太阳能电池材料期末复习题

太阳能电池材料期末复习题 1 半导体太阳能光伏电池工作原理的四个基本过程 答 第一 必须有光照射 可以是单色光 太阳光和模拟光源 第二 光子源注入到半导体内后 产生电子 空穴对 且电子 空穴对具有足够的寿命 第三 利用 PN 结 将电子 空穴对分离 分别集中于两端 第四 被分离的电子和空穴 经由电极收集 运输到电池体外 形成电流 2 空间电荷区 内建电场及方向 漂移电流和扩散电流及其方向 答 空间电荷区 扩散结果 n 区出现正电荷区 p 区出现负电荷区 则交界面的两侧的正 负电荷区 总称为空间电荷区 内建电场 由于空间电荷区正负电荷相互吸引 形成一个称为势垒电场的内建电场 带正 电荷的 n 区指向带负电荷的 p 区 扩散电流 当两种不同型号半导体连接起来 在交界处产生载流子扩散 由 n 型半导体与 p 型半导体交界处两侧不同型号载流子 多数载流子 浓度差引起的载流子扩散产生的电 流 扩散电流 电子扩散电流 空穴扩散电流 方向 p 指向 n 漂移电流 内建电场的形成对多数载流子扩散运动起阻挡运动的作用 载流子在内建电场 中的运动叫做漂移电流 漂移运动产生的电流叫做漂移电流 漂移电流 空穴漂移电流 电 子漂移电流 方向与扩散电流方向相反 3 PN 结两端接触电势及其表达方式 接触电势与电池的开路电压有关 说明影响太阳电池 开路电压的因素 答 接触电势是 PN 结空间电荷区两端的电势差 Vo 表达式 影响因素 1 与 n 区和 p 区中净摻杂浓度有关 Nd Na 有关 摻杂浓度越大 V0 越大即 太阳电池的开路电压 Voc 越大 2 与半导体材料种类有关 不同半导体有不同的本征载流子浓度 ni 在同样摻杂浓度下 其 Vo 不同即 Voc 不同 3 温度 T 有关 温度愈高 ni 愈大 Vo 愈小 所以随环境温度增高 太阳电池 Voc 成指数下 降 4 了解 PN 结正向电压 电流特性 多子与少子 非平衡少数载流子注入 正向电流 电池 的暗电流 及方向 答 特性 势垒区中的电场减小 由 Vo 变为 Vo V 势垒高度减小 由 eV0 变为 e Vo V 势垒区宽度 w 减小 出现非平衡载流子注入 载流子扩散电流大于漂移电流 n 区中电子不断扩散到 p 区 p 区中空穴不断扩散到 n 区 这种注入载流子的 为非平衡少子 正向电流 对 PN 结施加正向偏压 V 后 扩散电流大于漂移电流 导致非平衡少子注入而 产生的电流 方向由 p 指向 n 5 PN 结反向电压 电流特性 反向饱和电流及方向 PN 结的电压 电流特性 答 特性 势垒区中的电场减小 由 Vo 变为 Vo V 势垒高度减小 由 ev0 变为 e Vo V 势垒区宽度 w 增大 反向饱和电流 是一个数值很小 且不随反向电压 V 变化而变化的电流 由 n 指向 p PN 结的电压 电流特性 加上外加电压后 pn 结上流过的电流 6 光伏电池工作原理 光生电流及方向 光生电压及方向 光照后流过负载的电流 太阳 电池的开路电压 短路电流 输出功率及最大输出功率 光电转换效率 答 工作原理 利用光激发的少子通过 PN 结而发电 光生电流及其方向 在内建电场的作用下 P 型半导体中的光照产生的电子将流向 N 型半 导体 而 N 型半导体中的额空穴将流向 P 型半导体 形成光生电流 Ii 由 n 指向 p 光生电压及其方向 光生电流出现导致光生电场 Vph 形成 由 p 指向 n 与内建电场方向 相反 光照后流过 PN 结的电流 光照后 导致载流子扩散产生的电流大于漂移产生的电流 从 而产生净的正向电流 If Io 是反向饱和电流 光照后流过负载的电流 太阳电池的开路电压 将 PN 结开路 将负载电阻无穷大 负载上的电流为零 I 为零时的 电压为开路电压 短路电流 负载电阻 R 光生电压 Vph 和光照时流过 PN 结上的正向电压 If 均为零时的电 流 输出功率及其最大输出功率 光电转换效率 7 了解按电池结构和材料分类的太阳电池种类 答 按电池结构分 1 同质结光伏电池 相同的半导体材料 含有不同的导电型号杂质 构成一个或多个 PN 结 2 异质结光伏电池 