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太阳能电池材料期末复习题 填空题 1. 波长为 400nm 的光的光子的能量是 1.24/0.4 ev。 2. 能量单位“电子伏”和“焦耳”的关系是 1ev1.60210 19 J。 3. 是摄氏温标K 是开氏温标0相当于 273K那么室温 25 度用开氏表示为 298K。 4. 半导体加上外电压时半导体内部出现两种电流它们分别是电子电流和空穴电流。 5. 掺杂半导体中的少数载流子是本征激发形成的。 6. 掺杂半导体中的多数载流子数量与掺杂浓度有关。 7. 掺杂浓度增大时少子的数量减少。 8. 半导体一般分为直接能隙半导体和间接能隙半导体我们使用的 Si 是一种间接能隙半 导体。 9. 半导体中载流子的产生与符合是一个动态的过程 而且从材料表面到内部都有这种过程 存在其中体符合又分为直接符合和间接符合两类。 10. 阳光照射在电池表面时在表层就被吸收的光是 A 蓝光 B 红光 11. 整顿的三要素是场所、方法、标识。 12. 欧姆定律描述了电路中电压、电流和负载的关系用公式表示为 IU/R由此可以知 道当电源电压一定时负载电阻越大电路的电流越小。 13. 功率的单位是瓦特。 14. 扩散是因为浓度不同而引起的载流子的运动 浓度梯度越大扩散越快 迁移是载流子在 电场作用下朝特定方向移动其他条件不变随着掺杂浓度的提高扩散和迁移都会变 慢。 15. 我们在开始制造太阳能电池前都会先测量硅片的电阻率 是因为电阻率可以反应出硅片 的掺杂水平、电子或空穴的迁移率及扩散系数。 16. PN 结的内建电场是从 N 区指向 P 区。 17. 耗尽层的厚度与掺杂浓度有直接联系掺杂浓度越大所形成的耗尽层越薄。 18. 在 PN 结两端加反向电压会使耗尽层变宽器件中只有微小的反向电流通过器件处于 截止状态在 PN 结两端加正向电压会使耗尽层变窄器件中有很大电流通过器件处 于导通状态。 19. 写出肖克莱方程电池暗特性方程IFI0(eqv/kt1)。其中 I0是反向饱和电流。 20. 去损过程发生的化学反应方程式是配平后 Si + 2 NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2 H2 21. 沉积氮化硅的过程发生的化学反应方程式是3SiH4 + 4NH3 = Si3N4 +12 H2 22. 写出 SiO2 和 HF 酸发生的化学反应方程式SiO2+6HF = H2SiF6+2H2O 23. PN 结电容效应包含了势垒电容和扩散电容前者是由空间电荷区的离子薄层形成的。 24. P 型硅为基体的太阳电池未导通的情况下其光生电压的方向是 PN。 25. 量子效率 QE 是真正被收集的载流子数目与给定能量的入射光子数目的比值。 26. 导致收集几率和量子效率降低的共同的机制是复合。 27. 在稳定的光照下太阳电池开路时电子 e “集结” n 边空穴 h ”集结“ p 边此时电 池两极之间的电压便是太阳电池的开路电压 Voc。 28. 电池开路且有稳定光照时正向结电流 IF和光电流 IL大小相等方向相反。光电流的 方向是 np。 29. 电池短路且有稳定光照时 光生电流得以全部流出 此时的光电流就是太阳电池的短路 电流 Isc。 30. 电池外接负载时设光电流为 IL正向结电流为 IF则流过负载的电流 Im = IL IF。 31. 有稳定光照时太阳电池的光电流 IL是一个常量而正向结电流 IF会随着负载的压降 变化。 32. 开路电压 Voc 决定于光的吸收、注入、载流子的收集。 33. 