光伏材料测试题.docx

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光伏材料测试题

光伏材料测试题

姓名班级学号成绩

一、（20分）详述块状太阳能级多晶硅原料制造技术。

块状多晶硅原料制造—Siemens

•加热电极，水冷，真空，废气回收块状多晶硅原料制造

•

•1100度:

SiHCl3+2H2=Si+3HCl

•副反应：

SiHCl3+HCl=SiCl4+H2

•2/3SiCl4:

生产SiHCl3,SiO2等

•N2清洗反应炉

•几千吨SiHCl3、H2,数百万瓦电能/h，数千公斤产量/次，

•腐蚀性HCl处理

块状多晶硅原料制造

•SiH4=Si+2H2

•缺点：

沉积速度慢（3-8um/min）

✓硅芯温度高（800度），其他温度低（100度）

✓SiH4温度低，<300度

•优点：

转换效率高（95%），耗能小

二、（20分）详述单晶硅棒和多晶硅锭制造技术。

太阳电池多晶硅锭是一种柱状晶，晶体生长方向垂直向上，是通过定向凝固（也称可控凝固、约束凝固）过程来实现的，即在结晶过程中，通过控制温度场的变化，形成单方向热流（生长方向与热流方向相反），并要求液固界面处的温度梯度大于0，横向则要求无温度梯度，从而形成定向生长的柱状晶。

