Minimizing POCl3磷扩散死层的最小化
磷扩散工艺

方块电阻的定义
• 考虑一块长为l、宽为a、 厚为t的薄层如右图。如
果该薄层材料的电阻率为 ρ,则该整个薄层的电阻 为:
• 当 l=a(即为一个方块)时, R=ρ/t。可见,ρ/t代表一 个方块的电阻,故称为方块 电阻,特记为
R□= ρ/t (Ω/□)
扩散层薄层电阻的测试
• 源瓶要严加密封,切勿让湿气进入源瓶,因为POCl3易 吸水汽而变质,使扩散表面浓度上不去,其反应式如 下: 2POCl3+ 3H2O=P2O5 + 6HCl
所以如果发现POCl3出现淡黄色时就不能再用了。
POCl3磷扩散原理
• POCl3在高温下(>600℃)分解生成五氯化磷 (PCl5)和五氧化二磷(P2O5),其反应式如下:
• 4、替位式扩散:杂质进入晶体后,占据晶格原子的原子空 位(空格点),在浓度梯度作用下,向邻近原子空位逐次 跳跃前进。每前进一步,均必须克服一定的势垒能量。
扩散装置示意图
扩散装置图片
扩散炉正视图
排废口
排风
排废口
• 扩散装置图片
推舟机构
气源柜 进气 炉体柜 总电源进线 净化操作台
计算机控制柜
扩散炉气路系统
• 目前生产中,测量扩散层薄 层电阻广泛采用四探针法。 测量装置示意图如图所示。 图中成直线陈列四根金属探 针(一般用钨丝腐蚀而成) 排列在彼此相距为S一直线 上,并且要求探针同时与样 品表面接触良好,外面一对 探针用来通电流、当有电流 注入时,样品内部各点将产 生电位,里面一对探针用来 测量2、3点间的电位差。
氮化硼固态源扩散设备简单操作方便扩散硅片表面状态好pn结面平整均匀性重复性比液态源扩散好适合于大批量生poclpocl33是无色透明有窒息性气味的毒性液体所以要求扩散系统必须有很高的密封性特别是源瓶进出口两端最好用聚四氟乙烯来连接若用其它塑料管或乳胶管连接时易被腐蚀需要经常更换新管
基于Silvaco和PC1D的太阳电池磷扩散工艺仿真研究

基于Silvaco和PC1D的太阳电池磷扩散工艺仿真研究晶体硅太阳电池制作过程中磷扩散工艺对其电学性能存在一定的影响。
本文通过Silvaco软件对单晶硅太阳电池的一步扩散和两步扩散进行了仿真,将其结果代入PC1D对太阳电池电学特性进行模拟与分析。
结果表明,两步扩散可以提高太阳电池的电学特性;相比扩散方阻为44.91Ω·□-1,结深为0.33μm单晶硅太阳电池,扩散方阻为59.58Ω·□-1,结深为0.31μm的单晶硅太阳电池转换效率增加了0.15%,为实际工业生产实现浅结高方阻工艺提供了理论依据。
标签:太阳能电池Silvaco PC1D 扩散工艺一、引言太阳能以其储量丰富、清洁无污染等优点是各种可再生能源中最重要的基本能源之一,也是目前人类可利用的最丰富的能源。
太阳能电池能够将太阳能直接转换为电能而备受人们的关注。
太阳能电池转换效率的高低受硅片原料、制作工艺等的影响,其中,扩散工艺的好坏对太阳电池的转换效率起着至关重要的作用。
2012年,上海大学的李鹏荣等人对多晶硅扩散工艺进行了研究[1];同年,王丽等人从扩散温度和时间方面研究了薄层方块电阻对单晶硅太阳能电池转换效率的影响[2];2013年豆维江等人研究了多晶硅片反应离子刻蚀制绒后扩散工艺的匹配性[3];2014年顾江通过Silvaco软件对太阳电池湿法氧化、二氧化硅保护和无氧扩散三种两步扩散工艺进行了仿真研究,结果表明,湿法氧化二次扩散工艺可以获得最佳光谱相应性能[4]。
2015年代术华对多晶硅太阳电池扩散氧化层进行了研究[5]。
虽然目前对晶体硅太阳电池扩散工艺的研究已近成熟,但将Silvaco软件与PC1D软件结合来研究单晶硅太阳能电池工艺的较少,因此,通過上述两种半导体器件模拟软件的结合对单晶硅太阳能电池磷扩散工艺的研究具有一定的意义。
二、实验方案1.扩散原理本文针对管式扩散工艺进行仿真研究。
采用三氯氧磷POCl3为液体扩散源,反应方程式如下:(1)(2)(3)扩散源反应生成磷原子进入硅体内的量及深度对扩散方阻及结深均存在影响。
晶硅太阳电池前道工序

目录一、晶硅太阳能电池工艺简介二、硅片来料检测项目及标准三、制绒四、扩散一、晶硅太阳能电池工艺简介晶体硅电池工艺分为单晶硅电池工艺和多晶硅电池工艺,它们大体上相同,最大的不同在于第一步的清洗制绒,工艺步骤如下:✓硅片清洗、制绒工艺(单晶硅用碱液制绒面,多晶硅用HF和HNO3混合酸制绒面)✓扩散工艺(企业中采用的是POCl3液态源扩散)✓边缘刻蚀工艺✓PECVD镀膜工艺✓丝网印刷工艺✓烧结测试工艺1、硅片清洗制绒目的:清洗是为了除去沾污在硅片上的各种杂质,包括油脂、金属离子、尘埃等;制绒是为了除去硅片表面的切割损伤层,同时得到合理的粗糙表面,减小光在表面的反射,增加光尤其是长波长光在硅片内传输路径,获得适合扩散制p-n结要求的硅表面。
2 扩散制p-n结PN结是太阳电池的核心部分,扩散的目的:在P型硅片的表面扩散进一薄层磷,以形成p-n 结,p-n结形成后,能在硅片内产生电场,当光照射到硅片上被吸收产生电子-空穴对时,电场能将电子-空穴对分开,产生电流。
3 刻蚀刻蚀有两个目的:一是去除硅片边缘的PN结,扩散过程中,硅片的外围表面导电类型都变成了n型。
此工序就是刻蚀硅片边缘,以使前表面与背表面的n型层隔断,防止电池做出来以后正负极出现短路。
二是去除扩散过程形成的磷硅玻璃。
4 PECVD镀膜PECVD镀膜的目的:太阳光照射到硅片表面被硅片吸收透射的同时,也会有很大一部分光从该面反射掉,虽然绒面可以减少光的反射,但是仍是有一部分光被反射掉,这就大大减少了太阳能的利用率,所以要在硅片表面接触阳光的一侧镀上一层减反射膜,这就大大减少了光的反射损失,增强了吸收光的强度,提高电池效率。
薄膜的其他功能:这层薄膜主要由蓝色的氮化硅组成,除了前面所说的减反射作用外,还能起到钝化的效果。
同时,致密的氮化硅不透潮气,具有极低的氧化速率,还可防止划伤。
5 丝网印刷目的:通过丝网印刷在太阳能电池的背面印刷背电场、背电极,正面印刷正电极,正面收集电子,背面电极利于焊接以及组件的制成,是硅片制成电池的重要环节。
单晶硅电池工艺流程资料