掺杂浓度过低或过高都不能得到较好的开路电压一般我们选取电阻率在 0.5-3 之间的 基片。 34. 除了入射光的强度会影响短路电流大小以外 入射光的光谱分布也直接决定了短路电流 的大小。 35. 电流密度 Jsc 是指单位面积上的电流强度。 36. 太阳电池特征电阻 RCHVmp/ImpVoc/Isc。 37. 影响金属电极和硅之间的接触电阻最直接的工艺是烧结工艺。 38. 开路电压和短路电流两个参数中对温度比较敏感的是开路电压 温度每升高一度 它会 降低约 2.2mv。 1.半导体太阳能光伏电池工作原理的四个基本过程。 答第一必须有光照射可以是单色光太阳光和模拟光源。 第二光子源注入到半导体内后产生电子-空穴对且电子-空穴对具有足够的寿命。 第三利用 PN 结将电子-空穴对分离分别集中于两端。 第四被分离的电子和空穴经由电极收集运输到电池体外形成电流。 2.空间电荷区内建电场及方向漂移电流和扩散电流及其方向。 答空间电荷区扩散结果n 区出现正电荷区p 区出现负电荷区则交界面的两侧的正 负电荷区总称为空间电荷区。 内建电场由于空间电荷区正负电荷相互吸引形成一个称为势垒电场的内建电场带 正电荷的 n 区指向带负电荷的 p 区。 扩散电流当两种不同型号半导体连接起来在交界处产生载流子扩散。由 n 型半导体 与 p 型半导体交界处两侧不同型号载流子 多数载流子 浓度差引起的载流子扩散产生的电 流。扩散电流=电子扩散电流+空穴扩散电流。方向 p 指向 n。 漂移电流 内建电场的形成对多数载流子扩散运动起阻挡运动的作用。 载流子在内建电 场中的运动叫做漂移电流。漂移运动产生的电流叫做漂移电流。漂移电流=空穴漂移电流+ 电子漂移电流。方向与扩散电流方向相反。 3.PN 结两端接触电势及其表达方式接触电势与电池的开路电压有关说明影响太阳电池 开路电压的因素。 答接触电势是 PN 结空间电荷区两端的电势差 Vo。 表达式) * ln( 2 0 i n NaNd q KT v 影响因素1.与 n 区和 p 区中净摻杂浓度有关Nd,Na有关摻杂浓度越大V0 越大 即太阳电池的开路电压 Voc 越大。 2.与半导体材料种类有关不同半导体有不同的本征载流子浓度ni 在 同样摻杂浓度下其 Vo 不同即 Voc 不同。 3.温度 T 有关 温度愈高 ni 愈大Vo 愈小所以随环境温度增高太阳电 池 Voc 成指数下降。 4.了解 PN 结正向电压电流特性多子与少子非平衡少数载流子注入正向电流电池 的暗电流及方向。 答 特性 势垒区中的电场减小 由 Vo 变为 Vo-V 势垒高度减小 由 eV0 变为 e Vo-V 势垒区宽度 w 减小。 出现非平衡载流子注入载流子扩散电流大于漂移电流。n 区中电子不断扩散到 p 区 p 区中空穴不断扩散到 n 区这种注入载流子的为非平衡少子。 正向电流对 PN 结施加正向偏压 V 后扩散电流大于漂移电流导致非平衡少子注入 而产生的电流。方向由 p 指向 n。 5.PN 结反向电压电流特性反向饱和电流及方向PN 结的电压电流特性。 答特性势垒区中的电场减小由 Vo 变为Vo+V 势垒高度减小由 ev0 变为 eVo+V 势垒区宽度 w 增大。 反向饱和电流是一个数值很小且不随反向电压 V 变化而变化的电流。由 n 指向 p。 PN 结的电压-电流特性加上外加电压后pn 结上流过的电流。 6光伏电池工作原理光生电流及方向光生电压及方向光照后流过负载的电流太阳 电池的开路电压短路电流输出功率及最大输出功率光电转换效率。 答工作原理利用光激发的少子通过 PN 结而发电。 