在不同禁带宽度的两种半导体材料组成 接触的 界面组成 PN 结 3 肖特基电池 用介质和半导体组成一个肖特基结电池 又称 MIS 电 池 4 薄膜电池 由非导体的基底上淀积一层薄膜半导体材料组成的电池 5 叠层电池 将两种对光波吸收能力不同的半导体材料叠置在一起构成 的电池 目的是最大限度吸收不同波长的光 提高太阳电池的光电转换效率 按电池材料分 1 硅电池 包括单晶硅 多晶硅 非晶硅 制造成本依次下降 光电转换 效率依次下降 2 非硅电池 主要有 Cds GaInSe GaInS 3 有机电池 有机高分子材料组成的电池 8 硅晶体电池的基本结构及制造工艺流程 答 硅晶片加工 切片 化学腐蚀 制 PN 结 铝背场制备 制上下电极 制减反射薄膜 结构略 9 绒面结构及作用 单晶硅片和多晶硅片表面制作绒面结构所用的腐蚀剂及提高绒面结构 质量采用的措施 答 绒面结构 晶向的硅单晶 经腐蚀后表面会形成 在显微镜下看到 像 金字塔 形 状高低不平的表面 作用 减少电池表面的光反射 大大提高对光的吸收率 最大限度提高光电转换效率 腐蚀剂 单晶硅使用 NaOH 水溶液或 KOH 水溶液 多晶硅使用 HF 混合液 提高绒面结构质量采用的措施 1 在 NaOH 水溶液中加入少量异丙醇 2 用 NaCO3 K2CO3 或磷酸钠液对单晶硅片进行结构处 理 10 金属电极作用 对金属电极的要求 金属电极的丝网印刷制作工艺 答 作用 收集电极 少数载流子 收集光生电流 然后引导到负载 要求 1 与硅片形成良好的欧姆接触 2 电极线宽要越细越好 提高光电转换效率 制作工艺 按设计好的电极图形的模板 用丝网印刷法将导体浆料 用超细银粉与有机溶 剂调成浆料 印制在电池表面 然后在适当的温度下烧结 使有机溶液挥发 而金属颗粒 Ag 与硅片紧紧的粘附 形成 Ag 与硅的合晶 11 铝背电场结构 合金化作用 铝背电场结构的作用 并解释为何会产生这样的作用 答 铝背场结构 在 pn 结制备完后 在硅片背面淀积一层铝膜 经合金化高温处理后 在 硅片内形成 p 层 高浓度 p 型杂质层 在硅片背侧面产生了内建电场 BSF 合金化作用 1 AL 原子进入硅片内 形成一层高浓度的 p 层形成 BSF 结构 2 使 Al 膜紧紧的黏在硅片的表面 形成背电极 铝背场结构的作用 1 能提高电池的光电转换效率 原因 由于 P 层存在 在电池背面形成一个 P p 结 从而产生一个内建电场 由于这个 电场的方向与电池端电压方向相反 阻止了光生电压少数载流子向 P 层扩散 由此减少了 少子在背面的复合几率 提高了电子的收集效率 即提高了光生电流 同时提高了电池的 开路电压 提高了光电转换效率 2 可做电池背面的金属电极 12 减反射减少光反射的原理 减反射层减少光反射的光学条件 并懂得由此条件选择减 反射膜材料及膜厚 在题中计算题 且用到半导体本征吸收限 0 的概念 答 原理 利用光在减反射膜的上下表面反射所产生的光程差 使两束反射光干涉相消 从而减弱反射 增加透射 条件 1 2 d 减反射膜厚 光波长 L 正整数 题略 看笔记 13 对减反射膜材料的总体要求 TiO2 膜制备工艺 反应方程式 答 要求 能具有良好的减反射效果 还要求透明度好 热膨胀系数少 与硅片粘附性好 抗辐射 耐腐蚀 6 点 喷涂热 水 解法工艺 利用 N2 携带含钛酸异丙酯的水蒸气 喷涂到加热的硅片上表面 发生水解反应 反应 Ti OC3H7 2H2O TiO2 4 C3H7 OH 14 铸造技术为何能提高多晶硅纯度 制备铸造多晶硅的工艺流程 描述直培法工艺 影响 直培法制备柱形多晶硅的因素 答 提纯材料 1 利用定向凝固过程中的杂质分凝现象 使杂质富集在多晶硅锭的两端 2 在真空中熔化 凝固 原料中杂质在表面挥发 3 在保护气体或熔体中添加能与杂质反应生成挥发性物质的气体 是杂质 中熔硅分离 直熔法工艺流程 装料 加热 熔化 晶体生长 退火 冷却 直培法描述 硅原材料首先在坩埚中熔化 坩埚周围的加热器保持坩埚上部温度的同时 自坩埚的底部开始逐渐降温 从而使坩埚底部的熔体首先结晶 再通过保持固液界面在同 