丝网印刷和烧结
烧结包括多种物理、化学变化,如脱水、化 学反应、熔融和烧结等。在钝化膜上面及背表面 通过丝网印刷印好上、下电极并烘千后就可以通 过链式烧结炉来进行烧结。此时,上电极的银将 与氮化硅、二氧化硅和硅形成共晶体,从而使电 极与硅形成良好的欧姆接触。
去除背结
去除背结常用下面 三种方法,化学腐蚀法, 磨沙法和蒸铝烧结,丝 网印刷铝烧结法。前两 种去除背结的方法。对 于 n+/n 和 p+/n 型电池都适 用,蒸铝或丝网印刷铝 浆烧结法仅适用于n+/p型 太阳电池制作工艺。
烧结合金示意图
制备减反射膜
减反膜的制备方法:
• • • • 真空镀 溅射法 印刷法 喷涂法 SiO 类金刚石膜 Ta2O5 IT膜 Nb2O5 SiO2 TiO Ta2O5 Ti(OC2H5)4 钛酸乙酰
5 2 2 5 2
过量O 2
• 生成的P2O5又进一步与硅作用,生成SiO2和磷原子,由此可 见,在磷扩散时,为了促使 POCl3 充分的分解和避免 PCl5 对 硅片表面的腐蚀作用,必须在通氮气的同时通入一定流量的 氧气 。
各种扩散方法的比较
扩散方法 简单涂布 源扩散 二氧化硅乳 源涂布扩散 液态源 扩散 氮化硼固 态源扩散 比 较
3.
4.
5.
6.
扩散制结
制结过程是在一块基体材料上生成导电类型 不同的扩散层,它和制结前的表面处理均是电池 制造过程中的关键工序。制结方法有热扩散,离 子注入,外延,激光及高频电注入法等。 对扩散的要求是获得适合于太阳电池p-n结需 要的结深和扩散层方块电阻,浅结死层小,电池 短波响应好等,实际电池制作中,考虑到各个因 素,太阳电池的结深一般控制在 0.3 ~0.5m,方 块电阻均20~70/□,硅太阳电池所用的主要热 扩散方法有涂布源扩散,液态源扩散,固态源扩 散等。
硼磷扩散原理以及过程

一、硼扩散工艺原理(液态源)目前,液态源硼扩散常用:硼酸三甲酯B(CH3O)3,硼酸三丙酯,三溴化硼B(B2)3,无水硼酸三甲酯B(CH3O)3,为无色透明液体,在室温下挥发形成,具有较高真气压,硼酸三甲酯遇水易分解,升成硼酸和甲醇。
B(CH3O)+ 3H2O=H3BO3 + 3(CH3OH)B(CH3O)500℃以上B2O3 + CO2 + H2O + C2B2O3 + 3Si = 3SiO2 + 4B硼酸三甲酯在高温(500℃以上)能够分解出三氧化二硼(B2O3),而三氧化二硼在900℃左右又能与硅片起反应,生成硼原子,并沉积在硅片表面,这就是预沉积过程;沉积后在基区窗口表面上生成具有色彩的硼硅玻璃。
二、硼扩散装置:硼再分布:当炉温升到预定温度(1180℃以后)通干O2 20分钟,排除管道内空气,同时加热水浴瓶,是水浴温度达到设定温度值950℃,一切就绪后,即可将正片和陪片一起装入石英舟推入炉子恒温区,先通5分钟干氧,在改通30分钟湿氧,最后通5分钟干氧,时间到即可把硅片拉出石英管,倒在铜块上淬火,防止慢降温时,金从硅体中析出。
一、磷扩散工艺原理5POCl3 >600℃3PCl5 + P2O52P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P4PCl5+5O2 过量O2 2P2O5+6Cl24PCl3+3O2 过量O2 2P2O5+6Cl2磷预沉积时,一般通N2为20~80ml/分,O2为20~40ml/分,O2可通过,也可不通过源。
二、磷扩散装置磷扩散源POCl3是无色透明有窒息性气味的毒性液体,要求扩散系统密封性好,源瓶进出口两端最好用聚四氟乙烯或聚氯乙烯管道连接。
若用其他塑料管或乳胶管连接易被腐蚀,就需要经常更换。
接口处最好用封口胶,由系统流出气体应通过排风管排到室外,不要泄漏在室内。
源瓶要严加密封,切勿让湿气进入源瓶。
因为三氯氧磷吸水汽而变质,做扩散温度上不去。
2POCl3+3H2O=P2O5+5HCl发现三氟氧磷出现淡黄色就不能使用。
减小死层--天合

完成电池的制备后对电池进行了如下测试: • 一、采用双晶X衍射方法,以检测不同磷扩 方法对硅单晶表层晶格畸变的影响程度(半 峰宽度)
5
• 现将测得数据作如下记录
6
分 析:
由表2的a和b可以看出表面浓度Ns越大, 表面浓度Ns越大, 表面浓度Ns越大 晶格畸变越大,其原因不言而喻;然而b和c并 晶格畸变越大 ; 不服从此规律,b的表面浓度大而晶格畸变却 小,这正是由于氧化层在磷扩过程中对硅单 氧化层在磷扩过程中对硅单 晶的保护作用造成的. 晶的保护作用
11
n+ /p硅太阳能电池的发射区n+ 是由磷扩形成的高 浓度浅结区域.该扩散区中由于电不活泼磷原子处于晶 格间隙位置会引起晶格缺陷,而且由于磷与硅的原子半 径不匹配,高浓度的磷还会造成晶格失配;因此在电池表 层( ≈0.2µm)中,少数载流子寿命比较低,表层吸收的短 波光子所产生的光生载流子对电池的光电流输出甚微, 此层被称为”死层”.为了改善电池的短波光谱响应,可 以将结深做浅,如0.1µm,此及紫电池,但是该电池工艺难 度很大,且Rs会增大,功率损失增大,所以常规电池的结 深为0.5µm左右,死层无法避免,本文提到的方法可以减 小死层的影响,使电池的短波响应得以提高.
3
实验方法
• 片源:选用电阻率为10Ω·cm的P型无位错硅作为 衬底,面积2cm×2cm,厚300µm • 方法一、常规扩散:采用POCL3扩散,N2中通以少量 O2,来形成n+ 区. • 制得片:表面浓度Ns为5.0e20cm-3,结深0.3µm • 方法二、透氧化层扩散:提前在衬底上热生长60nm 左右的氧化膜再继续方法一的操作. • 制得片:表面浓度Ns为6.0e19cm-3、结深0.3µm以 及8.0e20cm-3、0.6µm
MS动力学模拟

