锂电池LED太阳能电池认识实习报告.docx

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锂电池LED太阳能电池认识实习报告

认识实习报告

姓名：

王丹学号：

20090556

学院（系）：

材料科学与工程学院专业：

材料化学

班级：

2009级材化指导教师：

王达建段月琴

实习名称：

认识实习实习时间:

2012-6-2至2012-7-9

一、锂电池材料生产

二、LED材料与技术

三、晶体硅太阳电池工艺

一.锂电池材料生产

1.1概述

锂电池（Lithiumbattery）是指电化学体系中含有锂（包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物）的电池。

锂电池大致可分为两类：

锂金属电池和锂离子电池。

锂金属电池通常是不可充电的，且内含金属态的锂。

锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。

锂离子电池是继镍镉、镍氢电池之后的新一代二次电池，在移动通讯、PDA、笔记本电脑等移动便携式电子终端设备领域占据着主导地位。

锂离子电池也是未来动力电池的重要发展方向。

目前锂离子动力电池的技术日趋成熟，已经成功应用于电动工具、电动自行车等领域，在电动汽车用动力电池领域也显示出非常好的前景。

另外，风能、太阳能甚至水电等的大规模发展，也将推动了锂离子电池的应用。

1.2基本原理

图1.锂离子电池原理

1.3电池构成

图2.电池的基本结构

正极：

LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiNixMnyCozO2

负极：

碳素材料、Li4Ti5O12、nanoSn、nanoSi

电解液：

锂盐、溶剂、添加剂

隔膜:

PP/PE/PP、PE、PP

附件:

集流体、导电剂、粘结剂、极耳、外壳

1.4锂电池材料

1.正极材料

LiCoO2最早是由Goodenough等人在1980年提出可以用于锂离子电池的正极材料，之后得到了广泛的研究。

LiCoO2理论容量为274mAh/g，具有合成方法简单，工作电压高，充放电电压平稳，循环性能好等优点，是最早用于商品化的锂离子电池的正极材料。

LiNi1−x-yCoyMnxO2与LiCoO2一样，具有α-NaFeO2型层状结构（R-3m空间群），理论容量约为275mAh/g。

三元材料结构稳定，循环性能好，安全性高，是动力电池材料选择之一。

实际放电容量可达160mAh/g以上，但压实密度较低。

理论克容量148mAh/g，具有电化学性能好、成本低、资源丰富以及无毒性等优点，是目前研究较多的动力电池正极材料之一。

两点缺陷：

（1）锰的溶解2Mn3+固→Mn4+固+Mn2+液

（2）Janh-Teller畸变

改进方法：

目前对尖晶石型LiMn2O4的改性方法主要是减小颗粒粒径；掺杂阴阳离子和表面修饰等。

图3.富锂锰氧xLi2MnO3·（1-x）LiMO2●高比容量●高能量密度●高安全性●经济环保

2.负极材料

1）石墨

*层状结构，理论克容量372mAh/g

*LiC6嵌入化合物结构

*离子扩散能力受温度影响，低温析锂

*表面钝化层SEI

2）碳素材料分类

3）硬碳

􀂾*低温充放电性能优异，倍率输出高，低体积膨胀率

􀂾*低压实密度，高温存储问题

4）其他负极材料

3.隔膜

材质：

聚烯烃材质（PP、PE、PP/PE/PP）、Coatingseparator

作用：

多空隙结构，离子导体，电子绝缘体

制备工艺：

干法隔膜、湿法隔膜

关键指标参数：

厚度、外观、刺穿强度、抗拉强度、孔隙率、透气度等

4.锂离子电池电解液

a.在较宽的温度范围内离子导电率高，锂离子迁移数大，以减少电池在充放电过程

中的浓差极化；

b.热稳定性好，以保证电池在合适的温度范围内操作；

c.电化学稳定窗口宽，最好在0～5V电解质不发生分解反应，不与正负极材料发生

显著的副反应，满足在电化学过程中电极反应的单一性；

d.对于固体或胶体电解质，还要具有良好的力学性能和可加工性能；

e.价格成本低；

f.安全性好，闪点高或不燃烧；

g.无毒无污染，不会对环境造成危害。

1.5锂离子电池材料基本要求

作为理想的锂离子电池材料，必须满足以下要求：

（1）正极具有较高的氧化还原电位，负极具有较低氧化还原电位，保证锂离子电池

的高电压特性；

（2）允许大量的锂离子嵌入脱出，保证锂离子电池的高容量特性；

（3）嵌入脱出过程的可逆性好，充放电过程中材料结构变化较小；

（4）锂离子能够快速的嵌入和脱出，具有高的电子导电率和离子导电率；

（5）在电解液中化学稳定性好；

（6）低廉，容易制备，对环境友好等。

1.6电池结构

1.7动力电池存在的问题

1.安全可靠性:

