太阳能光伏电池及其应用总复习题

1复习大纲1.铝背场的作用：①减少少数载流子在背面复合的概率；②作为背面的金属电极；③提高电池的开路电压；④提高太阳电池的收集效率；⑤降低电池的反向饱和暗电流和背表面复合速率；⑥制作良好的欧姆接触。2.简述晶体硅的制备工艺过程？答：晶体硅太阳电池的制备工艺：p型硅片-清洗制绒-扩散制结（p-n结）-去周边层-去PSG（磷硅玻璃）-镀减反射膜-印刷电极-高温烧结-检测-分选-入库包装。3.太阳能的利用形式：光化学转化、太阳能光热转化和太阳能光电转化。4.太阳能电池理论效率最高为75%。5.太阳常数：是指大气层外垂直于太阳光线的平面上，单位时间、单位面积内所接受的太阳能辐射。也就是说，在日地平均距离的条件下，在地球大气上界，垂直于光线1cm2的面积上，在１分内所接受的太阳能辐射能量；为（１３６７±７）Ｗ/㎡。６．太阳能能量转换方式主要分为光化学转化、太阳能光热转化和太阳能光电转化三种方式。７．P-N结的形成原理。答：⑴Ｐ型和Ｎ型半导体都呈电中性；⑵Ｐ型半导体的多子是空穴；Ｎ型半导体的多子是电子；⑶当Ｐ型半导体与Ｎ型半导体连接在一起时，由于ＰＮ结中不同区域的载流子分布存在浓度梯度，Ｐ型半导体材料中过剩的空穴通过扩散作用流动至Ｎ型半导体材料；同理，Ｎ型半导体材料中过剩的电子通过扩散作用流动至Ｐ型半导体材料。电子或空穴离开杂质原子后，该固定在晶格内的杂质原子被电离，因此在结区周围建立起了一个电场，以阻止电子或空穴的上述扩散流动，该电场所在的区域及耗尽区或者空间电荷区，故而称为ＰＮ结。如图所示：在交界面，由于扩散运动，经过复合,出现空间电荷区。８．P-N结半导体光生伏特效应的原理。答：在半导体被光照射、产生光传导现象时，如果由光产生的载流子在不同位置具有不均一性，或者由于PN结产生了内部载流子的话，就因扩散或者漂移效应而引起电子和空穴密度分布不平衡，从而产生电力，这一现象称为光生伏特效应（photovoltaiceffect）.9.太阳能电池的主要参数是短路电流、开路电压、填充因子和光电转换效率。10.太阳能电池的寄生电阻是指串联电阻Rs和并联电阻Rsh；(1)串联电阻Rs主要包括半导体内部的体电阻、电极用的金属与半导体表面层之间的接2触电阻、电极用的金属本身的电阻和器件内部及外部线路互相连接的引线接触电阻；⑵并联电阻Rsh主要包括来自非理想的PN结和PN结附近的杂质，会引起PN结部分短路，特别是太阳能电池的边缘部分漏电现象，会使Rsh值减小。11.简述制绒的定义、目的、原理、作用以及工艺流程；答：(1)制绒的定义：制绒是利用硅的各向异性腐蚀的特性在表面刻出类似于金字塔（单晶硅sc-si)或者是蜂窝状（多晶硅mc-si)的结构。(2)目的：为了在硅片上获得绒面结构，利用陷光原理，增加光透性，减少光的反射，提高ISC;增加光的吸收率，去除损伤层，增加PN结面积（PN结厚，VOC增加，Eg宽）。(3)原理：陷光原理。(4)绒面的作用：①减少了太阳光的反射；②增加太阳光在硅片内部的有效运动长度，就是增加了被吸收的机会。(5)工艺流程：①即先采用较高浓度的碱（NaoHorKoH）在高温条件下对单晶硅片进行短时间“粗抛”以去除硅片在线切割过程中形成的切割损伤。②漂洗（去离子水、超声波）③再用低浓度的碱（NaoHorKoH）和异丙醇（IPA：其作用是降低硅片表面张力，较少气泡在硅片表面的粘附，是硅片的金字塔更加均匀一致）的混合溶液对(100)晶面的方向的单晶硅片较长时间的各向异性腐蚀，这样可以在硅片表面形成类“金字塔”状的绒面，有效地增强了硅片表面对入射光的吸收，从而提高光生电流密度Jsc。④HF清洗⑤HCL清洗12.简述碱制绒、酸制绒的原理；答：Ⅰ.碱性制绒原理：•1.适用范围：单晶硅SC-Si；•2.组份：NaoHorKoH;•3.反应式：2NaoH+H2o+Si=Na2Sio3+2H2or2KoH+H2o+Si=K2Sio3+2H2Ⅱ.酸性制绒原理：•1.适用范围：多晶硅•2.