第3章铁基块体非晶合金-纳米晶转变的动力学模拟过程3.1 Discover模块3.1.1 原子力场的分配在使用Discover模块建立基于力场的计算中,涉及几个步骤。
主要有:选择力场、指定原子类型、计算或指定电荷、选择non-bond cutoffs。
在这些步骤中,指定原子类型和计算电荷一般是自动执行的。
然而,在某些情形下需要手动指定原子类型。
原子定型使用预定义的规则对结构中的每个原子指定原子类型。
在为特定的系统确定能量和力时,定型原子使工作者能使用正确的力场参数。
通常,原子定型由Discover使用定型引擎的基本规则来自动执行,所以不需要手动原子定型。
然而,在特殊情形下,人们不得不手动的定型原子,以确保它们被正确地设置。
图 3-11)计算并显示原子类型:点击Edit→Atom Selection,如图3-1所示图3-2弹出对话框,如图3-2所示从右边的…的元素周期表中选择Fe,再点Select,此时所建晶胞中所有Fe 原子都将被选中,原子被红色线圈住即表示原子被选中。
再编辑集合,点击Edit →Edit Sets,如图3-3、3-4所示。
图3-3图3-4弹出对话框见图3-4,点击New...,给原子集合设定一个名字。
这里设置为Fe,则3D视图中会显示“Fe”字样,再分配力场:在工具栏上点击Discover按钮,从下拉列表中选择Setup,显示Discover Setup对话框,选择Typing选项卡,见图3-5。
图3-5在Forcefield types里选择相应原子力场,再点Assign(分配)按钮进行原子力场分配。
注意原子力场中的价态要与Properties Project里的原子价态(Formalcharge)一致。
3.1.2力场的选择1)Energy,见图3-6。
图3-6力场的选择:力场是经典模拟计算的核心,因为它代表着结构中每种类型的原子与围绕着它的原子是如何相互作用的。
对系统中的每个原子,力场类型都被指定了,它描述了原子的局部环境。
基于Silvaco和PC1D的太阳电池磷扩散工艺仿真研究

基于Silvaco和PC1D的太阳电池磷扩散工艺仿真研究作者:马新尖来源:《中文信息》2015年第07期摘要:晶体硅太阳电池制作过程中磷扩散工艺对其电学性能存在一定的影响。
本文通过Silvaco软件对单晶硅太阳电池的一步扩散和两步扩散进行了仿真,将其结果代入PC1D对太阳电池电学特性进行模拟与分析。
结果表明,两步扩散可以提高太阳电池的电学特性;相比扩散方阻为44.91Ω·□-1,结深为0.33μm单晶硅太阳电池,扩散方阻为59.58Ω·□-1,结深为0.31μm 的单晶硅太阳电池转换效率增加了0.15%,为实际工业生产实现浅结高方阻工艺提供了理论依据。
关键词:太阳能电池 Silvaco PC1D 扩散工艺中图分类号:TN36 文献标识码:A 文章编号:1003-9082(2015)07-0337-02一、引言太阳能以其储量丰富、清洁无污染等优点是各种可再生能源中最重要的基本能源之一,也是目前人类可利用的最丰富的能源。
太阳能电池能够将太阳能直接转换为电能而备受人们的关注。
太阳能电池转换效率的高低受硅片原料、制作工艺等的影响,其中,扩散工艺的好坏对太阳电池的转换效率起着至关重要的作用。
2012年,上海大学的李鹏荣等人对多晶硅扩散工艺进行了研究[1];同年,王丽等人从扩散温度和时间方面研究了薄层方块电阻对单晶硅太阳能电池转换效率的影响[2];2013年豆维江等人研究了多晶硅片反应离子刻蚀制绒后扩散工艺的匹配性[3];2014年顾江通过Silvaco软件对太阳电池湿法氧化、二氧化硅保护和无氧扩散三种两步扩散工艺进行了仿真研究,结果表明,湿法氧化二次扩散工艺可以获得最佳光谱相应性能[4]。
2015年代术华对多晶硅太阳电池扩散氧化层进行了研究[5]。
虽然目前对晶体硅太阳电池扩散工艺的研究已近成熟,但将Silvaco软件与PC1D软件结合来研究单晶硅太阳能电池工艺的较少,因此,通过上述两种半导体器件模拟软件的结合对单晶硅太阳能电池磷扩散工艺的研究具有一定的意义。
扩散

1.为什么扩散的时候要通氧气?因为用POCL3进行扩散时,POCL3会在高温(>600℃)下分解成为P2O5和PCL5。
而PCL5是不易分解的,而且会腐蚀硅片。
所以我们通一定量的氧气,使PCL5和氧气反应生成P2O5和氯气。
而扩散的反应主要就是沉积在硅片表面的P2O5与硅片反应生成SIO2和P原子,然后P原子在硅片中进行扩散。
2.什么叫恒定源扩散?什么叫限定源扩散?恒定源扩散:在稳态扩散的条件下,单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面积的扩散质量与该截面的浓度梯度成正比。
限定源扩散:在再分布过程中,扩散是在限定源的条件下进行的。
整个扩散过程的杂质源,限定于扩散前积累在硅片表面薄层内的杂质总量,没有外来补充。
车间里使用的一般是两步:预淀积和扩散。
预淀积就是恒定源扩散,主要使硅片表面气体浓度一支,保持整批方阻的均匀性,主扩散就是限定源扩散。
并且在主扩散后通入大量的氮气,作为推进气体,加大PN结的深度。
3.温度,时间,浓度,第三组元对扩散效果的影响?温度:温度的影响很简单,温度越高,扩散速度越快。
时间:对于恒定源扩散,时间越长,扩散越深,但是表面浓度不变。
对于限定源扩散,时间越长,扩散越深,但是表面浓度变小。
浓度:表面浓度越大,扩散越快,决定浓度的是源温和氮气流量。
第三组元:主要是掺硼量对扩散的影响。
杂质增强扩散机制。
在二元合金中加入第三元素时,扩散系数也会发生变化。
掺硼量越大,扩散系数越大,也就是说,电阻率越小,扩散越快。
4.扩散中容易遇到的几个问题~?(1).扩散不到:有三个可能,第一个可能是炉门没关紧,有源被抽风抽走。
第二个可能是携带气体大氮气量太小,源携带不到。
第三个可能是管口抽风太大。
遇到扩散不到的情况,检查这三项。
并做出调整。
(2).扩散方阻偏高:1.扩散温度偏低;2.磷源不够,不能充足掺杂;3.石英管饱和没有做好4.源温度低。
遇到方阻过高,检查以上四项。
(3).扩散方阻偏低:1.扩散温度偏高;2.磷源温较高。
WCT-120操作手册

