太陽能電池材料期末復習題

1、太陽能電池材料期末復習題1. 半導體太陽能光伏電池工作原理的四個基本過程。 答：第一，必須有光照射，可以是單色光，太陽光和模擬光源。 第二，光子源注入到半導體內后，產生電子 - 空穴對，且電子 - 空穴對具有足夠的壽 命。第三，利用PN結，將電子-空穴對分離，分別集中于兩端。 第四，被分離的電子和空穴，經由電極收集，運輸?shù)诫姵伢w外，形成電流。2. 空間電荷區(qū)，內建電場及方向；漂移電流和擴散電流及其方向。 答：空間電荷區(qū)：擴散結果： n 區(qū)出現(xiàn)正電荷區(qū)， p 區(qū)出現(xiàn)負電荷區(qū)，則交界面的 兩側的正，負電荷區(qū)，總稱為空間電荷區(qū)。內建電場： 由于空間電荷區(qū)正負電荷相互吸引， 形成一個稱為勢壘電場的內建

2、電場， 帶正電荷的n區(qū)指向帶負電荷的p區(qū)。擴散電流：當兩種不同型號半導體連接起來，在交界處產生載流子擴散。由n 型半導體與 p 型半導體交界處兩側不同型號載流子（多數(shù)載流子）濃度差引起的載流子 擴散產生的電流。擴散電流 二電子擴散電流+空穴擴散電流。方向p指向n0 漂移電流：內建電場的形成對多數(shù)載流子擴散運動起阻擋運動的作用。載流子在內 建電場中的運動叫做漂移電流0漂移運動產生的電流叫做漂移電流0漂移電流=空穴漂移電流 +電子漂移電流0方向與擴散電流方向相反0 結兩端接觸電勢及其表達方式；接觸電勢與電池的開路電壓有關，說明影響太陽電 池開路電壓的因素0答：接觸電勢是PN結空間電荷區(qū)兩端的電勢差

3、 Va表達式： 影響因素：1.與n區(qū)和p區(qū)中凈摻雜濃度有關（Nd,Na）有關，摻雜濃度越大，V0 越大即太陽電池的開路電壓 Voc 越大。2. 與半導體材料種類有關，不同半導體有不同的本征載流子濃度（ni ），在同樣摻雜濃度下，其V不同即Voc不同。3. 溫度 T 有關 溫度愈高 ni 愈大， Vo 愈小，所以隨環(huán)境溫度增高，太陽電池 Voc 成 指數(shù)下降。4. 了解 PN 結正向電壓電流特性；多子與少子；非平衡少數(shù)載流子注入；正向電 流（電池的暗電流）及方向。答：特性：勢壘區(qū)中的電場減小，由Vo變?yōu)椋╒o-V）;勢壘高度減小，由 eV0變?yōu)閑（ Vo-V）；勢壘區(qū)寬度w減小。出現(xiàn)非平衡載流子

4、注入：載流子擴散電流大于漂移電流。 n 區(qū)中電子不斷擴散到 p 區(qū)，p區(qū)中空穴不斷擴散到n區(qū)，這種注入載流子的，為非平衡少子。正向電流：對PN結施加正向偏壓 V后，擴散電流大于漂移電流，導致非平衡少子 注入而產生的電流。方向由 p指向n。結反向電壓一電流特性；反向飽和電流及方向；PN結的電壓一電流特性。答：特性：勢壘區(qū)中的電場減小，由Vo變?yōu)椋╒o+V）;勢壘高度減小，由 evO變?yōu)閑（ Vo+V）；勢壘區(qū)寬度w增大。反向飽和電流：是一個數(shù)值很小，且不隨反向電壓V變化而變化的電流。由n指向p。PN結的電壓-電流特性：加上外加電壓后，pn結上流過的電流。6光伏電池工作原理；光生電流及方向；光生電

5、壓及方向；光照后流過負載的電流；太陽電池的開路電壓；短路電流；輸出功率及最大輸出功率；光電轉換效率。答：工作原理：利用光激發(fā)的少子通過PN結而發(fā)電。光生電流及其方向：在內建電場的作用下， P 型半導體中的光照產生的電子將流向N型半導體，而N型半導體中的額空穴將流向 P型半導體，形成光生電流li。由n 指向 p。光生電壓及其方向：光生電流出現(xiàn)導致光生電場Vph形成。由p指向n,與內建電場方向相反。光照后流過 PN 結的電流：光照后，導致載流子擴散產生的電流大于漂移產生的電 流，從而產生凈的正向電流 lf 。；lo 是反向飽和電流。光照后流過負載的電流：太陽電池的幵路電壓：將 PN結幵路，將負載電

6、阻無窮大，負載上的電流為零，I為零時的電壓為開路電壓。短路電流：負載電阻 R,光生電壓Vph和光照時流過PN結上的正向電壓If均為零 時的電流。輸出功率及其最大輸出功率：光電轉換效率：7. 了解按電池結構和材料分類的太陽電池種類。答：按電池結構分： 1. 同質結光伏電池：相同的半導體材料，含有不同的導電型號 雜質，構成一個或多個 PN結2.異質結光伏電池：在不同禁帶寬度的兩種半導體材料組成，接觸的界面組成PN結3.肖特基電池：用介質和半導體組成一個肖特基結電池（又稱MIS電池）4.薄膜電池：由非導體的基底上淀積一層薄膜半導體材料組成的電池5.疊層電池：將兩種對光波吸收能力不同的半導體材料疊置在

