3作为氧化剂，HF是络合剂)14.减反射膜：减反射膜光学厚度为1/4入射光波长，折射率为外界介质与硅片折射率乘积的平方根。减反射膜材料的选择标准：减反射膜厚度及折射率是减反射膜制备的两个重要参数，除此之外，还需要考虑其他一些问题 ：减反射膜对光的吸收要小；物理化学稳定性；制备工艺难易及成本。15.电池片丝网印刷的三步骤:背电极印刷及烘干（浆料：Ag /Al浆 ）；背电场印刷及烘干（浆料：Al浆）；正面电极印刷及烘干（浆料：Ag浆）。简答：1. 什么叫太阳能电池，优缺点？优点：普遍，安全，资源丰富，无污染。缺点：1）太阳能受气候、天气、昼夜甚至时间的影响较大。在太阳能资源贫乏地区不易推广太阳能利用。2）太阳能发电为直流电，在转变交流电时候会产生能量损失，而且要增加其他配套装置。这些因素都导致太阳能发电成本增加。3）由于太阳电池发电密度低，如果想产生相当量的能量必须要大面积安装。安装位置的选择以及视觉冲击都是一个需解决的问题。2. 太阳电池表征参数短路电流：通过导线把电池的阴阳极直接相连，此时流过导线的电流即为短路电流，用ISC表示 。开路电压 ：太阳电池阴阳极两端无导线相连，光生载流子只能聚集在P-N结两端产生光生电动势，这时在电池两端测量所得电势差即为开路电压，用VOC表示最大输出功率：Pm=VmIm 填充因子 ：衡量太阳电池整体性能的一个重要参数，代表太阳电池在最佳负载时能输出的最大功率的特性。转换效率：3. 单晶硅，多晶硅优缺点？单晶硅电池优缺点：优点：结晶完整，自由电子与空穴在内部移动不受限制，产生电子空穴复合几率低，太阳电池效率高。 缺点：将晶棒切割成晶柱的过程中，浪费一半的材料，成本高，价格昂贵。多晶硅电池优缺点：优点：通过较快速的方式让硅结晶，提升产出；减少切片时造成的浪费，生产成本大大降低。 缺点：由于多晶在结晶时速度较快，硅原子没有足够的时间形成单一晶格而形成许多颗粒，颗粒与颗粒间存在结晶边界，此结晶边界存在许多悬浮键，阻止自由电子移动或捕捉自己电子造成电流下降，效率因而降低。 此外结晶边界也聚集许多杂质，也使自由电子不易移动。 不完整的使硅原子与硅原子间的键结情况较差，容易因紫外线破坏化学键而产生悬浮键，随时间增加，悬浮键的数量会增加，造成光电转换效率逐渐衰退。4. 晶体结构？（这个不确定，参考）晶体长程有序性，非晶体短程有序性。晶体结构：晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式。单晶体、多晶体及准晶体。单晶体：整块晶体内原子排列规律完全一致的晶体；多晶体则是由许多取向不同的单晶体无规则的堆积而成；而准晶体是一种介于晶体和非晶体之间的固体，具有完全有序的结构，但不具有晶体平移周期性。晶体特征表现为：有固定的几何外形，有固定的熔点，具有各向异性的性能。5.太阳能电池工作原理光电效应指光照射到金属材料表面，金属内的自由电子吸收了光子的能量，脱离金属束缚，成为真空中自由电子。脱离金属束缚的自由电子在外加电压的作用下移动到金属阳极，形成光电流。光伏效应是指光照射到半导体P-N结上产生可输出功率的电势差的现象。 过程包括：电子吸收光子能量产生电子空穴对，内建电场作用下电子空穴对分离，电子空穴相向运动到端电极输送到负载 。光电流：漂移电流，扩散电流。太阳光照射到太阳电池表面时，光子透过抗反射膜，然后照射到N型硅表面，导带电子吸收光子能量跃迁成为自由电子。用导线将电池片正负极通过负载相连接，此时就会有光电流流过负载。6.电池片制备流程：1) 基材选择：基体材料:为单晶硅片或多晶硅片，基板一般是使用掺杂后的掺杂半导体。 2) 制绒：是指通过某种技术方法在电池表面制作出凸凹不平的形状，以达到太阳光线在表面的多次反射（至少两次），增强晶体硅表面的对光的吸收的技术。制绒增强了入射太阳光的利用率，提高了太阳电池的转化效率。