量测寿命快速指引10步骤:1.完整安装WCT-120,开机热机稳定30分钟。
滤光片槽已置入IR通过滤光镜2.检查设定及滤光镜,X5D灯头设在Man4,y1片,灯头高度40-45cm平台之上。
3.打开寿命量测软体;点选(键击)桌面捷径。
4.输入待测样品正确参数值。
也许每一片待测样品均要输入。
使用者也可经由量测分析之后去做适当修正:下列参数a.样品名称、b.厚度(cm)、c.电阻率(Ω.cm)、d.样品型式5.输入正确分析参数:包括a.光学常数:量参考硅片时,可使用0.7。
有绒面或被覆层的待测物可用近1之值。
b.指定MCD:一般值选1E15。
参考硅片属低寿命,指定使用1E14。
c.偏光:参考硅片、使用Φ。
d.分析模式:参考硅片使用“Generalized”适用寿命在200us±50usQSS适用< 200usTransient适用>200us6.量测前先作“Zero Instrument”设备归零。
7.将待测样品放置在平台中央。
8.按下量测钮“Measure Wafer”。
量测信号资料画面出现,以Zoom In/Out钮去设定资料收集范围使得红、蓝信号(pc及Ref)均落在虚线范围内并没有被截头掉。
确定后,键击量测。
闪光发生。
再充电6sec后才可再次量测。
9.量测寿命试算表单自动计算出以MCD为函数的寿命。
10.参考硅片的片电阻值要在表示出厂值得10%才会表示机台是工作正常适当的。
量测分析原理使用yFlashing Made(QSS lifetime量测)(硬体),分析模式选Generalized 1是最稳当的饿、广泛的量测方式。
然而在>100us时常用法是暂态法Transient。
暂态法的有利方便之处是不需要填入光学常数。
Optical Constant。
而在量测要求高精准时使用者无法填入高精准的值。
暂态法的缺点是它限用在寿命较高的样品>100us。
也相对带来些杂讯。
这两种方式我们在应用时如何交替使用呢?Transient式时灯头闪光设为1/64.分析模式上设为Transient。
扩散工艺培训资料

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4.3 光生伏特效应---太阳能电池
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4.4 光生伏特效应---太阳能电池
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4.3 同质结---(表面死层)
异质结的“窗口效应”:光子能量小于宽带隙的N型层,即hv<(Eg)N,可以 透过N型层,在带隙较窄的P型层被吸收。
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5、R□测试原理介绍
5.1 R□的定义
扩散层的薄层电阻也称方块电阻,即表面为正方形的半导体薄层在电流方向(电 流方向平行于正方形的边)所呈现的电阻。用Rs和R口表示,sheet resistance。 一般用四探针法测量。
8.4等离子体刻蚀反应
首先,母体分子CF4在高能量的电子 的碰撞作用下分解成多种中性基团或 离子。 CF4---CF3、CF2、CF、F 其次,这些活性粒子由于扩散或者 在电场作用下到达SiO2表面,并在表 面上发生化学反应。 生产过程中,CF4中掺入O2,这样 有利于提高Si和SiO2的刻蚀速率。
1.6 硅料纯度:
重金属铜、金、铁等和非金属碳都是极有害的杂质。 半导体硅中的杂质含量应该降到10-9(摩尔分数)的水平,太阳级硅中的杂质含 量应降到10-6(摩尔分数)的水平 太阳能级硅料纯度:纯度为6N (99.9999%)以上 半导体级硅料纯度:纯度为12N(99.9999999999%)
1.7 太阳能电池制造多采用P型硅片
主要是由于杂质之间的分凝系数(分凝系数,是杂质在固液两相中浓度之比)的差 异,因为硼容易掺杂得比较均匀,而用磷来掺杂时,往往一根单晶榜的头尾的浓 度相差很大,是因为所掺的杂质磷从单晶的头部向尾部富集的缘故。
3
1.8不同的材料与电阻率曲线,p-Si在0.5-3Ω.cm的杂质浓度为1016-1017
4
N2+O2 小N2
(完整版)光伏行业英文词汇

