硅电池原理期末复习题库.docx

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硅电池原理期末复习题库

一：

1、单晶硅晶胞常数为0.543nm,计算（100），（110），（111）晶面的面间距和原子密度

（110）面：

面间距：

0.543nm；面密度：

6.783nm-2

（110）面：

面间距：

0.768nm；面密度：

4.748nm-2

（111）面：

面间距：

0941nm；面密度：

7.801nm-2

2、举例说明晶体缺陷主要类型

缺陷分为：

点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷

点缺陷：

肖特基缺陷和弗仑克尔缺陷，反结构缺陷

线缺陷：

位错，分为刃行位错、螺旋位错

面缺陷：

层错，常见的有外延层错、热氧化层错

体缺陷：

有空洞、夹杂物、沉淀等

3、画出PN结能带图及载流子分布

PN结能带图：

载流子分布：

4、简述光生伏特效应

1）用能量等于或大于禁带宽度的光子照射p-n结；

2）p、n区都产生电子—空穴对，产生非平衡载流子；

3）非平衡载流子破坏原来的热平衡；

4）非平衡载流子在内建电场作用下，n区空穴向p区扩散，p区电子向n区扩散；

5）若p-n结开路，在结的两边积累电子—空穴对，产生开路电压。

5、简述硅太阳能电池工作原理

太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，硅太阳能电池的基本材料为P型单晶硅，上表面为N+型区，构成一个PN＋结。

顶区表面有栅状金属电极，硅片背面为金属底电极。

上下电极分别与N＋区和P区形成欧姆接触，整个上表面还均匀覆盖着减反射膜。

当入发射光照在电池表面时，光子穿过减反射膜进入硅中，能量大于硅禁带宽度的光子在N+区，PN＋结空间电荷区和P区中激发出光生电子——空穴对。

各区中的光生载流子如果在复合前能越过耗尽区，就对发光电压作出贡献。

光生电子留于N＋区，光生空穴留于P区，在PN＋结的两侧形成正负电荷的积累，产生光生电压，此为光生伏打效应。

当光伏电池两端接一负载后，光电池就从P区经负载流至N＋区，负载中就有功率输出。

6、如何从石英砂制取硅？

简要框图说明从石英到单晶硅的工艺

加料—→熔化—→缩颈生长—→放肩生长—→等径生长—→尾部生长

SiO2+4HCl=SiCl4+2H2OSiCl4+2H2=Si+4HCl首先对石料分拣出纯石英石，然后用水冼机去皮清污，然后由胶带运送至破裂机粗粉碎，细碎的石料进入磁选振念头筛分出两种石英石：

对知足精制的石英砂，举行酸冼、水冼、去铁、去硫去除杂质，再细粉碎或经球磨机制成超细粉未，按目数分级制品，末了包装入库;对不能知足精制的石英砂料，再经破裂后制成低端粗制石英砂产品and供炼钢厂做炉底料。

增长中端精制石英砂产品线，对原料深加工可以有用地进步经济效益。

7、简述半导体硅中的杂质对其性能的影响

1）杂质对材料导电类型的影响

当材料中共存施主和受主杂质时，他们将互相发生补偿，材料的导电类型取决于占优势的杂质。

对于硅材料，当Ⅲ族杂质元素在数量上占优势时，材料呈现P型，反之当Ⅴ族元素占优势时则呈现N型，当两者数量接近，他们相互补偿，结果材料将呈现弱N型或弱P型。

2）杂质对材料电阻率的影响

半导体材料的电阻率一方面与载流子浓度有关，另一方面又与载流子的迁移率有关。

同样的掺杂浓度，载流子的迁移率越大，材料的电阻率越低。

如果半导体中存在多种杂质，通常情况下，可以认为基本上属于杂质饱和电离范围。

在有杂质补偿的情况下，电阻率主要由有效杂质浓度（NA-ND）或（ND-NA）决定。

但是总的杂质浓度N1=NA+ND也会对材料的电阻率产生影响，因为当杂质浓度很大时，杂质对载流子的散射作用会大大降低其迁移率。

3）杂质对非平衡载流子寿命的影响

半导体材料中的杂质和缺陷，对非平衡载流子寿命有重要的影响，特别是重金属杂质，它们具有多重能级而且还是深能级，这些能级在禁带中好像台阶一样，对电子和空穴的复合起“中间站”的作用，成为复合中心。

