光伏材料知识点.docx

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光伏材料知识点

光伏材料知识点

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[mnp]。

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/m2×1m2×18%）

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：

K<1,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

K>1,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

14.

15.

16.

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：

1.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。

2.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