光生电流及其方向在内建电场的作用下P 型半导体中的光照产生的电子将流向 N 型半导体而 N 型半导体中的额空穴将流向 P 型半导体形成光生电流 Ii。由 n 指向 p。 光生电压及其方向光生电流出现导致光生电场 Vph 形成。由 p 指向 n与内建电场方 向相反。 光照后流过 PN 结的电流光照后导致载流子扩散产生的电流大于漂移产生的电流 从而产生净的正向电流 If。 )exp(Io kT qVph IoIf Io 是反向饱和电流。 光照后流过负载的电流)exp(Io kT qVph IoIiIfIiI 太阳电池的开路电压将 PN 结开路将负载电阻无穷大负载上的电流为零I 为零 时的电压为开路电压。 )1ln( Io Ii q kT Voc 短路电流负载电阻 R光生电压 Vph 和光照时流过 PN 结上的正向电压 If 均为零时 的电流。 IiIsc 输出功率及其最大输出功率 VmPm IfIiVphVphIP Im* )(* 光电转换效率 Pin Pm 7.了解按电池结构和材料分类的太阳电池种类。 答按电池结构分1.同质结光伏电池相同的半导体材料含有不同的导电型号杂质构 成一个或多个 PN 结。 2.异质结光伏电池 在不同禁带宽度的两种半导体材料组成 接触的界 面组成 PN 结。 3.肖特基电池用介质和半导体组成一个肖特基结电池又称 MIS 电 池 。 4.薄膜电池由非导体的基底上淀积一层薄膜半导体材料组成的电池。 5.叠层电池 将两种对光波吸收能力不同的半导体材料叠置在一起构成 的电池目的是最大限度吸收不同波长的光提高太阳电池的光电转换效率。 按电池材料分1.硅电池包括单晶硅多晶硅非晶硅制造成本依次下降光电转 换效率依次下降 2.非硅电池主要有 Cds. GaInSe, GaInS. 3有机电池:有机高分子材料组成的电池。 8.硅晶体电池的基本结构及制造工艺流程。 答硅晶片加工切片 化学腐蚀制 PN 结铝背场制备制上下电极制减反射薄膜。 结构略。 9绒面结构及作用单晶硅片和多晶硅片表面制作绒面结构所用的腐蚀剂及提高绒面结构 质量采用的措施。 答绒面结构晶向的硅单晶,经腐蚀后表面会形成(在显微镜下看到)像“金字塔”形 状高低不平的表面。 作用:减少电池表面的光反射大大提高对光的吸收率最大限度提高光电转换效率。 腐蚀剂单晶硅使用 NaOH 水溶液或 KOH 水溶液多晶硅使用 HF 混合液。 提高绒面结构质量采用的措施1.在 NaOH 水溶液中加入少量异丙醇。 2.用 NaCO3K2CO3或磷酸钠液对单晶硅片进行结构 处理。 10.金属电极作用对金属电极的要求金属电极的丝网印刷制作工艺。 答作用收集电极少数载流子收集光生电流然后引导到负载。 要求1.与硅片形成良好的欧姆接触。 2.电极线宽要越细越好。 提高光电转换效率 制作工艺按设计好的电极图形的模板用丝网印刷法将导体浆料用超细银粉与有机 溶剂调成浆料 印制在电池表面然后在适当的温度下烧结使有机溶液挥发而金属颗 粒(Ag)与硅片紧紧的粘附形成Ag与硅的合晶。 11.铝背电场结构合金化作用铝背电场结构的作用并解释为何会产生这样的作用。 答铝背场结构在 pn 结制备完后在硅片背面淀积一层铝膜经合金化高温处理后在 硅片内形成 p+层高浓度 p 型杂质层 在硅片背侧面产生了内建电场BSF 。 合金化作用1. AL 原子进入硅片内形成一层高浓度的 p+层形成 BSF 结构。 2.使 Al 膜紧紧的黏在硅片的表面形成背电极。 铝背场结构的作用1.能提高电池的光电转换效率 原因由于 P+层存在在电池背面形成一个 P+/p 结从而产生一个内建电场由 于这个电场的方向与电池端电压方向相反阻止了光生电压少数载流子向 P+层扩 散由此减少了少子在背面的复合几率提高了电子的收集效率即提高了光生电 流同时提高了电池的开路电压提高了光电转换效率。 