它捕获导带中的电子和价带中的空穴使两者复合，这就大大缩短了非平衡载流子的寿命。

8、以P掺入Si为例，说明什么是施主杂质、施主杂质电离过程和N型半导

P在硅中电离时，能够施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。

P在硅中电离时，能够施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。

磷原子占据硅原子的位置。

磷原子有五个价电子。

其中四个价电子与周围的四个硅原于形成共价键，还剩余一个价电子。

这个多余的价电子就束缚在正电中心P＋的周围。

价电子只要很少能量就可挣脱束缚，成为导电电子在晶格中自由运动，这时磷原子就成为少了一个价电子的磷离子P＋，它是一个不能移动的正电中心。

上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为杂质电离。

施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。

9、以B掺入Si为例，说明什么是受主杂质、受主杂质电离过程和P型半导体

B在硅中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心，所以称它们为受主杂质。

B原子占据，硅原子的位置。

硼原子有三个价电子。

与周围的四个硅原子形成共价键时还缺一个电子，就从别处夺取价电子，这就在Si形成了一个空穴。

这时B原子就成为多了一个价电子的硼离子B－，它是一个不能移动的负电中心。

空穴束缚在正电中心B－的周围。

空穴只要很少能量就可挣脱束缚，成为导电空穴在晶格中自由运动，使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为受主杂质电离能。

受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。

10、解释平衡载流子和非平衡载流子并举例说明

a\在热平衡状态半导体中,载流子的产生和复合的过程保持动态平衡，从而使载流子浓度保持定值，则处于此种状态下的载流子为平衡载流子。

b\处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是n0和p0（此处0是下标），可以比他们多出一部分。

比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。

二：

1、如何控制直拉法生长单晶硅的电阻率均匀性

（1）直拉法单晶中纵向电阻率均匀性的控制

使纵向电阻率逐渐降低的效果与使电阻率逐渐升高的效果达到平衡，就会得到纵向电阻率比较均匀的晶体。

方法：

变速拉晶法，双坩埚法。

（2）径向电阻率均匀性的控制

①固液交界面平坦度的影响。

平坦的固液界面其径向电阻率均匀性比较好，为了获取径向电阻率均匀的单晶，必须调平固液界面，方法：

a.调整晶体生长热系统，使热场的径向温度梯度变小。

b.调节拉晶运行参数。

c.调整晶体或坩埚的转速，增加晶转会使固体固体界面由下向上运动的高温液流增大，使界面由凸变凹。

d.增大坩埚内径与晶体直径的比值，会使固体界面变平，还能使位错密度及晶体中氧含量下降。

②小平面效应的影响。

由于小平面效应，小平面区域电阻率会降低，严重时会出现杂质管道芯。

2、Cz硅单晶生长工艺中影响纵向电阻率均匀性主要因素有哪些？

如何改善（含原理）

影响因素：

分凝、蒸发、坩埚污染。

改善：

1）变速拉晶法：

Cs=KCl是基本原理，实际上K应该为Keff，其随着转速f的增加而增大。

通过速度f的改变可以调节晶体的电阻率。

2）双坩埚法（连通坩埚法、浮置坩埚法）：

针对K<1的杂质情况，拉晶过程中在内坩埚熔体减少时外坩埚的熔体补充进来，使熔体杂质浓度的增加减缓，使长成的晶体的电阻率比较均匀。

3、影响直拉单晶硅的电阻率均匀性的因素及改善措施

影响因素：

分凝、蒸发、坩埚污染

改善措施1.有效抑制热对流，减小了熔体中的温度波动，使液面平整。

ΔT：

10℃→1℃（0.2T），基本消除生长条纹2.减少熔硅与坩埚作用，使坩埚中杂质较少进入熔体，并可有效控制晶体中氧浓度。

3.由于磁粘滞性，使扩散层厚度增大，Keff增大，提高了杂质纵向分布的均匀性4.提高生产效率

4、800g高纯多晶硅拉制电阻率为20～50Ω•cm的N型硅单晶，试拉单晶为P型，头部电阻率为250Ω•cm，应掺入多少电阻率为8×10-3Ω•cm的P-Si合金？

已知：

坩埚直径13cm，从熔化到放肩约为1小时，由ρ-N图得到8×10-3Ω•cm对应浓度为7×1018cm-3，E磷=10-3cm，K磷=0.53，K硼=0.8，d硅=2.5g•cm-3

