（精選）太陽(yáng)能電池材料期末復(fù)習(xí)題Word版

1、太陽(yáng)能電池材料期末復(fù)習(xí)題1.半導(dǎo)體太陽(yáng)能光伏電池工作原理的四個(gè)基本過(guò)程。答：第一，必須有光照射，可以是單色光，太陽(yáng)光和模擬光源。第二，光子源注入到半導(dǎo)體內(nèi)后，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，且電子-空穴對(duì)具有足夠的壽命。第三，利用PN結(jié)，將電子-空穴對(duì)分離，分別集中于兩端。第四，被分離的電子和空穴，經(jīng)由電極收集，運(yùn)輸?shù)诫姵伢w外，形成電流。2.空間電荷區(qū)，內(nèi)建電場(chǎng)及方向；漂移電流和擴(kuò)散電流及其方向。答：空間電荷區(qū)：擴(kuò)散結(jié)果：n區(qū)出現(xiàn)正電荷區(qū)，p區(qū)出現(xiàn)負(fù)電荷區(qū)，則交界面的兩側(cè)的正，負(fù)電荷區(qū)，總稱為空間電荷區(qū)。內(nèi)建電場(chǎng)：由于空間電荷區(qū)正負(fù)電荷相互吸引，形成一個(gè)稱為勢(shì)壘電場(chǎng)的內(nèi)建電場(chǎng)，帶正電荷的n區(qū)指向帶負(fù)電荷的p

2、區(qū)。擴(kuò)散電流：當(dāng)兩種不同型號(hào)半導(dǎo)體連接起來(lái)，在交界處產(chǎn)生載流子擴(kuò)散。由n型半導(dǎo)體與p型半導(dǎo)體交界處兩側(cè)不同型號(hào)載流子（多數(shù)載流子）濃度差引起的載流子擴(kuò)散產(chǎn)生的電流。擴(kuò)散電流=電子擴(kuò)散電流+空穴擴(kuò)散電流。方向p指向n。漂移電流：內(nèi)建電場(chǎng)的形成對(duì)多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻擋運(yùn)動(dòng)的作用。載流子在內(nèi)建電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)叫做漂移電流。漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流叫做漂移電流。漂移電流=空穴漂移電流+電子漂移電流。方向與擴(kuò)散電流方向相反。3.PN結(jié)兩端接觸電勢(shì)及其表達(dá)方式；接觸電勢(shì)與電池的開(kāi)路電壓有關(guān)，說(shuō)明影響太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓的因素。答：接觸電勢(shì)是PN結(jié)空間電荷區(qū)兩端的電勢(shì)差Vo。表達(dá)式：影響因素：1.與n區(qū)和p區(qū)中凈摻雜濃

3、度有關(guān)（Nd,Na）有關(guān)，摻雜濃度越大，V0越大即太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓Voc越大。2.與半導(dǎo)體材料種類(lèi)有關(guān)，不同半導(dǎo)體有不同的本征載流子濃度（ni），在同樣摻雜濃度下，其Vo不同即Voc不同。3.溫度T有關(guān) 溫度愈高ni愈大，Vo愈小，所以隨環(huán)境溫度增高，太陽(yáng)電池Voc成指數(shù)下降。4.了解PN結(jié)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(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)減小，由Vo變?yōu)椋╒o-V）；勢(shì)壘高度減小，由eV0變?yōu)閑（Vo-V）；勢(shì)壘區(qū)寬度w減小。出現(xiàn)非平衡載流子注入：載流子擴(kuò)散電流大于漂移電流。n區(qū)中電子不斷擴(kuò)散到p區(qū)，p區(qū)中空穴不斷擴(kuò)散到n區(qū)，這種注