光伏行业英文词汇Cell 电池Crystalline silicon 晶体硅 Photovoltaic 光伏 bulk properties 体特性at ambient temperature 在室温下wavelength 波长absorption coefficient 吸收系数 electron-hole pairs 电子空穴对 photon 光子 density 密度defect 缺陷surface 表面electrode 电极p -type for hole extraction p型空穴型n -type for electron extraction n 型电子型majority carriers 多数载流子minority carriers 少数载流子surface recombination velocity(SRV ) 表面复合速率back surface field (BSF ) 背场at the heavily doped regions重掺杂区saturation current density Jo饱和电流密度thickness 厚度 contact resistance 接触电阻concentration 浓度boron 硼Gettering techniques 吸杂nonhomogeneous 非均匀的 solubility 溶解度selective contacts 选择性接触insulator 绝缘体oxygen 氧气hydrogen 氢气Plasma enhanced chemical vapor deposition PECVDInterface 界面The limiting efficiency 极限效率reflection 反射 light- trapping 光陷 intrinsic material 本征材料 bifacial cells 双面电池 monocrystalline 单晶 float zone material FZ -Si Czochralski silicon Cz -Si industrial cells 工业电池 a high concentration o f of oxygen 高浓度氧Block or ribbon 块或硅带 Crystal defects 晶体缺陷 grain boundaries 晶界dislocation 位错 solar cell fabrication 太阳能电池制造impurity 杂质P gettering effect 磷吸杂效果Spin -on 旋涂supersaturation 过饱和 dead layer 死层electrically inactive phosphorus非电活性磷interstitial 空隙the eutectic temperature 共融温度 boron -doped substrate 掺硼基体passivated emitter and rearlocally diffused cells PERL 电池losses 损失the front surface 前表面metallization t echniques techniques 金属化技术metal grids 金属栅线laboratory cells 实验室电池the metal lines 金属线selective emitter 选择性发射极 photolithographic 光刻gradient 斜度precipitate 沉淀物localized contacts 局部接触point contacts点接触 passivated emitter rear totallydiffused PERTsolder 焊接 bare silicon 裸硅片 high refraction index 高折射系数 reflectance 反射 encapsulation 封装antireflection coating ARC 减反射层 an optically thin dielectric layer 光学薄电介层interference effects 干涉效应 texturing 制绒 alkaline solutions 碱溶液 etch 刻蚀/腐蚀 anisotropically 各向异性地 plane 晶面 pyramids 金字塔 a few microns 几微米etching time and temperature 腐蚀时间和温度manufacturing process 制造工艺 process flow 工艺流程 high yield 高产量 starting material 原材料 solar grade 太阳级 a pseudo -square shape 单晶型状 saw damage removal 去除损伤层 fracture 裂纹acid solutions 酸溶液 immerse 沉浸 tank 槽 texturization 制绒 microscopic pyramids 极小的金字塔 size 尺寸大小 hinder the formation of the contacts 阻碍电极的形成 the concentration ,the temperature and the agitation of the solution 溶液的浓度,温度和搅拌 the duration of the bath 溶液维持时间 alcohol 酒精 improve 改进增加 homogeneity 同质性 wettability 润湿性phosphorus diffusion 磷扩散eliminate adsorbed metallic impurities 消除吸附的金属杂质 quartz furnaces 石英炉 quartz boats 石英舟 quartz tube 石英炉管bubbling nitrogen through liquid POCL3 小氮belt furnaces 链式炉 back contact cell 背电极电池 reverse voltage 反向电压 reverse current 反向电流 amorphous glass of phospho -silicates 非晶玻璃 diluted HF 稀释HF 溶液 junction isolation 结绝缘 coin -stacked 堆放barrel -type reactors 桶状反应腔 fluorine 氟fluorine compound 氟化物 simultaneously 同时地 high throughput 高产出 ARC deposition 减反层沉积 Titanium dioxide TiO2 Refraction index 折射系数 Encapsulated cell 封装电池Atmospheric pressure chemicalvapor deposition APCVD Sprayed from a nozzle 喷嘴喷雾 Hydrolyze 水解 Spin -on 旋涂 Front contact print 正电极印刷 The front metallization 前面金属化 Low contact resistance to silicon 低接触电阻 Low bulk resistivity 低体电阻率 Low line width with high aspect ratio 低线宽高比Good mechanical adhesion 好机械粘贴solderability 可焊性 screen printing 丝网印刷 comblike pattern 梳妆图案finger 指条 bus bars 主栅线 viscous 粘的 solvent 溶剂back contact print 背电极印刷 both silver and aluminum 银铝 form ohmic contact 形成欧姆接触 warp 弯曲cofiring of metal contacts 电极共烧organic components of the paste 浆料有机成分 burn off 烧掉 sinter 烧结 perforate 穿透testing and sorting 测试分选 I-V curve I-V 曲线 Module 组件 Inhomogeneous 不均匀的 Gallium 镓 Degradation 衰减 A small segregation c oefficient coefficient 小分凝系数 Asymmetric 不对称的 High resolution 高分辨率 Base resistivity 基体电阻率 The process flow 工艺流程Antireflection coating 减反射层 Cross section of a solar cell 太阳能电池横截面 Dissipation 损耗 Light -generated current 光生电流 Incident photons 入射光子 The ideal short circuit flow 理想短路电路 The depletion region 耗尽区 Quantum efficiency 量子效率 Blue response 蓝光效应 Spectral response 光谱响应 Light -generated carriers 光生载流子Forward bias 正向偏压 Simulation 模拟 Equilibrium 平衡Superposition 重合The fourth quadrant 第四象限 The saturation current 饱和电流Io Fill factor 填充因子FF Graphically 用图象表示 The maximum theoretical FF 理论上 Empirically 经验主义的 Normalized Voc 规范化Voc The ideality factor n -factor 理想因子Terrestrial solar cells 地球上的电池At a temperature of 25C 25度下 Under AM1.5 conditions 在AM1.5环境下Efficiency is defined as ×× 定义为Fraction 分数Parasitic resistances 寄生电阻 Series resistance 串联电阻 Shunt resistance 并联电阻 The circuit diagram 电路图 Be sensitive to temperature 易受温度影响 The band gap of a semiconductor 半导体能隙 The intrinsic carrierconcentration 本征载流子的浓度Reduce the optical losses 减少光损 Deuterated silicon nitride 含重氢氮化硅 Buried contact solar cells BCSC Porous silicon PS 多孔硅 Electrochemical etching 电化学腐蚀 Screen printed SP 丝网印刷 A sheet resistance of 45-50 ohm/sq 45到50方块电阻The reverse saturation current density Job 反向饱和电流密度 Destructive interference 相消干涉 Surface texting Inverted pyramid 倒金字塔Four point probe 四探针Saw damage etch Alkaline 碱的 Cut groove 开槽 Conduction band 导带 Valence band 价带 B and O simultaneously in silicon 硼氧共存 Iodine/methanol solution 碘酒/甲醇溶液 Rheology 流变学 Spin -on dopants 旋涂掺杂 Spray -on dopants 喷涂掺杂 The metallic impurities 金属杂质 One slot for two wafers 一个槽两片Throughput 产量 A standard POCL3 diffusion 标准POCL3扩散Back -to -back diffusion 背靠背扩散Heterojunction w ith with intrinsic thin -layer HIT 电池 Refine 提炼Dye sensitized solar cell 染料敏化太阳电池Organic thin film solar cell 有机薄膜电池 Infra red 红外光 Unltra violet 紫外光 Parasitic resistance 寄生电阻 Theoretical efficiency 理论效率 Busbar 主栅线 Kerf loss 锯齿损失 Electric charge 电荷 Covalent bonds 共价键The coefficient of thermal expansion (CTE) 热膨胀系数 Bump 鼓泡 Alignment 基准 Fiducial mark 基准符号 Squeegee 橡胶带Isotropic plasma texturing 各向等离子制绒Block-cast multicrystalline silicon 整铸多晶硅 Parasitic junction removal 寄生结的去除 Iodine ethanol 碘酒 Deionised water 去离子水 Viscosity 粘性 Mesh screen 网孔 Emulsion 乳胶 Properties of light 光特性 Electromagnetic radiation 电磁辐射The visible light 可见光 The wavelength ,denoted by R 用R 表示波长 An inverse relationship between ……and ……given by the equation :相反关系,可用方程表示 Spectral irradiance 分光照度……is shown in the figure below. Directly convert electricity into sunlight 直接将电转换成光 Raise an electron to a higher energy state 电子升入更高能级 External circuit 外电路 Meta-stable 亚稳态Light-generated current 光生电流Sweep apart by the electric field Quantum efficiency 量子效率 The fourth quadrant 第四象限 The spectrum of the incident light 入射光谱The AM1.5 spectrum The FF is defined as the ratio of ……to …… Graphically 如图所示 Screen-printed solar cells 丝网印刷电池Phosphorous diffusion 磷扩散 A simple homongeneous d iffusion diffusion 均匀扩散Blue response 蓝光相应Shallow emitter 浅结 Commercial production 商业生产 Surface texturing to reduce reflection 表面制绒 Etch pyramids on the wafer surface with a chemical solution Crystal orientation Titanium dioxide TiO2PasteInorganic 无机的 Glass 玻璃料 DopantComposition Particle size Distribution Etch SiNx Contact path Sintering aid Adhesion 黏合性 Ag powderMorphology 形态Crystallinity Glass effect on Ag/Si interface Reference cell OrganicResin 树脂 Carrier 载体Rheology 流变性Printability 印刷性Aspect ratio 高宽比 Functional group Molecular weight Additives 添加剂 Surfactant 表面活性剂Thixotropic agent 触变剂Plasticizer 可塑剂Solvent 溶剂 Boiling point Vapor pressure 蒸汽压 Solubility 溶解性 Surface tension 表面张力 SolderabilityViscosity 黏性 Solids content Fineness of grind ,研磨细度 Dried thickness Fired thickness Drying profile Peak firing temp 300 mesh screen Emulsion thickness 乳胶厚度 Storage Shelf life 保存期限 Thinning 稀释Eliminate Al bead formation 消除铝珠Low bowing Wet depositPattern design: 100um*74 太阳电池 solar cell单晶硅太阳电池single crystalline silicon solar cell 多晶硅太阳电池 so multi crystalline silicon solar cell非晶硅太阳电池 amorphous silicon solar cell薄膜太能能电池 Thin-film solar cell 多结太阳电池 multijunction solar cell 化合物半导体太阳电池compound semiconductor solar cell 用化合物半导体材料制成的太阳电池用化合物半导体材料制成的太阳电池 带硅太阳电池silicon ribbon solar cell光电子 photo-electron短路电流 short-circuit current (Isc) 开路电压 open-circuit voltage (V oc) 最大功率 maximum power (Pm)最大功率点 maximum power point最佳工作点电压 optimum operating voltage (Vn)最佳工作点电流 optimum operating current (In)填充因子 fill factor(curve factor)曲线修正系数 curve correction coefficient太阳电池温度 solar cell temperature串联电阻 series resistance并联电阻 shunt resistance转换效率cell efficiency暗电流 dark current暗特性曲线 dark characteristic curve光谱响应 spectral response(spectral sensitivity)太阳电池组件 module(solar cell module)隔离二极管 blocking diode旁路二极管 bypass (shunt) diode组件的电池额定工作温度NOCT(nominal operating cell temperature)短路电流的温度系数 temperature coefficients of Isc开路电压的温度系数 temperature coefficients of Vcoefficients of Vococ峰值功率的温度系数 temperature coefficients of Pm组件效率 Module efficiency峰瓦 watts peak额定功率 rated power额定电压 rated voltage额定电流 rated current太阳能光伏系统 solar photovoltaic (PV) system并网太阳能光伏发电系统 Grid-Connected PV system独立太阳能光伏发电系统Stand alone PV system太阳能控制器solar controller逆变器 inverter孤岛效应 islanding逆变器变换效率 inverter efficiency方阵(太阳电池方阵) array (solar cell array)子方阵sub-array (solar cell sub-array) 充电控制器 charge controller直流/直流电压变换器 DC/DC converter(inverter)直流/交流电压变换器 DC/AC converter(inverter)电网 grid太阳跟踪控制器 sun-tracking ontroller 并网接口 utility interface光伏系统有功功率 active power of PV power station光伏系统无功功率reactive power of PV power station光伏系统功率因数 power factor of PV power station公共连接点 point of common coupling 接线盒 junction box发电量 power generation输出功率 output power交流电 Alternating current断路器Circuit breaker汇流箱 Combiner box配电箱Distribution box电能表Supply meter变压器Transformer太阳能光伏建筑一体化Building-integrated PV (BIPV)辐射 radiation太阳辐照度 Solar radiation散射辐照(散射太阳辐照)量 diffuse irradiation(diffuse insolation)直射辐照 direct irradiation (direct insolation)总辐射度(太阳辐照度) global irradiance (solar global irradiance)辐射计 radiometer方位角 Azimuth angle倾斜角 Tilt angle太阳常数 solar constant大气质量 (AM) air mass太阳高度角 solar elevation angle标准太阳电池 standard solar cell (reference solar cell)太阳模拟器 solar simulator太阳电池的标准测试条件为:环境温度25±25±22℃,用标准测量的光源辐照度为1000W/m2 并且有标准的太阳光谱辐照度分布。
毕业设计(论文)晶体硅太阳能电池的扩散工艺研究