2.可做电池背面的金属电极。 12减反射减少光反射的原理减反射层减少光反射的光学条件并懂得由此条件选择减 反射膜材料及膜厚。 在题中计算题且用到半导体本征吸收限 0的概念 答原理利用光在减反射膜的上下表面反射所产生的光程差使两束反射光干涉相消从 而减弱反射增加透射。 条件 Si nnn* 0 2 1 )12(* 4 1 *Ldn 2 d:减反射膜厚光波长L正整数 题略看笔记。 13.对减反射膜材料的总体要求TiO2 膜制备工艺反应方程式。 答要求能具有良好的减反射效果还要求透明度好热膨胀系数少与硅片粘附性好 抗辐射耐腐蚀。 6 点 喷涂热水解法工艺利用 N2 携带含钛酸异丙酯的水蒸气喷涂到加热的硅片上表 面发生水解反应。 反应Ti(OC3H7)+2H2O=TiO2+4(C3H7)OH 14.铸造技术为何能提高多晶硅纯度制备铸造多晶硅的工艺流程描述直培法工艺影响 直培法制备柱形多晶硅的因素。 答提纯材料1. 利用定向凝固过程中的杂质分凝现象使杂质富集在多晶硅锭的两端。 2在真空中熔化凝固原料中杂质在表面挥发。 3在保护气体或熔体中添加能与杂质反应生成挥发性物质的气体是杂质 中熔硅分离。 直熔法工艺流程装料-加热-熔化-晶体生长-退火-冷却。 直培法描述 硅原材料首先在坩埚中熔化 坩埚周围的加热器保持坩埚上部温度的同时 自坩埚的底部开始逐渐降温 从而使坩埚底部的熔体首先结晶 再通过保持固液界面在同一 水平面上并逐渐上升使得整个熔体结晶为晶锭。采用定向凝固法长晶。 影响因素纯度高不产生杂质玷污不与晶体粘连热膨胀系数小热导率小坩 埚形状(方形内壁涂高纯氧化硅/氮化硅 15.了解单结 a-Si 薄膜电池的结构工作过程及工作原理a-Si 薄膜电池效率低的原因及 解决措施。 答单结结构是指只有 1 个 pin 结相当与晶体硅电池中的 pn 结 具体结构1.玻璃为电池衬底基片是各种薄膜淀积的载体也是电池的受光面。 2.透明导电膜TCO,SnO2(上电极厚 900nm) 3.P-a-Si (或 P-a-SiC,能提高电池性能)厚 10nm 4.i-a-Si (本征非晶硅)500nm 5.N-a-Si (或 uc-Si) (厚 10nm) 6.透明导电膜ZnO 900nm 7.金属 Al 膜与 ZnO 膜相当 345 是 pin 结67 是背电极。 工作过程阳光从玻璃受光面通过经过透明导电层和 P 型层在本征层激发出光生载 流子分别漂移给 p,n 层最终产生电流通过铝电极和透明导电层引导到负载。 工作原理a-Si 电池的 pn 结中加入“i”层。形成 pin 结结构。P 层为光入射层。i 层 为本征吸收层N 层为基底层。此结构中pi 结和 in 结形成的内建电场跨越整个 i 层。当 入射光穿过 P 型层在 i 层激发出电子空穴对很快地被内建电场分离空穴漂移到 P 型层电子漂移到 N 层形成光生电流和光生电压i 层是光敏层。 a-Si 薄膜电池存在的问题 1.光电转换效率低 原因 见书上 P67 页 17-28 行非晶硅的带隙较宽非晶硅的迁移边存在高密度的尾 态非晶硅材料阻态密度较高非晶硅太阳电池的 p 区和 n 区得电阻率较高。主要为材 料本身的结构及缺陷和电池的结构导致对阳光的光谱响应的范围窄载流子复合机率 大电荷收集困难。 改进措施1.将电池的窗口层材料由 P-a-Si 改用为禁带宽度更宽的 P-a-SiC 材料以 减少光吸收增加光透射 。 2将电池的 N-a-Si 层改为禁带宽度更窄的 n-uc-Si(n 型微晶硅)。 3.利用多级带隙材料结构。 2.