组份：HNO3orHF•3.反应式：Si+4HNO3=SiO2+4NO2+2H2OSiO2+4HF=SiF4+2H2OSiF4+2HF=H2[SiF6]13.简述表面织构化；答：晶体硅在进行切片时，是硅片表面留下一层10-20um的损伤层，而在太阳电池制备时首先要利用化学腐蚀去除损伤层，然后制备表面绒面机构，若选择择优化学腐蚀剂就可以在硅片表面形成倒金字塔结构，称为绒面结构，又称表面织构化。14.PN结的十一种叫法，分别是电子-空穴结、复合层|区、阻挡层、结电容、高阻区、耗尽层|区、空间电荷层|区、势垒电场、内|自电场区。15.Rsh叫内部并联电阻，分流电阻，泄露电阻，旁漏电阻16.三氯氧磷扩散的原理：POCL3高温下，分解成PCL5，PCL5进一步分解成P2O5，并放出CL2，P2O5淀积在硅片表面与硅反应生成SIO2和磷原子，并在表面形成一层磷硅玻璃，然后磷原子再向硅中扩散，形成N型。317．丝网印刷的工艺三步骤：背Ag,背Al,正Ag。18.磷扩散的工艺：气态磷扩散、固态磷扩散和液态磷扩散等形式。19.减反射膜的基本原理：利用光在减反射膜上、下表面反射所产生的光程差，使得两束反射光干涉想消，从而减弱反射，增加透射。20.减反射层薄膜材料要求：①透光性好②对光吸收系数③良好的耐化学腐蚀性④良好的硅片粘结性⑤良好的导电性能21．在实际晶体硅太阳电池工艺中，常用的减反射层材料有TiO2、SnO2、SiO2、SiNx、ITO（纳米铟锡金属氧化物）和MgF2等，其厚度一般在60-100nm左右。.22.常用的减反射膜制备方法：①化学气相沉积（CVD）②等离子化学气相沉积（PECVD）③喷涂热解④溅射⑤蒸发23.硅材料的禁带宽度Eg=1.12ev间接带隙材料锗材料的禁带宽度Eg=0.67ev间接带隙材料磷化铟材料的禁带宽度Eg=1.35ev直接带隙材料砷化镓材料的禁带宽度Eg=1.43ev直接带隙材料锑化镉材料的禁带宽度Eg=1.45ev直接带隙材料硫化镉材料的禁带宽度Eg=2.4ev直接带隙材料铜铟镓锡材料的禁带宽度Eg=1.04ev直接带隙材料铜铟镓硫材料的禁带宽度Eg=1.50ev直接带隙材料24．硅材料有多种晶体形式，包括单晶硅、多晶硅和非晶硅25．单晶硅熔炼方法包括区熔单晶硅FZ和直拉单晶硅CZ。26.单晶硅片的一般制作流程：高纯多晶硅原料熔化→种晶→缩颈→放肩→等径→收尾→圆柱状单晶硅→切断、滚圆、切片、化学清洗→单晶硅片。27.迁移率是指载流子在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的量度，运动的越快，迁移率越大；运动得慢，迁移率下。28．硅共价键的键角是109°28′29．各种硅材料的优缺点对比：直拉单晶硅：优点：电池效率高，工艺稳定成熟；缺点：成本相对较高。薄膜非晶硅：优点：制作成本低缺点：光电转换率低，存在光致衰减行为，稳定性较差。铸造多晶硅优点：成本相对较低，光电转换效率较高缺点：高密度的位错、微缺陷和晶界，影响光电转换效率。薄膜多晶硅：优点：潜在低成本，相对高效率缺点：光电转换效率低32．高纯多晶硅的制备方法：①三氯氢硅氢还原法②硅烷热分解法③四氯化硅还原法33.区熔单晶硅的制备过程：首先以高纯多晶硅作为原料，制成棒状，并将多晶硅棒垂直固4定；在多晶硅棒的下端放置具有一定晶向的单晶硅，作为单晶生长的籽晶，其晶向一般为111或（100）；然后在真空或氩气等惰性气体保护下，利用高频感应线圈加热多晶硅棒，使多晶硅棒的部分区域形成熔区，并依靠熔区的表面张力保持多晶硅棒的平衡和晶体生长的顺利进行。34.区熔单晶硅中的碳和氧的浓度都低于红外光谱的探测极限，分别为1×1016cm-3和5×1016cm-3。35.直拉单晶硅的制备工艺一般工作流程：多晶硅的装料→熔化→种晶→缩颈→放肩→收尾37.单晶硅的电阻率ρ与掺杂浓度cs的关系式：38.大规模集成电路用单晶硅加工工艺流程：切断（割断）→滚圆→磨定位标志→切片→倒角→研磨→腐蚀→热处理→背面损伤→抛光→清洗→检验→包装。