4、入載流子的，為非平衡少子。正向電流：對(duì)PN結(jié)施加正向偏壓V后，擴(kuò)散電流大于漂移電流，導(dǎo)致非平衡少子注入而產(chǎn)生的電流。方向由p指向n。5.PN結(jié)反向電壓電流特性；反向飽和電流及方向；PN結(jié)的電壓電流特性。答：特性：勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)減小，由Vo變?yōu)椋╒o+V）；勢(shì)壘高度減小，由ev0變?yōu)閑（Vo+V）；勢(shì)壘區(qū)寬度w增大。反向飽和電流：是一個(gè)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(jié)的電壓-電流特性：加上外加電壓后，pn結(jié)上流過(guò)的電流。6光伏電池工作原理；光生電流及方向；光生電壓及方向；光照后流過(guò)負(fù)載的電流；太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓；短路電流；輸出功率及最大輸出功率；光電轉(zhuǎn)換效率。答：工

5、作原理：利用光激發(fā)的少子通過(guò)PN結(jié)而發(fā)電。光生電流及其方向：在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，P型半導(dǎo)體中的光照產(chǎn)生的電子將流向N型半導(dǎo)體，而N型半導(dǎo)體中的額空穴將流向P型半導(dǎo)體，形成光生電流Ii。由n指向p。光生電壓及其方向：光生電流出現(xiàn)導(dǎo)致光生電場(chǎng)Vph形成。由p指向n，與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反。光照后流過(guò)PN結(jié)的電流：光照后，導(dǎo)致載流子擴(kuò)散產(chǎn)生的電流大于漂移產(chǎn)生的電流，從而產(chǎn)生凈的正向電流If。 ；Io是反向飽和電流。光照后流過(guò)負(fù)載的電流：太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓：將PN結(jié)開(kāi)路，將負(fù)載電阻無(wú)窮大，負(fù)載上的電流為零，I為零時(shí)的電壓為開(kāi)路電壓。；短路電流：負(fù)載電阻R，光生電壓Vph和光照時(shí)流過(guò)PN結(jié)上的正向電壓If均

6、為零時(shí)的電流。；輸出功率及其最大輸出功率：；光電轉(zhuǎn)換效率：；7.了解按電池結(jié)構(gòu)和材料分類(lèi)的太陽(yáng)電池種類(lèi)。答：按電池結(jié)構(gòu)分：1.同質(zhì)結(jié)光伏電池：相同的半導(dǎo)體材料，含有不同的導(dǎo)電型號(hào)雜質(zhì)，構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)PN結(jié)。 2.異質(zhì)結(jié)光伏電池：在不同禁帶寬度的兩種半導(dǎo)體材料組成，接觸的界面組成PN結(jié)。 3.肖特基電池：用介質(zhì)和半導(dǎo)體組成一個(gè)肖特基結(jié)電池（又稱MIS電池）。 4.薄膜電池：由非導(dǎo)體的基底上淀積一層薄膜半導(dǎo)體材料組成的電池。 5.疊層電池：將兩種對(duì)光波吸收能力不同的半導(dǎo)體材料疊置在一起構(gòu)成的電池，目的是最大限度吸收不同波長(zhǎng)的光，提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。按電池材料分：1.硅電池：包括單晶硅，多晶

7、硅，非晶硅（制造成本依次下降，光電轉(zhuǎn)換效率依次下降） 2.非硅電池：主要有Cds. GaInSe, GaInS. 3有機(jī)電池:有機(jī)高分子材料組成的電池。8.硅晶體電池的基本結(jié)構(gòu)及制造工藝流程。答：硅晶片加工（切片），化學(xué)腐蝕，制PN結(jié)，鋁背場(chǎng)制備，制上下電極，制減反射薄膜。 結(jié)構(gòu)略。9絨面結(jié)構(gòu)及作用；單晶硅片和多晶硅片表面制作絨面結(jié)構(gòu)所用的腐蝕劑及提高絨面結(jié)構(gòu)質(zhì)量采用的措施。答：絨面結(jié)構(gòu)：<100>晶向的硅單晶,經(jīng)腐蝕后表面會(huì)形成(在顯微鏡下看到)像“金字塔”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(duì)光的吸收率，最大限度提高光電轉(zhuǎn)換效率。腐蝕劑：?jiǎn)尉Ч枋褂肗aOH水