解：

Cl1=Cs1/K硼=5×1013÷0.8=6.25×1013cm-3

Cl2=Cs2/K磷=1×1014÷0.35=2.86×1014cm-3

试拉为P型，而拉制的要求为N型，所以：

Cl=Cl1+Cl2=3.5×1014cm-3

考虑到蒸发问题：

Cl0=Clxexp（-EAt/V）=4.0×1014cm-3

则合金的量为：

M合金=W硅Cl0/Cm≈4.6×10-2g

5、从形态、质量、能耗、大小、晶体形状及电池效率对比直拉单晶硅和铸造多晶硅的性质

在形态上，直拉单晶硅形状一般为圆柱形，而铸造多晶硅一般铸造成硅锭，为方形。

在质量上由于单晶的工艺要求较高，其纯度一般要求在六个九以上；而相对的，铸造多晶硅的纯度要求相对较低。

在能耗上，单晶由于有拉晶的过程，相对能耗远大于铸造多晶硅。

在晶体形状上，单晶硅的形状比较规则，其中晶体的缺陷明显较少，多晶硅只满足短程有序，其形状规则性较差。

在制造成的电池片效率上看，单晶的效率明优于多晶硅，单晶电池片的转化效率一般能超过百分之二十，而多晶在百分之十几。

6、简述多晶硅的铸造原理及工艺

多晶硅的生产方法主要包含：

SiCl4法、硅烷法、流化床法、西门子改良法

而太阳能级多晶硅还包含以下方法生产：

冶金法、气液沉淀法、重掺硅废料提纯法

多晶硅的提纯一般来自于工业硅，其原理工艺如下：

生成三氯氢硅：

Si（s）+3HCl（g）SiHCl3（g）+H2+Q

提纯三氯氢硅：

萃取法、络合物法、固体吸附法、部分水解法、精馏法

通过氢气还原三氯氢硅生成高纯度硅、铸锭

7、晶体生长中调平固液界面的目的是什么？

有哪些主要方法

目的是控制纵向电阻率均匀性。

调平固液界面的方法：

1）调整生长热系统，使径向温度梯度变小；2）调节拉晶参数：

凸界面，增加拉速；凹界面；3）降低拉速调整晶体或坩埚的转速，增大晶转：

使凸变凹，增大埚转：

使凹变凸；4）增大坩埚与晶体直径的比值，使固液界面变平坦，同时可降低位错及氧含量。

8、直拉法生长单晶硅拉晶过程有哪几个主要阶段？

缩颈的主要目的是什么

拉晶过程：

润晶、缩颈、放肩、等径生长、拉光

缩颈的主要目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。

9、解释晶体硅中缺陷和深能级杂质对电池效率的影响

晶体硅中存在缺陷后，会在硅晶体能带的禁带中引入缺陷能级，形成一定的复合中心，减少电池中的载流子浓度，从一定角度上降低电池的效率。

而深能级杂质的电离能较大，主要起到了复合中心和陷阱的作用，会将载流子进行复合和束缚，同样存在一定的降低载流子浓度的作用，从一定程度上会降低电池的效率。

三：

1、画出硅太阳能电池制造工艺流程简要方框图

硅片加工→化学清洗和抛光→涂源扩散→真空蒸镀制备上电极→化学镀镍制备下电极→边缘腐蚀→中间测试分档→引线浸锡→蒸镀反射膜→总测分类

2、框图简要说明硅片制备主要工艺流程

单晶生长→整形→切片→晶片研磨及磨边→蚀刻→抛光→硅片检测→打包

3、说明晶棒切割的主要方式及特点

晶棒切割主要通过使用内圆切割、外圆切割、多线切割等方式进行切割。

无论是内圆切割方式还是外圆切割方式，受制于刀片的厚度，对于硅料的使用率和本身硅片的厚度都有很强的局限性。

而相对较新的多线切割在材料的利用和硅片厚度上明显较为出色。

多线切割由于使用细钢丝替换刀片，使得材料的利用率大大上升，同时也能大大降低硅片的厚度。

4、为什么要消除硅片加工时产生的表面损伤层？

简要说明消除步骤及特点。

在切割、研磨和抛光过程中，会带来表面损伤层。

尤其在切割和研磨过程中表面形成一个晶格高度扭曲层和一个较深的弹性