制绒方法可分为干法和湿法，干法有机械刻槽，反应离子刻蚀，光刻等。湿法包括碱制绒，酸制绒。3） 扩散制P-N结：扩散可以分为两类：1）恒定表面源扩散，2）限定表面源扩散。4） 减反射膜制备5）丝网印刷：三步骤为背电极印刷及烘干； 背电场印刷及烘干；正面电极印刷及烘干。6）电池片组装。7.改良西门子法与西门子法异同及优缺点？ 改良西门子法采用闭环生产、尾气回收循环利用、SiCl4氢化工艺。西门子方法中反应排出H2和SiHCl3被回收利用，而SiCl4和HCl水溶液直接对外出售。第二代西门子生产流程将SiCl4实现了循环回收利用，通过与冶金级硅反应生成SiHCl3。改良西门子法利用活性炭吸附或者冷SiCl4溶解HCl法回收得到干燥HCl，因此，该HCl可以通过直接应用到SiHCl3的合成中。优点：（1）工艺成熟，经验丰富，产品质量高。（2）节能（3）降低物耗（4）减少污染。缺点：工艺流程长、投资大、技术要求严格、SiHCl3转化率低。大题：1.理论计算单晶硅电池转化效率？假设23%太阳光小于禁带宽度，剩下的中有43%以热能损失，其余太阳能量中载流子输出电压占对应电压的63.6%，理论计算单晶硅电池转化效率为（1-23%）*（1-43%）*63.6%=27.91%2.太阳能电池模型（以及串并联电阻由来）1）理想太阳电池 没有光照的情况下，太阳电池看做一个P-N结二极管，理想二极管电流电压关系：电流从P型半导体指向N型半导体。在光照的情况下，P-N结内会产生光电流，即光生电流 ，其方向由N型半导体指向P型半导体 。太阳电池电流电压关系可以表示为：2） 实际的太阳电池 必须考虑P-N结的品质和实际存在的串联电阻Rs和并联电阻 。串联电阻：半导体材料的体电阻、电极与半导体接触电阻，电极金属的电阻。并联电阻是由于P-N结漏电产生的，包括绕过电池边缘漏电和由于P-N结区域存在晶体缺陷和杂质所引起的内部漏电流。3） 太阳电池等效电路太阳电池可以看做一个恒流源与理想二极管的并联。在光照的时候，太阳电池产生一定的光生电流 ，其中一部分流过P-N结作为暗电流 ，另一部分为供给负载的电流3.太阳电池转换效率影响因素以及改进方法（1）半导体材料都对应一个确定的禁带宽度，禁带宽度的大小决定了吸收太阳光谱中某一范围的光。（2）除材料本身影响外，其他影响主要包括：光损失，少数载流子复合，串联、并联电阻，温度。1）光损失：反射损失 ，遮光损失，透光损失。2）载流子复合损失：分为体内复合，表面复合以及电极内复合。3）串并联电阻损失 ：太阳电池内电阻的存在会产生焦耳热损失。串联电阻以及漏电流的存在都会降低填充因子FF，而太阳电池转化效率正比于FF，所以串并联电阻对太阳电池转化效率有影响。研究发现，较大的串联电阻和较小的并联电阻还会分别造成Isc和Voc减小，加剧了转化效率降低 。4）温度对太阳电池转换效率影响：一般而言，随着温度的升高，太阳电池短路电流略有增加，但是其增加幅度要小于开路电压的减小。通常情况下，半导体材料禁带宽度随着温度的升高会出现减小的现象，禁带宽度的减小将由于与增加光的吸收 。太阳电池转换效率及填充因子随其工作环境温度的升高而减小。不同半导体材料太阳电池，转化效率对温度相应不同，即随温度升高转化效率降低不同。改进：选禁带宽度1.1-1.7ev，而且最好是直接禁带半导体； SiO2、TiO2及Si3N4其中Si3N4的使用可使反射光损失从30%降到10%； 表面织构化能使入射光线在其表面多次反射，从而增加了太阳电池对光的吸收； 使用微电极技术解决遮光损失，此外用点接触式方法把太阳电池正负电极全部放到背面也可； 把吸收较高能量光谱的电池片放在上层，吸收较低能量光谱的电池片放在下层来减小透光损失； 选择适当的掺杂浓度，提高晶体的纯度，减少缺陷和杂质来减少复合。在硅表面生长一层介质膜（SiO2，Si3N4）或氢原子钝化等来减少载流子在表面发生复合的几率。