晶体硅太阳能电池的扩散工艺研究摘要近年来,太阳能电池的技术已经取得了很大的进展,很可能成为未来主要电力来源之一,因此研究太阳能电池尤其其光电转化效率有极其重要的意义。
扩散制作p-n结是晶体硅太阳电池的核心,是电池质量好坏的关键之一。
本文所研究的主要问题是低成本晶体硅太阳电池在工业化生产中的扩散制作p-n结工艺。
太阳电池制作中的工艺优化也是非常重要的。
对于扩散工序而言,确保高效电池的高产能面临的最大问题在于如何保障扩散的均匀性,优化扩散的均匀性主要采取温区补偿技术。
论文针对影响扩散均匀性的因素多且关联复杂等特点,重点对难于控制的气氛场因素进行系统实验研究,在气体流量、均流设计、炉内温度等方面提出了较好的优化实验方法,通过将实验方法应用于工业生产,扩散均匀性得到了非常好的控制。
从扩散均匀性对太阳电池电性能的影响角度,本论文通过实验分析了电池表面不同扩散均匀性对填充因子FF、并联电阻Rsh、串联电阻Rs、开路电压Uoc和转换效率Eff的影响。
验证了通过改善扩散工艺提高太阳能电池的转换效率具有广阔的发展前景。
关键词:晶体硅太阳能电池,扩散工艺,均匀性,转换效率The Diffudion Technology of Crystalline Silicon Solar CellABSTRACTSolar cell technology has made great progress, it might be called the main power source of the future, the study of solar cells in particular, the photoelectric conversion efficiency is extremely important.Diffusion mading p-n junction is the core of crystalline silicon solar cells, and is one of the key to the good and bad quality of the battery. The main problem of this paper is the low-cost industrial production of crystalline silicon solar c ells in the production of p-n junction in the diffusion process.Optimization of solar cell production process is also very important. For the diffusion process, the biggest problem to ensure high efficient battery capacity is how to protect the spread of uniformity, optimization of the uniformity of spread mainly take the temperature compensation technology.In this paper,experiment methods are adopted for optimizing diffusion uniform by analyzing diffusion air-flowing environment.the air-flowing environment,which is comprised of quartz boat,quartz block,SiC paddle etc,is controlled difficultly.good experimental method of optimization is proposed in gas flow, current design, the furnace temperature and other aspects , by experimental methods appling to industrial production, the proliferation of uniformity has been very good control.From the proliferation of uniformity on the electrical properties of solar angle, this paper experimentally analyzed the proliferation of different cell surface uniformity in the fill factor FF, shunt resistance Rsh, series resistance Rs, the open circuit voltage Uoc and conversion efficiency of Eff . Proved that by improving the diffusion process to improve the conversion efficiency of solar cells has broad prospects for development.KEY WORDS: crystalline silicon solar cells,diffusion technology, uniformity, efficiency目录第一章绪论 0§1.1太阳能电池的应用领域 0§1.2 我国光伏产业发展的状态及趋势 (1)§1.2.1我国光伏产业的现状 (1)§1.2.2 光伏产业发展中的瓶颈与危机 (2)§1.3 本论文研究内容与研究意义 (2)第二章太阳能电池的制造工艺及工作原理 (4)§2.1常规晶体硅太阳电池结构 (4)§2.2 晶体硅太阳能电池生产工艺 (4)§2.2.1 制绒 (5)§2.2.2 扩散制p-n结 (5)§2.2.3去除边缘p-n结和去磷硅玻璃 (6)§2.2.4 镀膜 (6)§2.2.5 丝网印刷电极 (7)§2.2.6 烧结 (7)§2.3 硅PN结太阳电池的基本工作原理 (8)§2.3.1光生伏特效应 (8)§2.3.2 I-V特性 (9)第三章扩散制作P-N结 (13)§3.1 扩散的基本原理 (13)§3.1.1 扩散的基本知识 (13)§3.1.2 液态源磷扩散原理 (14)§3.2 液态源扩散设备 (15)§3.2.1设备的主要性能指标 (15)§3.2.2设备主要构成 (16)§3.3 扩散参数 (17)§3.3扩散方法和工艺条件的选择 (19)§3.4 扩散质量的检验 (20)§3.4.1表面质量检验 (20)§3.4.2 方块电阻的检验 (20)第四章晶体硅太阳电池的扩散工艺实验与研究 (22)§4.1工艺气体流量对炉内温度的影响 (23)§4.2废气排放位置对炉口均匀性的影响 (24)§4.3 排风量大小对炉口均匀性的影响 (25)§4.4均流板分流设计对扩散片内片间均匀性的影响 (25)§4.5 扩散片内片间均匀性调节实验 (26)§4.5.1 扩散炉温对方阻阻值的影响 (28)§4.5.2调整扩散炉温改善片间扩散的均匀性 (29)§4.6 扩散均匀性对太阳能电池性能的影响 (31)结论 (33)参考文献 (34)致谢 (35)第一章绪论1954年出现了现在的硅太阳能电池的第一代产品。
光伏电池制备工艺-项目三-扩散