8、溶液或KOH水溶液；多晶硅使用HF混合液。提高絨面結(jié)構(gòu)質(zhì)量采用的措施：1.在NaOH水溶液中加入少量異丙醇。 2.用NaCO3（K2CO3）或磷酸鈉液對(duì)單晶硅片進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理。10.金屬電極作用；對(duì)金屬電極的要求；金屬電極的絲網(wǎng)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(dǎo)到負(fù)載。要求：1.與硅片形成良好的歐姆接觸。 2.電極線寬要越細(xì)越好。（提高光電轉(zhuǎn)換效率）制作工藝：按設(shè)計(jì)好的電極圖形的模板，用絲網(wǎng)印刷法將導(dǎo)體漿料（用超細(xì)銀粉與有機(jī)溶劑調(diào)成漿料），印制在電池表面，然后在適當(dāng)?shù)臏囟认聼Y(jié)，使有機(jī)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

9、背電場(chǎng)結(jié)構(gòu)；合金化作用；鋁背電場(chǎng)結(jié)構(gòu)的作用，并解釋為何會(huì)產(chǎn)生這樣的作用。答：鋁背場(chǎng)結(jié)構(gòu)：在pn結(jié)制備完后，在硅片背面淀積一層鋁膜，經(jīng)合金化高溫處理后，在硅片內(nèi)形成p+層（高濃度p型雜質(zhì)層），在硅片背側(cè)面產(chǎn)生了內(nèi)建電場(chǎng)（BSF）。合金化作用：1. AL原子進(jìn)入硅片內(nèi)，形成一層高濃度的p+層形成BSF結(jié)構(gòu)。2.使Al膜緊緊的黏在硅片的表面，形成背電極。 鋁背場(chǎng)結(jié)構(gòu)的作用：1.能提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率原因：由于P+層存在，在電池背面形成一個(gè)P+/p結(jié)，從而產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，由于這個(gè)電場(chǎng)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(kuò)散，由此減少了少子在背面的復(fù)合幾率，提高了電子的收集效

10、率，即提高了光生電流，同時(shí)提高了電池的開(kāi)路電壓，提高了光電轉(zhuǎn)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(xué)條件；并懂得由此條件選擇減反射膜材料及膜厚。（在題中計(jì)算題，且用到半導(dǎo)體本征吸收限0的概念）答：原理：利用光在減反射膜的上下表面反射所產(chǎn)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(zhǎng)，L：正整數(shù) 題略，看筆記。13.對(duì)減反射膜材料的總體要求；TiO2膜制備工藝，反應(yīng)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(diǎn)）噴涂熱（水）

11、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(yīng)。反應(yīng)：Ti(OC3H7)+2H2O=TiO2+4(C3H7)OH14.鑄造技術(shù)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(guò)程中的雜質(zhì)分凝現(xiàn)象，使雜質(zhì)富集在多晶硅錠的兩端。 2在真空中熔化，凝固，原料中雜質(zhì)在表面揮發(fā)。 3在保護(hù)氣體或熔體中添加能與雜質(zhì)反應(yīng)生成揮發(fā)性物質(zhì)的氣體，是雜質(zhì)中熔硅分離。直熔法工藝流程：裝料-加熱-熔化-晶體生長(zhǎng)-退火-冷卻。直培法描述：硅原材料首先在坩堝中熔化，坩堝周?chē)募訜崞鞅３舟釄迳喜繙囟鹊耐瑫r(shí)，自坩

12、堝的底部開(kāi)始逐漸降溫，從而使坩堝底部的熔體首先結(jié)晶，再通過(guò)保持固液界面在同一水平面上并逐漸上升，使得整個(gè)熔體結(jié)晶為晶錠。采用定向凝固法長(zhǎng)晶。影響因素：純度高，不產(chǎn)生雜質(zhì)玷污；不與晶體粘連；熱膨脹系數(shù)小；熱導(dǎo)率??；坩堝形狀(方形，內(nèi)壁涂高純氧化硅/氮化硅）15.了解單結(jié)a-Si薄膜電池的結(jié)構(gòu)；工作過(guò)程及工作原理，a-Si薄膜電池效率低的原因及解決措施。答：?jiǎn)谓Y(jié)結(jié)構(gòu)是指只有1個(gè)pin結(jié)（相當(dāng)與晶體硅電池中的pn結(jié)）具體結(jié)構(gòu)：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(dǎo)電膜（TCO,SnO2）(上電極，厚900nm)3.P-a-Si (或P-a-SiC,能提高電池性