锂离子电池较高的比能量，带来相对严峻的安全问题。

内部短路•自放电，•起火，•爆炸•粉尘，•毛刺，•锂枝晶•设计冗余不足

安全可靠性评估

2.产品一致性1）.性能参数一致性保持电池的内阻，容量，电压，自放电等一致，即电池在充放电过程中能够保持一致的充放电行为。

由于电池是循环多次使用，电池的性能指标是相对变化的，所以对单体电池的要求更高。

2）.电流密度&热量分布一致性

3）运行环境一致性：

热模拟；机械模拟

3.功率能量密度

4.循环寿命

1.8锂电池优点和缺点

锂电池主要优点：

1．能量比较高。

具有高储存能量密度，目前已达到460-600Wh/kg，是铅酸电池的约6-7倍；　　

2．使用寿命长，使用寿命可达到6年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池1C（100%DOD）充放电，有可以使用10,000次的记录；　　

3．额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V），约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组；　　

4．具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力，便于高强度的启动加速；　　

5．自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，目前一般可做到1%/月以下，不到镍氢电池的1/20；　　

6．重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/5-6；　　

7．高低温适应性强，可以在-20℃--60℃的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45℃环境下使用；　　

8．绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。

9．生产基本不消耗水，对缺水的我国来说，十分有利。

锂电池的缺点

1．理原电池均存在安全性差，有发生爆炸的危险。

2．钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电，安全性较差。

3．锂离子电池均需保护线路，防止电池被过充过放电。

4．生产要求条件高，成本高。

二﹑LED材料与技术

1.1概述

LED（LightEmittingDiode），发光二极管，简称LED,，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极使整个晶片被环氧树脂封装起来。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。

但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

由于具有容易控制、低压直流驱动、组合后色彩表现丰富、使用寿命长等优点，广泛应用于城市各工程中、大屏幕显示系统。

LED可以作为显示屏，在计算机控制下，显示色彩变化万千的视频和图片。

LED是一种能够将电能转化为可见光的半导体。

1.2基本原理

LED（LightEmittingDiode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电能转化为光能。

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。

但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。

LED灯株贴片LED

1.2LED分类

1、按发光管发光颜色分：

按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。

另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。

根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。

散射型发光二极管适合于做指示灯用。

2、按发光管出光面特征分：

按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。

圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。

国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm的记作T-1（1/4）。

由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。

从发光强度角分布图来分有三类：

（1）高指向性。

一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。

半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。

（2）标准型。

通常作指示灯用，其半值角为20°～45　（3）散射型。

这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。

3、按发光二极管的结构分：

按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。

4、按发光强度和工作电流分：

按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度10mcd）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。

一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。

　　除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。

1.3工艺流程

衬底-结构设计-缓冲层生长-N型GaN层生长-多量子阱发光层生-P型GaN层生长-退火-检测（光荧光、X射线）-外延片

外延片-设计、加工掩模版-光刻-离子刻蚀-N型电极（镀膜、退火、刻蚀）-P型电极（镀膜、退火、刻蚀）-划片-芯片分检、分级

1.4LED的优点

LED优点

　　LED的内在特征决定了它具有很多优点，诸如：

1、体积小LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常小，非常轻。

2、耗电量低

　　LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦），电光功率转换接近30%。

一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能近80%。

3、使用寿命长

　　有人称LED光源为长寿灯。

它为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。

4、高亮度、低热量

　　LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。

5、环保

　　LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。

光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源

6、坚固耐用

　　LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管都坚固。

灯体内也没有松动的部分，使得LED不易损坏。

LED灯

7、多变幻

　　LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256=16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

8、技术先进

与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品。

它成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。

1.5应用

（1）显示屏、交通讯号显示光源的应用LED灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点，广泛应用于各种室内、户外显示屏，分为全色、双色和单色显示屏，全国共有100多个单位在开发生产。

（2）家用室内照明的LED，LED筒灯，LED天花灯，LED日光灯，LED光纤灯已悄悄地进入家庭！

（3）汽车工业上的应用汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。

（4）食品储藏例如-2℃+UV-LED进行食品保鲜

（5）空气清净（杀菌和除掉有害物质）,植物照明（促进光合作用）。

三﹑晶体硅太阳电池工艺

1.1概述

（1）硅太阳能电池

　　硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。

　　单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。

在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%（截止2011，为18%）。

在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。

　　多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%（截止2011，为17%）。

因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。

非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。

但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。

如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

（2）多晶体薄膜电池

多晶体薄膜电池硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。

　　砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。

但是GaAs材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。

　　铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。

具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。

唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。

·

太阳能电池以硅材料为主的主要原因

　　基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。

但随着新材料的不断开发和相关技术的发展，以其它材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。

本文简要地综述了太阳能电池的种类及其研究现状，并讨论了太阳能电池的发展及趋势。

1.2硅系太阳能电池

晶体硅太阳能电池

单晶硅太阳能电池硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。

高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。

现在单晶硅的电池工艺己近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。

提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。

在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。

该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。

并在表面把一13nm。

厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合．通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率：