7、一起構成的電池，目的是最大限度吸收不同波長的光，提高太陽電池的光電轉換效 率。按電池材料分： 1. 硅電池：包括單晶硅，多晶硅，非晶硅（制造成本依次下降，光 電轉換效率依次下降）2.非硅電池：主要有 Cds. GalnSe, GalnS .3有機電池 : 有機高分子材料組成的電池。8. 硅晶體電池的基本結構及制造工藝流程。答：硅晶片加工（切片），化學腐蝕，制PN結，鋁背場制備，制上下電極，制減反 射薄膜。結構略。 9絨面結構及作用；單晶硅片和多晶硅片表面制作絨面結構所用的腐蝕劑及提高 絨面結構質量采用的措施。答：絨面結構： 晶向的硅單晶 , 經腐蝕后表面會形成 （在顯微鏡下看到 ） 像“金 字

8、塔”形狀高低不平的表面。作用: 減少電池表面的光反射，大大提高對光的吸收率，最大限度提高光電轉換效腐蝕劑：單晶硅使用 NaOH水溶液或KOH水溶液；多晶硅使用 HF混合液。提高絨面結構質量采用的措施：1.在NaOH水溶液中加入少量異丙醇。2. 用NaCO（K2CO3或磷酸鈉液對單晶硅片進行結構處理。10. 金屬電極作用；對金屬電極的要求；金屬電極的絲網印刷制作工藝。 答：作用：收集電極（少數(shù)載流子）收集光生電流，然后引導到負載。 要求： 1. 與硅片形成良好的歐姆接觸。2. 電極線寬要越細越好。 （提高光電轉換效率） 制作工藝：按設計好的電極圖形的模板，用絲網印刷法將導體漿料（用超細銀粉與 有

9、機溶劑調成漿料） ，印制在電池表面，然后在適當?shù)臏囟认聼Y，使有機溶液揮 發(fā)，而金屬顆粒（Ag）與硅片緊緊的粘附，形成（Ag）與硅的合晶。11. 鋁背電場結構；合金化作用；鋁背電場結構的作用，并解釋為何會產生這樣的作用。答：鋁背場結構：在 pn 結制備完后，在硅片背面淀積一層鋁膜，經合金化高溫處理后，在硅片內形成卩+層（高濃度p型雜質層），在硅片背側面產生了內建電場（BSF）。合金化作用：1. AL原子進入硅片內，形成一層高濃度的p+層形成BSF結構。2. 使 Al 膜緊緊的黏在硅片的表面，形成背電極。鋁背場結構的作用： 1. 能提高電池的光電轉換效率原因：由于P+層存在，在電池背面形成一個P

10、+/p結，從而產生一個內建電場，由于這個電場的方向與電池端電壓方向相反，阻止了光生電壓少數(shù)載流子向 P+層擴散,由此減少了少子在背面的復合幾率，提高了電子的收集效率，即提高了光生電流， 同時提高了電池的開路電壓，提高了光電轉換效率。2. 可做電池背面的金屬電極12減反射減少光反射的原理；減反射層減少光反射的光學條件；并懂得由此條件選擇減反射膜材料及膜厚。（在題中計算題，且用到半導體本征吸收限入0的概念）答：原理：利用光在減反射膜的上下表面反射所產生的光程差，使兩束反射光干涉 相消，從而減弱反射，增加透射。條件：（ 1）（ 2）d:減反射膜厚，：光波長，L:正整數(shù) 題略，看筆記。13. 對減反射

11、膜材料的總體要求； TiO2 膜制備工藝，反應方程式。 答：要求：能具有良好的減反射效果，還要求透明度好，熱膨脹系數(shù)少，與硅片粘 附性好，抗輻射，耐腐蝕。 （6 點）噴涂熱（水）解法工藝：利用 N2 攜帶含鈦酸異丙酯的水蒸氣，噴涂到加熱的硅片 上表面，發(fā)生水解反應。反應： Ti（OC3H7）+2H2O=TiO2+4（C3H7）OH14. 鑄造技術為何能提高多晶硅純度；制備鑄造多晶硅的工藝流程；描述直培法工 藝；影響直培法制備柱形多晶硅的因素。答：提純材料： 1. 利用定向凝固過程中的雜質分凝現(xiàn)象，使雜質富集在多晶硅錠 的兩端。2 在真空中熔化，凝固，原料中雜質在表面揮發(fā)。3 在保護氣體或熔體中