注意事项
❖ 1)员工进入扩散间之前必须进行风淋,同时着装必须满足 扩散间要求。
❖ 2)扩散装片和取片,严禁用手直接接触所有石英器件;所 有的石英器具都必须轻拿轻放。
❖ 3)保持工装夹具和超净台的清洁;扩散间需要使用专用清 洁工具,每天进行打扫。
❖ 4) 物品和工具定点放置,用过的工具要放回原位,严禁乱 放
红黄色。 ❖ 熔点2℃,沸点107℃,在潮湿空气中发烟。 ❖ POCl3很容易发生水解,POCl3极易挥发。
POCl3磷扩散原理
❖ POCl3在高温下(>600℃)分解生成五氯化磷(PCl5) 和五氧化二磷(P2O5),其反应式如下:
5P O 6 0 C C 03lP P C Ol
3
5
25
3. 安装石英管
任务四 扩散工艺要求及常见问题分析
1. 方阻
方阻就是方块电阻,又称面电阻。指一个正方形的
薄膜导电材料边到边之间的电阻用Rs或R口表示。如图
所示:
❖
即B边到C边的电阻值。方块电阻有一个特性,即
任意大小的正方形边到边的电阻都是一样的,不管边长
是1m还是0.1m ,它们的方阻都是一样的。
注意: 1)装片过程轻拿轻放; 2)装片过程发现来片有破损,应及时作好记录,将碎片分
类放在指定盒子里; 3)如有绒面不良的硅片需及时将情况反应给清洗组长,并
将硅片隔离。 4)装完一个批次,核对硅片数量是否与流程卡上一致; 5)上下舟人员每次放舟时应观察舟托是否偏移,并确保进
出舟过程安全后方可离开。
6、扩散
开始
扩散
放舟 升温
氧化
深扩散 取舟
恒温
方块电阻测量
7 取舟
❖ ① 程序运行完毕后,炉门自动打开,悬臂桨自动将石英舟 从扩散炉中取出;
POCl3磷扩散原理

密度
POCL3的密度为1.82g/cm³,表明其质量较大,有助于其在硅片表 面形成均匀的磷膜。
溶解性
POCL3可溶于有机溶剂,如丙酮、甲醇等,这为其在制备过程中 与其它化学试剂混合提供了便利。
效果。
05
磷扩散的影响因素
温度对磷扩散的影响
温度越高,磷扩散速率越 快
随着温度的升高,分子运动速度加快,扩散 过程中的碰撞频率增加,从而加速了磷原子 的扩散。
温度对扩散系数的影响
扩散系数是描述物质扩散能力的物理量,温 度越高,扩散系数越大,扩散速率越快。
POCL3浓度对磷扩散的影响
POCL3浓度越高,磷扩散速率越快
POCL3的磷供给能力
磷含量
01
POCL3含有丰富的磷元素,可以提供硅片制备过程中所需的磷
源,有助于形成磷硅玻璃和磷膜。
扩散系数
02
POCL3在硅片中的扩散系数较小,表明其扩散速度较慢,需要
较长时间才能形成均匀的磷膜。
溶解度
03
POCL3在硅熔体中的溶解度较低,表明其在硅熔体中的溶解能
力较弱,需要控制温度和浓度以获得较好的磷扩散效果。
在集成电路制造中,磷扩散技术的应 用提高了器件的性能和可靠性,降低 了生产成本,促进了集成电路的发展 。
磷扩散工艺的优化方向
优化磷扩散工艺可以提高磷掺杂的均 匀性和重复性,降低生产成本和提高 器件性能。
优化方向包括改进反应气体流量、温 度和时间等工艺参数,以及探索新型 的磷扩散技术,如等离子体增强磷扩 散等。
高浓度的POCL3溶液中,磷原子的浓度较高,扩散过程中磷原子之间的相互碰撞 频率增加,从而加速了磷原子的扩散。
磷杂环化学

4.2.1二炔化合物与膦氢化合物缩合
4.2.2:1,4-双金属取代的二烯衍生物与二氯化 膦衍生物反应
4.2.3:McCormack环加成产物的脱卤化氢反应
4.2.4:季磷盐的脱卤反应
4.2.5:碳上卤取代的磷杂环戊烷的脱卤化氢反 应
4.3 磷杂环戊二烯的反应性能
5.3 磷杂苯的反应性能
5.3.1 氧化,还原反应(与自由基反应)
5.3.2 与亲核试剂反应
5.3.3 配位反应:主要有以下配位方式
5.3.4 环内磷碳双键的反应
5.3.5 碳上的亲核芳香取代反应
4.3.1:磷杂环戊二烯的质子化作用
4.3.2:二烯的环加成反应 4.3.3:环内磷碳单键的反应(扩环反应)
4.3.4:环内双键的加成反应
4.3.5磷原子上取代基的反应(磷负离子)
4.3.6:磷负离子的氢化
4.3.7:磷上取代基的【1,5】σ重排
4.3.8:与金属的配位反应
在相当长的一段时期,磷碳杂环化学一直作为 一个备受争议的学科,并没有关于它的性能的 令人满意的定义。1995年,Schleyer组发现, 磷杂环化学的令人难以捉摸的性能主要体现在 一系列的好的配位结构,热力学和磁性特征。 (P.v.R.Schleyer,P.K.Freeman,H.Jiao and B.Goldfuss Angew.Chem.,Int.Ed.Engl.,34,337,1995.)
F.Mathey,Chem.Rev.,90,997,1990
2.2磷杂三元环的合成
最明显的合成这些环的方法是将磷原子与一个C2 单元连接起来,事实上,最早的合成磷杂环丙烷 就是使用的这种方法(eq.1)。
R.I.Wanger,L.V.D.Freeman,H.Goldwhite and D.G.Rowsell,JACS,89,1102,1967.
硼磷扩散原理和进程