一水平面上并逐渐上升 使得整个熔体结晶为晶锭 采用定向凝固法长晶 影响因素 纯度高 不产生杂质玷污 不与晶体粘连 热膨胀系数小 热导率小 坩埚形 状 方形 内壁涂高纯氧化硅 氮化硅 15 了解单结 a Si 薄膜电池的结构 工作过程及工作原理 a Si 薄膜电池效率低的原因及解 决措施 答 单结结构是指只有 1 个 pin 结 相当与晶体硅电池中的 pn 结 具体结构 1 玻璃 为电池衬底 基片 是各种薄膜淀积的载体 也是电池的受光面 2 透明导电膜 TCO SnO2 上电极 厚 900nm 3 P a Si 或 P a SiC 能提高电池性能 厚 10nm 4 i a Si 本征非晶硅 500nm 5 N a Si 或 uc Si 厚 10nm 6 透明导电膜 ZnO 900nm 7 金属 Al 膜 与 ZnO 膜相当 345 是 pin 结 67 是背电极 工作过程 阳光从玻璃受光面通过 经过透明导电层和 P 型层 在本征层激发出光生载流 子 分别漂移给 p n 层 最终产生电流通过铝电极和透明导电层 引导到负载 工作原理 a Si 电池的 pn 结中加入 i 层 形成 pin 结结构 P 层为光入射层 i 层为本征 吸收层 N 层为基底层 此结构中 pi 结和 in 结形成的内建电场跨越整个 i 层 当入射光 穿过 P 型层 在 i 层激发出电子 空穴对 很快地被内建电场分离 空穴漂移到 P 型层 电子漂移到 N 层 形成光生电流和光生电压 i 层是光敏层 a Si 薄膜电池存在的问题 1 光电转换效率低 原因 见书上 P67 页 17 28 行 非晶硅的带隙较宽 非晶硅的迁移边存在高密度的尾态 非晶硅材料阻态密度较高 非晶硅太阳电池的 p 区和 n 区得电阻率较高 主要为材料本身 的结构及缺陷和电池的结构导致对阳光的光谱响应的范围窄 载流子复合机率大 电荷收 集困难 改进措施 1 将电池的窗口层材料由 P a Si 改用为禁带宽度更宽的 P a SiC 材料 以减少光 吸收 增加光透射 2 将电池的 N a Si 层改为禁带宽度更窄的 n uc Si n 型微晶硅 3 利用多级带隙材料结构 2 电池效率的光衰减 原因 a Si 膜中的 H 含量过大 电池在受到光照后 会产生光致亚稳态缺陷 导致其在 a Si 膜中移动 扩散长期在光照下 其光电导和暗电导同时下降 从而使电池的光电转换 效率下降 光衰减 改进措施 降低 a Si 膜 尤其是 i 层 中的 H 含量 淀积膜时 采用电子回旋共振 CVD 法或利用氢化 CVD 或热丝 CVD 法 在膜制备完成后 采用等离子化学退火法或 H2 或 He 稀释法 16 了解 CdTe 电池结构 SnO2 的特性 透明导电膜的用途 答 电池结构 CdTe 薄膜太阳电池一般制备在玻璃衬底上 首先淀积一层 SnO2 薄膜 作 为透明导电薄膜 再淀积一层 n 型 CdS 薄膜 作为窗口层 然后沉积高掺杂 p 型 CdTe 薄 膜 最后制备金属接触层 形成完整的 CdTe 薄膜太阳电池 纯的 SnO2 是透明的 n 型半导体材料 禁带宽度为 3 6eV 透过率在 80 以上 在掺入 Sb 等杂质后会使 SnO2 转变为导体 透明导电膜是既有高的导电性 又对可见光有很好的透光性 而对红外光有较高反射 性的薄膜 透明就意味着材料的能带隙宽度大 明导电膜主要有金属膜和氧化物半导体膜 两大类 17 了解 CuInSe2 膜的及其电池的特性 尤其要知道 CuInSe2 膜的各种制备方法及工艺 答 优点 膜的光吸收系数大 可达 cm 禁带宽度为 1 04eV 且为直接带隙材料 理论转换 效率为 25 30 只需 1 2um 厚度的膜就可吸收 99 的阳光 大大降低成本 可制成大面积 的电池 方法 1 直接蒸发合成法 在真空中通过加热蒸发原材料 在衬底上淀积成膜 据蒸发源 不同分为单源 一个炉子 双源 二个炉子 三源 三个炉子 真空蒸发法 单源 将高纯 Cu In Se 粉末按化学计量比配成 Cu In Se 原料 然后放在一起蒸发 得到 CuInSe2 膜 该法特点 不易控制成分 不易控制各成分的化学