电池效率的光衰减 原因a-Si 膜中的“H”含量过大。电池在受到光照后会产生光致亚稳态缺陷导致 其在 a-Si 膜中移动扩散长期在光照下其光电导和暗电导同时下降从而使电池的 光电转换效率下降光衰减。 改进措施降低 a-Si 膜尤其是 i 层中的“H”含量。 1. 淀积膜时采用电子回旋共振 CVD 法或利用氢化 CVD 或热丝 CVD 法。 2. 在膜制备完成后采用等离子化学退火法或 H2 或 He 稀释法。 16.了解 CdTe 电池结构SnO2 的特性透明导电膜的用途。 答电池结构CdTe 薄膜太阳电池一般制备在玻璃衬底上首先淀积一层 SnO2 薄膜作为 透明导电薄膜再淀积一层 n 型 CdS 薄膜作为窗口层然后沉积高掺杂 p 型 CdTe 薄膜 最后制备金属接触层形成完整的 CdTe 薄膜太阳电池。 纯的 SnO2 是透明的 n 型半导体材料禁带宽度为 3.6eV,透过率在 80%以上在掺入 Sb 等杂质后会使 SnO2 转变为导体。 透明导电膜是既有高的导电性 又对可见光有很好的透光性 而对红外光有较高反射性 的薄膜。 透明就意味着材料的能带隙宽度大 明导电膜主要有金属膜和氧化物半导体膜两大 类。 17了解 CuInSe2 膜的及其电池的特性尤其要知道 CuInSe2 膜的各种制备方法及工艺。 答优点膜的光吸收系数大可达 5 10/cm,禁带宽度为 1.04eV 且为直接带隙材料理论 转换效率为 25-30%只需 1-2um 厚度的膜就可吸收 99%的阳光大大降低成本可制成大面 积的电池。 方法1.直接蒸发合成法在真空中通过加热蒸发原材料在衬底上淀积成膜据蒸发 源不同分为单源一个炉子 双源二个炉子 三源三个炉子真空蒸发法。 单源 将高纯 Cu,In,Se 粉末按化学计量比配成 Cu,In,Se 原料 然后放在一起蒸 发得到 CuInSe2 膜。 该法特点不易控制成分不易控制各成分的化学计量比 。 双源蒸发一定化学计量比的 CuInSe2 原料作为一个源另一个源为 Se 粉然 后把两源装入同一蒸发室控制不同温度同时蒸发。 该法特点 在严控 Se 源温度下获得的 Cu,In,Se 膜化学计量比。 比单源蒸发法佳。 三源法把 Cu,In,Se 粉作为各自独立的蒸发源在同一蒸发室中控制各自不同 温度同时蒸发。 该法特点膜的化学计量比易满足要求。 2 硒化法 先利用溅射法 或电化学淀积法获得 CuIn 合金前置膜 然后在 H2Se 气氛中热处理使 H2Se 分解得到的 Se 原子进入 CuIn 合金中形成 CuInSe2 膜。 化工原理 1.离心泵的主要部件有 、 和 。 2.某流体流量为 10m3/s,密度为 1000kg/m3 粘度为 2.65mp a.s ,输送管内径为 1.5cm,则其流动类型为 。 3.离心泵常采用 调节流量往复泵常采用 调节 流量。离心泵用出口阀调节流量实质上是改变 曲线用改变 转速来调节流量实质上是改变 曲线. 4.计算颗粒沉降速度 ut 的斯托克斯式 此式适用 于 )的情况。 5.通常( )非均相物系的离心沉降是在旋风分离器中进行( ) 悬浮物系 一般可在旋液分离器或沉降离心机中进行分离。 6.当进气口气速一定时旋风分离器的直径越大其分离因数越( )。 7.某设备上真空表读数为 80mmHg,则其绝对压强为( )Pa. 问题补充 8.气体的粘度随温度的升高而( )液体的粘度随温度升高而( )。 9.传热的三种基本形式为 、 、 )。 10.工业上蒸汽的冷凝有两种方式 ( ) 、( )。 11.常用测定流量的流量计有( ) 、( ) 。 12.金属的热导率随温度的升高而( )随纯度的降低而( )。 13.对流传热的热阻主要集中在