39.太阳电池用单晶硅加工工艺流程：切断（割断）→滚圆（切方块）→切片→化学腐蚀40.线切割的优缺点：优点：①效率高--每次切片250块以上（1台线切割机的产量=35台内圆切割机的产量）；②耗材少--线切割的直径只有180μm；③切割应力小，切割后表面损伤小。缺点：①硅片的平整度差；②设备相对昂贵，维修困难42.腐蚀效果的主要影响因素：①腐蚀液的类型②腐蚀液的配比③腐蚀温度④是否搅拌⑤硅片放置的方式43.直拉单晶硅中杂质有哪些，来源、存在形式以及如何控制，如何解决？答：杂质：主要杂质：碳，氧；其他杂质：H、N；金属杂质:Cu,Co,Ni,Mn,Fe,Mn,Cr,Zn,Ti来源：O：晶体生长过程中石英干锅的污染：C：①多晶硅原料；②晶体生长炉内的剩余气体③石英坩埚与石墨加热件的反应H：是在器件加工过程中引入的，主要用来钝化金属杂质和缺陷。N：是在晶体生长阶段加入的杂质，对控制微缺陷和增加机械强度有益。金属杂质：①硅片滚圆、切片、倒角、磨片等制备过程中，直接与金属工具接触；②在硅片清洗或湿化学抛光过程中，使用不够纯的化学试剂；③在工艺过程中，使用不锈钢等金属设备。存在形式：O：①氧可以与空位结合，形成微缺陷；②氧以团簇形成氧团簇，具有电学性能；③形成氧沉淀，引入诱生缺陷。④B-O复合体。C：间隙态金属杂质：间隙态、替位态、复合体存在。控制：O：采取精细的工艺和外加磁场加以控制。ec11s5直拉单晶硅中的金属杂质的控制和去除方法：1.减少加工中的污染2.化学腐蚀去除表面金属；3.吸杂技术:背面吸杂和内吸杂45.影响直拉单晶硅中的氧浓度的因素：答：①熔硅中的热对流；②熔硅与石英坩埚的接触面积；③晶体生长时的机械强制对流；④SiO自熔硅表面的蒸发；⑤氧与晶体中点缺陷的作用。46.在熔点附近的晶体硅中，氧的饱和固溶度约为2.75×1018cm-3；直拉单晶硅中间隙氧的间隙范围是（5-20）×1017cm-3范围内.47.影响单晶硅中氧沉淀形成、结构、分布和状态的因素：①初始氧浓度②热处理的温度③热处理的时间④碳、氮及其他杂质原子的浓度、原始晶体硅的生长条件、热处理气氛、次序等。48.直拉单晶硅在高温形成氧沉淀时有三个阶段：①氧沉淀少量形成，表现出一个孕育期；②氧沉淀快速增加；③氧沉淀增加缓慢，接近饱和。49直拉单晶硅中O、C的分布情况；答：O：头高尾低；C：头低尾高。53根据氧沉淀的形成情况，热处理的温度一般分为：①低温（600-800℃）热处理②中温（850-1050℃）热处理③高温（1100-1250℃）热处理54.氧沉淀形成热处理温度一般可分为低温、中温和高温三个热处理温度段，分别叙述三个温度段中氧沉淀形态的主要形态。答:①低温（600-800℃）:棒状，又称针状或带状;②中温（850-1050℃）:片状沉淀;③高温（1100-1250℃）:多面体沉淀。57.晶体硅中的效率衰减效应主要是由晶体中哪种复合体引起？并说明在晶体硅中如何消除这种复合体产生的衰减效应？列举几种避免该复合体产生的新技术新想法。答:1.硼氧复合体;2.硼氧复合体的缺陷可以经低温（200℃左右）热处理予以消除.3.避免该复合体产生的新技术新想法:①利用低氧单晶硅如区熔单晶硅或磁控直拉单晶硅（MCZ）;②利用n型单晶硅;③利用镓代替硼掺杂制备p型单晶硅.58.简述利用光电导衰减法测量硅的少数载流子的原理。答:无光照射时样品中高频电流：i=Imsinwt(w-高频源角频率)当样品受到光照射时，样品受光照射时，样品受光激发，产生非平衡载流子，电导率增加，样品的电阻减小59.引入位错的主要途径？答:直拉单晶硅中位错引入的主要途径:①在晶体硅生长时，由于籽晶的热冲击，会在晶体中引入原生位错;②在晶体滚圆、切片等加工工艺中，由于硅片表面存在机械损伤层，也会引入位错，在随后的热加工过程中，也可能延伸进入硅片体内;6③是热应力引入位错，这是由于在硅片的热加工过程中，由于硅片中心部位和边缘温度的不均匀分布，