13、能)（厚10nm）4.i-a-Si (本征非晶硅)（500nm）5.N-a-Si (或uc-Si) (厚10nm)6.透明導(dǎo)電膜（ZnO）（900nm）7.金屬Al膜（與ZnO膜相當(dāng)）345是pin結(jié)，67是背電極。工作過(guò)程：陽(yáng)光從玻璃受光面通過(guò)，經(jīng)過(guò)透明導(dǎo)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(chǎn)生電流通過(guò)鋁電極和透明導(dǎo)電層，引導(dǎo)到負(fù)載。工作原理：a-Si電池的pn結(jié)中加入“i”層。形成pin結(jié)結(jié)構(gòu)。P層為光入射層。i層為本征吸收層，N層為基底層。此結(jié)構(gòu)中，pi結(jié)和in結(jié)形成的內(nèi)建電場(chǎng)跨越整個(gè)i層。當(dāng)入射光穿過(guò)P型層，在i層激發(fā)出電子空穴對(duì)，很快地被內(nèi)建電場(chǎng)分離，空穴

14、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層是光敏層。a-Si薄膜電池存在的問(wèn)題：1.光電轉(zhuǎn)換效率低：原因：（見(jiàn)書(shū)上P67頁(yè)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(yáng)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(jié)構(gòu)及缺陷和電池的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致對(duì)陽(yáng)光的光譜響應(yīng)的范圍窄，載流子復(fù)合機(jī)率大，電荷收集困難。改進(jìn)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(jí)帶隙材料結(jié)構(gòu)。2.電池效率的光衰

15、減：原因：a-Si膜中的“H”含量過(guò)大。電池在受到光照后，會(huì)產(chǎn)生光致亞穩(wěn)態(tài)缺陷，導(dǎo)致其在a-Si膜中移動(dòng)，擴(kuò)散長(zhǎng)期在光照下，其光電導(dǎo)和暗電導(dǎo)同時(shí)下降，從而使電池的光電轉(zhuǎn)換效率下降光衰減。改進(jìn)措施：降低a-Si膜（尤其是i層）中的“H”含量。淀積膜時(shí)，采用電子回旋共振CVD法或利用氫化CVD或熱絲CVD法。在膜制備完成后，采用等離子化學(xué)退火法或H2或He稀釋法。16.了解CdTe電池結(jié)構(gòu)；SnO2的特性，透明導(dǎo)電膜的用途。答：電池結(jié)構(gòu)：CdTe薄膜太陽(yáng)電池一般制備在玻璃襯底上，首先淀積一層SnO2薄膜，作為透明導(dǎo)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

16、備金屬接觸層，形成完整的CdTe薄膜太陽(yáng)電池。 純的SnO2是透明的n型半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為3.6eV,透過(guò)率在80%以上，在摻入Sb等雜質(zhì)后會(huì)使SnO2轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體。 透明導(dǎo)電膜是既有高的導(dǎo)電性，又對(duì)可見(jiàn)光有很好的透光性，而對(duì)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(dǎo)電膜主要有金屬膜和氧化物半導(dǎo)體膜兩大類(lèi)。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(diǎn)：膜的光吸收系數(shù)大，可達(dá)/cm,禁帶寬度為1.04eV且為直接帶隙材料，理論轉(zhuǎn)換效率為25-30%，只需1-2um厚度的膜就可吸收99%的陽(yáng)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(guò)加熱蒸發(fā)原材料，在襯底上淀積成膜，據(jù)蒸發(fā)源不同分為單源（一個(gè)爐子），雙源（二個(gè)爐子），三源（三個(gè)爐子）真空蒸發(fā)法。 單源：將高純Cu,In,Se粉末按化學(xué)計(jì)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(diǎn)：不易控制成分（不易控制各成分的化學(xué)計(jì)量比）。 雙源蒸發(fā)：一定化學(xué)計(jì)量比的C