通过以上制得的电池转化效率超过23%，最大值可达23．3%。

Kyocera公司制备的大面积（225cm2）单电晶太阳能电池转换效率为19．44%，国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池（2cmX2cm）转换效率达到19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5cmX5cm）转换效率达8.6%。

单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。

为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。

多晶硅薄膜太阳能电池

通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350－450μm的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。

因此实际消耗的硅材料更多。

为了节省材料，人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒大小，未能制成有价值的太阳能电池。

为了获得大尺寸晶粒的薄膜，人们一直没有停止过研究，并提出了很多方法。

目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。

此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。

化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,为反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等。

但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒,并且容易在晶粒间形成空隙。

解决这一问题办法是先用LPCVD在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。

多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外，另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术，这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。

德国费莱堡太阳能研究所采用区馆再结晶技术在FZSi衬底上制得的多晶硅电池转换效率为19%，日本三菱公司用该法制备电池，效率达16.42%。

液相外延（LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里，降低温度析出硅膜。

美国Astropower公司采用LPE制备的电池效率达12．2%。

中国光电发展技术中心的陈哲良采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶粒，并设计了一种类似于晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳能电池，称之为“硅粒”太阳能电池，但有关性能方面的报道还未见到。

　　多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少，又无效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。

1.3晶体硅太阳电池产业链工艺介绍

1.多晶硅料制备

1）三氯氢硅氢还原法（西门子法）Si+3HCl=SiHCl3+H2SiHCl3精馏化学提纯，中间化合物杂质含量降低到10-10~10-7SiHCl3+H2=Si+3HCl

在反应室中将原始高纯硅细棒（直径约5mm）通电加热至1100摄氏度以上，通入三氯化氢和高纯氢气发生还原反应，采用化学气象沉积技术生成新的高纯硅沉积在硅棒上，使硅棒直径不断增大达到150-200mm

2）硅烷热分解法

硅烷精馏提纯，然后通入反应室中，细小的多晶硅棒通电加热至850摄氏度以上

反应方程式：

SiH4=Si+2H2也可采用流化床法。

流化床法的特点是原料气体入口子在底部，气体从底部进入反应器后上升至加热区，在加热区气体原料分解中固体硅颗粒；从底部不断进入的气体的流速足以使分解生成的硅颗粒出于悬浮状态，悬浮的颗粒不断地外延生长长大，长大到足够重的硅颗粒沉降到底部的容器里；而反应的副产物从顶部的管路排出，流化床法结构示意图。

图一，西门子法图二，流化床法

2.拉棒

区熔单晶硅（FZ）特点：

污染少、纯度高，成本高，适合做高效电池。

图1.掺杂气体：

磷化氢PH3、乙硼烷B2H5

1）直拉单晶硅

3）铸锭

太阳能多晶硅锭是一种柱状晶，晶体生长法相垂直向上，是通过定向凝固（也称可控凝固、约束凝固）过程来实验的，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。

一般来说，纯金属通过定向凝固，可获得平面前沿，即随着凝固进行，整个平面向前推进，但随着溶质浓度的提高，由平面前沿转到柱状。

对于金属，由于各表面自由能一样，生长的柱状晶取向直，无分叉。

而硅由于是小平面相，不同晶面自由能不同，表面自由能最低的晶面会优先生长，特别是由于杂质的存在，晶面吸附杂质改变了表面自由能，所以多晶硅柱状晶生长方向不如金属的直，且伴有分叉。

分凝系数：

对一个杂质浓度非常小的平衡固液相系统，在固液界面处固相中的成分与在液相中的成分比值为一定，可表达为平衡分配系数

其中，为液固界面处液体相侧溶质浓度

为液固界面处固体相侧溶质浓度

金属杂质在硅中平衡分配系数在10-4～10-8之间，B为0.8，P为0.35

4）切片

切片原理：

利用切割钢丝带动砂浆，利用砂浆中SiC微粒与晶棒进行摩擦，达到切割的目的。

切割过程：

将晶棒固定于进给台，进给台按一定的下压速度将晶棒与高速运动的线网接触，利用线网带动砂浆中的SiC切割晶棒。

备注：

钢丝的摩尔硬度是5.5左右，单晶硅的摩尔硬度是6.5左右，SiC的摩尔硬度是9.4左右。

图一，内圆切割图二，线锯切割

5）电池

原理

图1，电池图2.组件

图1多晶制绒图2单晶制绒

6）组件

原料

主要原料:

硅胶，接线盒。

7）系统

离网系统