12、添加能與雜質反應生成揮發(fā)性物質的氣體， 是雜質中熔硅分離。直熔法工藝流程：裝料 - 加熱- 熔化- 晶體生長- 退火- 冷卻。 直培法描述：硅原材料首先在坩堝中熔化，坩堝周圍的加熱器保持坩堝上部溫度的同時，自坩堝的底部開始逐漸降溫，從而使坩堝底部的熔體首先結晶，再通過保持 固液界面在同一水平面上并逐漸上升，使得整個熔體結晶為晶錠。采用定向凝固法 長晶。影響因素：純度高，不產生雜質玷污；不與晶體粘連；熱膨脹系數(shù)??；熱導率?。?坩堝形狀 （方形，內壁涂高純氧化硅 / 氮化硅）15. 了解單結 a-Si 薄膜電池的結構； 工作過程及工作原理， a-Si 薄膜電池效率低的 原因及解決措施。答：單結結構

13、是指只有 1 個 pin 結（相當與晶體硅電池中的 pn 結） 具體結構： 1. 玻璃，為電池襯底（基片）是各種薄膜淀積的載體，也是電池的受光 面。2. 透明導電膜（ TCO,SnO2）（ 上電極，厚 900nm）（或P-a-SiC,能提高電池性能）（厚10nm（ 本征非晶硅 ） （ 500nm）（或 uc-Si）（ 厚 10nm）6. 透明導電膜（ ZnO）（900nm）7. 金屬Al膜（與ZnO膜相當）345是pin結，67是背電極。工作過程：陽光從玻璃受光面通過，經過透明導電層和P型層，在本征層激發(fā)出光生載流子，分別漂移給 p,n 層，最終產生電流通過鋁電極和透明導電層，引導到負 載。工

14、作原理：a-Si電池的pn結中加入“ i ”層。形成pin結結構。P層為光入射層。 i層為本征吸收層，N層為基底層。此結構中，pi結和in結形成的內建電場跨越整 個i層。當入射光穿過 P型層，在i層激發(fā)出電子一空穴對，很快地被內建電場分離，空穴漂移到P型層，電子漂移到 N層，形成光生電流和光生電壓，i層是光敏 a-Si 薄膜電池存在的問題：1. 光電轉換效率低：原因：（見書上 P67 頁 17-28 行）非晶硅的帶隙較寬；非晶硅的遷移邊存在高密度 的尾態(tài)；非晶硅材料阻態(tài)密度較高，非晶硅太陽電池的 p 區(qū)和 n 區(qū)得電阻率較高。 主要為材料本身的結構及缺陷和電池的結構導致對陽光的光譜響應的范圍窄

15、，載流 子復合機率大，電荷收集困難。改進措施：1. 將電池的窗口層材料由 P-a-Si 改用為禁帶寬度更寬的 P-a-SiC 材料， 以減少光吸收（增加光透射） 。2 將電池的 N-a-Si 層改為禁帶寬度更窄的 n-uc-Si（n 型微晶硅 ） 。3. 利用多級帶隙材料結構。2. 電池效率的光衰減：原因：a-Si膜中的“ H含量過大。電池在受到光照后，會產生光致亞穩(wěn)態(tài)缺陷， 導致其在 a-Si 膜中移動，擴散長期在光照下，其光電導和暗電導同時下降，從而 使電池的光電轉換效率下降光衰減。改進措施：降低a-Si膜（尤其是i層）中的“ H”含量。淀積膜時，采用電子回旋共振 CVD法或利用氫化CVD

16、或熱絲CVD法。在膜制備完成后，采用等離子化學退火法或H2或He稀釋法。16. 了解CdTe電池結構；Sn02的特性，透明導電膜的用途。答：電池結構：CdTe薄膜太陽電池一般制備在玻璃襯底上，首先淀積一層Sn02薄膜，作為透明導電薄膜，再淀積一層n型CdS薄膜，作為窗口層，然后沉積高摻雜p型CdTe薄膜，最后制備金屬接觸層，形成完整的CdTe薄膜太陽電池。純的SnO2是透明的n型半導體材料，禁帶寬度為,透過率在80%以上，在摻入Sb等雜質后會使SnO2轉變?yōu)閷w。透明導電膜是既有高的導電性，又對可見光有很好的透光性，而對紅外光有較 高反射性的薄膜。透明就意味著材料的能帶隙寬度大，明導電膜主要有

17、金屬膜和氧 化物半導體膜兩大類。17 .了解CuinSe2膜的及其電池的特性，尤其要知道CuinSe2膜的各種制備方法及工藝。答：優(yōu)點：膜的光吸收系數(shù)大，可達 /cm, 禁帶寬度為且為直接帶隙材料，理論轉換效率為25-30%,只需1-2um厚度的膜就可吸收99%的陽光，大大降低成本，可制成 大面積的電池。方法： 1. 直接蒸發(fā)合成法：在真空中通過加熱蒸發(fā)原材料，在襯底上淀積成膜，據 蒸發(fā)源不同分為單源（一個爐子） ，雙源（二個爐子） ，三源（三個爐子）真空蒸發(fā) 法。單源：將高純 Cu,in,Se 粉末按化學計量比配成 Cu,in,Se 原料，然后放在一 起蒸發(fā)，得到CuinSe2膜。該法特點：不易控制成分（不易控制各成分