减少电极区复合可采用电极区掺杂浓度提高，降低少数载流子在电极区浓度，从而降低了在此区域复合的几率。4.表面制绒的目的，意义，分类，优缺点？意义：制绒技术被称为表面织构技术，是指通过某种技术方法在电池表面制作出凸凹不平的形状，以达到太阳光线在表面的多次反射，增强晶体硅表面的对光的吸收的技术。目的：制绒增强了入射太阳光的利用率，提高了太阳电池的转化效率。 分类：制绒方法可分为干法和湿法，干法有机械刻槽，反应离子刻蚀，光刻等。湿法包括单晶硅碱制绒，多晶硅酸制绒。优缺点：反应离子刻蚀能够精确控制刻蚀位置和深度，能够提供良好的织构表面；该方法生产速度慢、成本高，设备价格昂贵。光刻可以制备出更加规则的绒面结构，目前处于实验室阶段，没有实现商业应用。湿法是传统的刻蚀方法，该法设备简单、成本低而生产率高等优点，一直被广泛应用到商业太阳电池制绒工艺中。5.减反射膜的目的，意义以及减反射膜的条件？目的及意义：减少反射，增强晶体硅表面的对光的吸收。减反射膜的条件：完美单层减反射膜条件是：减反射膜光学厚度为1/4入射光波长，折射率为外界介质与硅片折射率乘积的平方根。6.能带理论分析导体、半导体及绝缘体导电差异。固体材料按其导电能力的差异可分为导体、半导体及绝缘体。导体的能带有三种结构：价带部分填满，价带为满带但与空带重叠，价带未填满且与空带重叠。绝缘体的价带是满带，而且价带与空带间有较大的禁带。半导体，能带结构与绝缘体很相似，但是其禁带宽度较小，约为0.1-2ev。7.碳氧杂质产生，去除？1）氧杂质产生：高温下石英坩埚壁会与熔化太阳级硅发生反应产生SiO，同时高温下石英坩埚也会发生脱氧反应：产生的氧原子绝大多数（98%）会以SiO的形式存在，少量的氧原子则溶于熔硅中。这是单晶硅棒中氧杂质的主要来源。SiO比较容易从熔硅表面挥发。挥发从来的SiO气体，会在较冷的炉壁作用下凝结成颗粒并附着在上面。随着凝结颗粒的增多，不可避免的会有少量SiO落入熔硅中。2）氧杂质去除：溶解在硅熔体中的氧传输包括对流和扩散，氧在硅中扩散系数很小，故氧主要通过对流来传输到硅单晶和熔硅界面或者自由表面的。除了利用Ar带走SiO来减少氧杂质外，降低坩埚的旋转速率和采用较大直径的坩埚也是降低氧杂质的途径。3）碳杂质产生：炉体的石墨元件（加热元件，坩埚，绝热元件）在高温下会和石英脱氧的氧原子反应产生CO，石墨元件会与一氧化硅气体反应产生碳化硅（SiC）颗粒和CO石墨元件也会与炉内其他气体（H2O，O2）反应生成CO，CO2 ，若CO、CO2溶入硅熔体中，即造成硅熔体的碳污染。4）碳杂质去除：减少碳污染的办法除了利用Ar带走上述气体外，另一方法通常是在石墨元件表面利用化学气相沉积的方法镀一层SiC。8.扩散分类（结合图形分析）？分类：扩散条件大致可以分为两类：1）恒定表面源扩散，2）限定表面源扩散（1）恒定表面源扩散恒定表面源扩散是指在整个扩散过程中，硅片表面浓度保持不变，在一定的扩散温度控制下，杂质原子从气相扩散到固相的硅片里而呈现一定的杂质分布。扩散到硅片中杂质总量Q可用分布区县N下面面积表示：杂质表面浓度与时间无关，与杂质种类和扩散温度有关；而扩散时间的不同，硅片内部杂质浓度不同，扩散深度不同；随扩散深度的增大杂质浓度减少；随扩散时间的增加，硅片内部浓度增大，曲线变得平缓，扩散杂质增多。当扩散杂质种类确定后，N0的差异主要与杂质在硅中的固溶度有关。固溶度是指杂质在一定温度下能够溶入固体硅中的最大浓度，因此，杂质在硅片中的杂质浓度有最大值。(2) 限定表面源扩散限定表面源扩散是指硅片表面具有一定的杂质源总量，再扩散过程中杂质含量不再变化， 因此，在扩散过程中随着扩散深度的增加，表面杂质浓度不断下降。限定表面源扩散过程是首先在硅表面产生一层薄的杂质层，然后在进行扩散。该方法能够很好的控制扩散层的表面杂质浓度。当扩散温度保持不变时，随着扩散时间的延长，表面杂质浓度不断降低