太阳电池硅锭的生长也是一个硅的提纯过程，是基于杂质的分凝效应进行的。

如下图所示，一杂质浓度为C0的组分，当温度下降至T’’时，其固液界面处固相侧的杂质浓度为C*S实现多晶硅定向凝固生长的四种方法：

•布里曼法

•热交换法

•电磁铸锭法

•浇铸法

三、（25分）详述下列薄膜太阳能电池结构，及设计关键技术考量。

（1）非晶硅薄膜太阳电池

非晶硅沉积技术-PECVD

Ø非晶硅沉积主要技术。

Ø产生等离子体方式：

直流电，高频，微波等，

Ø其中射频PECVD最普遍，频率13.56MHZ

✓操作压力：

0.05-2托，最佳压力0.5-1托

✓射频功率：

10-100mW/cm2。

✓沉积温度：

150-350度。

✓电极距离：

1-5cm

✓气体流量与沉积速率及基板面积有关。

结构：

P层：

50-200A

i层：

4000-6000A

N层：

100-300A

总厚度<1微米

1，电子由N层流向P层，N层带正电荷，P层带负电荷，可制造104V/cm电场

2，太阳照射a-Si时，光可以完全透过P层，光子大部分被i层吸收。

3，i层吸收光子产生电子空穴对，然后在电场作用下，电子流向N层，而空穴流向P层，即产生光电流。

（2）多界面GaAs太阳电池

ØCIGS薄膜技术很多

ØCIGS薄膜技术要求：

大面积、高沉积速率，低成本，薄膜均匀

Ø同步蒸镀法（Co-evaporation）

Ø硒化法（Selenization）

Ø结构结构：

玻璃基板，钼，CIGS，CdS，ZnO

ØCIGS：

晶粒大小与制造技术有关，~1微米

ØCIGS缺陷：

位错，孪晶等

CIGS太阳电池结构—玻璃基板

☐设计要求：

玻璃热涨系数与CIGS匹配

●硼硅酸盐玻璃：

热胀系数小，CIGS薄膜受拉应力，孔洞或裂缝

●聚酰亚胺玻璃：

热胀系数大，薄膜压应力，结合差

●钠玻璃：

热胀系数匹配

☐钠玻璃：

✓钠扩散进薄膜，有助于产生较大晶粒及合适的晶向（112）

✓商业上，氧化物（SiOx，Al2O3）控制钠含量，然后Mo上生长钠层

◆不锈钢或塑料用作基板：

可塑性，轻巧性

☐设计要求：

玻璃热涨系数与CIGS匹配

●硼硅酸盐玻璃：

热胀系数小，CIGS薄膜受拉应力，孔洞或裂缝

●聚酰亚胺玻璃：

热胀系数大，薄膜压应力，结合差

●钠玻璃：

热胀系数匹配

☐钠玻璃：

✓钠扩散进薄膜，有助于产生较大晶粒及合适的晶向（112）

✓商业上，氧化物（SiOx，Al2O3）控制钠含量，然后Mo上生长钠层

◆不锈钢或塑料用作基板：

可塑性，轻巧性

☐Mo与CIGS形成良好欧姆接触

☐Mo较好的反光性能

☐Mo采用直流溅镀法沉积在基板上

✓沉积过程中薄膜应力控制

✓薄膜厚度由电池设计电阻决定

✓沉积接面MoSe2控制：

低压下沉积致密Mo

☐吸收层：

p-CIGS，CIS

☐吸收层厚度：

1.5-2微米

☐In、Ga含量改变，CIGS能隙宽度：

1.02-1.68

☐In-richCIGS：

表面空孔”黄铜矿“覆盖，改善电池效率；而Copper-rich区域：

Cu2-xSe析出，破坏电池功能。

✓采用氰化钠或氰化钾溶液把Cu2-xSe从薄膜表面或晶界移出

☐设计考量：

✓CIGS薄膜技术：

单一相，结晶品质好

✓吸收层与金属有良好的欧姆接触，易制造

✓CIGS足够的厚度，且厚度小于载子扩散长度

✓CIGS为多晶结构，故要求缺陷少，降低再结合几率

✓CIGS表面平整性好，促进良好接面状态

☐缓冲层：

CdS（与p-CIGS形成p-n结）

☐CdS直接能隙结构，2.4eV

☐CdS与CIGS晶格匹配性好，随CIGS内Ga增加，匹配性变差

☐CdS制造：

化学水域法（chemicalbathdeposition,CBD）

Ø将CIGS浸入60-80化学溶液中

Ø溶液成分：

氯化盐（CdCl2，CdSO4等）、氨水（NH3）、硫脲（SC（NH2）2）

Ø方程式：

（3）CdTe太阳电池

碲化镉薄膜沉积技术

Ø物理气相沉积法（Physicalvapourdeposition，PVD）

Ø密闭空间升华法（Close-spacesublimation，CSS）

Ø气相传输沉积法（Vapourtransportdeposition，VTD）

Ø溅镀法（Sputteringdeposition）

Ø电解沉积法（Electro-deposition）

Ø喷涂沉积法（Spraydeposition）

Ø有机金属化学气相沉积法（MetalorganicchemicalvapordepositionMOCVD）

Ø丝网印刷沉积法（Screen-printdeposition）

7，碲化镉电池基本结构

7.1，玻璃基板

Ø耐高温（600度），转化效率16%，不耐高温钠玻璃，12%；厚度2-4mm

Ø保护CdTe电池：

免受外部环境侵蚀，提供电池机械支撑

Ø通常玻璃表面镀抗反射膜增强光吸收

7.2，TCO

•作用：

正面电极接触

•材料：

SnO2，In2O3:

Sn，Cd2SnO4

7.3，n-CdS

ØCdS能隙宽度2.4eV，吸收<515nm光，故称为窗口层

Ø厚度：

0.5微米

Ø降低CdS光吸收途径：

CdCl2处理，CdS+ZnS混合增加能隙

✓多晶结构导致顺向电流、局部并联分流

☐在TCO与CdS间增加高电阻透明氧化层

☐高电阻材料：

SnO2，In2O3，Ga2O3，Zn2SnO4

7.4，p-CdTe

Ø能隙宽度1.45eV

Ø高光吸收性能，吸收层

ØCdTe杂质浓度低于CdS，p-n结在CdTe内

Ø厚度2-8微米

7.5背接触电极

Ø背电极材料：

Al或Ag，提供低电阻连接

ØP-CdTe欧姆接触较难，Schottky二极管整流效应，故电极很薄

Ø步骤：

刻蚀CdTe，镀金属层，热处理

8，碲化镉电池模组

9，碲化镉电池未来发展

四、（15分）详述太阳能电池系统组成部件及系统分类。

五、（20分）结合徐州发展，谈谈徐州光伏产业未来发展。

徐州积极落实省委省政府振兴徐州老工业基地的战略，加快发展以光伏产业为重点的高新技术产业。

    2007年9月，“中能光伏”一期1500吨生产线成功投产，第二条1500吨生产线同时开工，进入2008年，三期、四期3000吨生产线也将相继投建。

多晶硅是光伏新能源产业“上游”的原材料，徐州由此迅速成长为“全国最大的光伏原材料生产基地”。

与此同时，扼守在光伏产业下游的江苏艾德，也随着台湾强茂电子的强势入主，成为了徐州光伏产业链上的新霸主。

2007年10月，台湾最大的晶材料上市企业--强茂集团注资2.8亿美元，收购江苏艾德70%的股份，2008年元月，强茂在江苏艾德“电子板项目”的基础上，果断向产业链上游延伸、开工建设年产700吨太阳能单晶硅生产线。

    江苏艾德太阳能科技有限公司张燕鹏：

因为企业发展得很快，成长得很快，我们决定自己成立拉棒车间，也就是说我们自己生产自己上游的原料。

        单晶硅与多晶硅同是市场上供不应求的光伏原材料。

单晶硅项目投产后，预计每年可为强茂创造25亿元的销售额。

正是看好了徐州为发展新能源产业所提供的强有力的政策支持和优良的服务，强茂在大陆十多个备选城市中最终选择投资徐州，并计划把徐州作为其进军亚洲光伏产业的总部。

    张燕鹏：

徐州各级政府、各级领导明快的作风，勇于负责的态度，给我们留下很深刻的印象，基于这里各级领导办事的效率，基于这里上游的原料的供应，基于这里政策的配合，最终强茂集团选择在徐州落脚。

    徐州规划建设的5平方公里光伏产业园，目前已初具规模。

世界上10家最大的光伏生产企业有8家与产业园签订了销售合同。

同为台湾晶材料上市企业的中美矽晶，也即将落户徐州。

投产后年产值将达到4亿美元。

从多晶硅、单晶硅原材料，到太阳能能电磁切片、电池组片，徐州的光伏新能源产业不断向上、下游延伸。

一个GDP超百亿的光伏产业链，正在徐州茁壮成长。