一、硼扩散工艺原理(液态源)目前,液态源硼扩散常常利用:硼酸三甲酯B(CH3O)3,硼酸三丙酯,三溴化硼B(B2)3,无水硼酸三甲酯B(CH3O)3,为无色透明液体,在室温下挥发形成,具有较高真气压,硼酸三甲酯遇水易分解,升成硼酸和甲醇。
B(CH3O)+ 3H2O=H3BO3 + 3(CH3OH)B(CH3O)500℃以上B2O3 + CO2 + H2O + C2B2O3 + 3Si = 3SiO2 + 4B硼酸三甲酯在高温(500℃以上)能够分解出三氧化二硼(B2O3),而三氧化二硼在900℃左右又能与硅片起反映,生成硼原子,并沉积在硅片表面,这就是预沉积进程;沉积后在基区窗口表面上生成具有色彩的硼硅玻璃。
二、硼扩散装置:硼再散布:当炉温升到预定温度(1180℃以后)通干O2 20分钟,排除管道内空气,同时加热水浴瓶,是水浴温度达到设定温度值950℃,一切就绪后,即可将正片和陪片一路装入石英舟推入炉子恒温区,先通5分钟干氧,在改通30分钟湿氧,最后通5分钟干氧,时间到即可把硅片拉出石英管,倒在铜块上淬火,避免慢降温时,金从硅体中析出。
一、磷扩散工艺原理5POCl3 >600℃3PCl5 + P2O52P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P4PCl5+5O2 过量O2 2P2O5+6Cl24PCl3+3O2 过量O2 2P2O5+6Cl2磷预沉积时,一般通N2为20~80ml/分,O2为20~40ml/分,O2可通过,也可不通过源。
二、磷扩散装置磷扩散源POCl3是无色透明有窒息性气味的毒性液体,要求扩散系统密封性好,源瓶进出口两头最好用聚四氟乙烯或聚氯乙烯管道连接。
若用其他塑料管或乳胶管连接易被侵蚀,就需要常常改换。
接口处最好用封口胶,由系统流出气体应通过排风管排到室外,不要泄漏在室内。
源瓶要严加密封,切勿让湿气进入源瓶。
因为三氯氧磷吸水汽而变质,做扩散温度上不去。
2POCl3+3H2O=P2O5+5HCl发现三氟氧磷出现淡黄色就不能利用。
效率计算公式

效率计算公式其物理含义如下:IL:光⽣电流;Id:饱和暗电流;Rsh:并联电阻(电池边缘漏电和结区漏电会降低并联电阻值);Rs:串联电阻(⾦属浆料电阻、烧结后的接触电阻、半导体材料电阻和横向电阻);PN结:单⼆极管(理想因⼦n=1)或双⼆极管(另⼀个并联的⼆极管n=2)。
由此,我们可以得出电流的输出为:或注:在表达式q/(nkT)中理想因⼦为n,可取1或者2。
n=1反映体内或表⾯通过陷阱能级的复合;n=2描述载流⼦在电荷耗尽区(也就是结区)复合。
3太阳电池的电特性测量:测出的太阳电池的电特性为⼀曲线,相当于外接⼀个0~∞变化的电阻时太阳电池的电流电压输出曲线。
具体如下图所⽰:同时可根据该曲线计算出开路电压Voc、短路电流Isc、最佳⼯作点电压Vmp、最佳⼯作点电流Imp、最⼤功率点Pmax、填充因⼦FF和光电转换效率Eff及串联电阻Rs、并联电阻Rsh。
其中,Rs和Rsh采⽤近似计算。
计算Rsh时,忽略ID,并取Rs<Rsh=-1/(dI/dV),也可由电池的暗IV特性得出;计算Rs时,认为Rsh 很⾼,且理想因⼦介于1和2之间,则在Voc处,I=0,有取Voc处的斜率可以得出Rs。
可⽤Rs=(V2-Voc)/Isc,V2为Isc对横轴的对称点的⽔平延长线与IV曲线延长线的交点对应的电压值。
较准确的计算为Rs=(V2-Voc)/Imp,V2为Imp对横轴的对称点的⽔平延长线与IV曲线延长线的交点对应的电压值。
另外,参考国标《晶体硅光伏器件的I-V实测特性的温度和辐照度修正⽅法》GB/T6495.4-1996 idt IEC891:1987,测量IV曲线时,要修正到标准状态参数(E=100mW/cm2,T=25℃,AM=1.5)下的值,修正公式为:I1,V1为实测点的坐标,I2,V2为修正特性对应点的坐标,Isc:试样的实测短路电流(等同于I1);IMR:标准太阳电池实测短路电池,在测量IMR时,如有必要应对标准电池的温度作修正;I SR:标准太阳电池在标准的或其他想要的辐照度下的短路电流;T1:试样的实测温度;T2:标准温度,或其他想要的温度;α和β:试样在标准的或其他想要的辐照度下,以及在关⼼的温度范围内的电流和电压温度系数(β为负数);RS:试样的内部串联电阻;K:曲线修正系数。
微生物诱导固化技术研究进展

微生物诱导固化技术研究进展作者:王恒星缪林昌孙潇昊吴林玉来源:《湖南大学学报·自然科学版》2021年第01期摘要:微生物誘导固化(Microbial induced carbonate precipitation,MICP)技术因其环境友好性已成为近些年研究的热点. 本文对MICP的固化机理进行了介绍,阐述了细菌、成核位点和生物膜对MICP矿化反应的影响,并对相关理论模型进行了总结,包括该技术涉及到的溶液的传输与分布、尿素水解速率和孔隙模型等. 通过对相关文献进行总结发现,基于MICP具有良好的流动性并且可以生成具有胶结性沉淀的特点,MICP能够在砂土固化、地基改良、防渗封堵、混凝土修复等领域发挥出良好的改善效果,具有广阔的应用前景. 最后,在已有研究成果的基础上,对MICP当前研究的问题以及未来的研究方向进行了讨论与展望.关键词:微生物固化技术;理论模型;砂土固化;地基改良;防渗封堵;混凝土修复中图分类号:TU443 文献标志码:A文章编号:1674—2974(2021)01—0070—12Abstract: Microbially induced carbonate precipitation (MICP) has become a research hot spot due to its environmental friendliness in recent years. This paper introduces the mechanism of MICP, and expounds the influence of bacteria, nucleation microdots and Extracellular Polymeric Substances (EPS) on the reaction of MICP. Similarly, the relevant theoretical models involved in this technology are summarized, including the model of solution transmission and distribution, the model of urea hydrolysis rate and the model of pore. In addition, through summarizing the relevant literature, it is found that, based on MICP better fluidity and cemented precipitation, MICP can play a good improvement effect in broadly application fields, such as sand solidification,foundation improvement, anti-seepage plugging, concrete repair. Finally, the current research problems and future research directions of MICP are discussed and prospected based on the current research results.Key words:microbially induced carbonate precipitation;theoretical model;sand solidification; foundation improvement;anti-seepage plugging;concrete repairing近年来为满足快速工业化和日益增长的城市化需求,受人类活动影响,环境恶化加剧,因此绿色、天然环保的材料受到重视. 微生物诱导固化MICP (Microbially induced carbonate precipitation)技术由于其独特的环境友好性,成为了当下研究的热点[1-3].自然界中存在着大量微生物,其对地基、矿物、地质及地下工程等往往会起到潜移默化的影响. 传统工程中人们往往更多地关注宏观构造物,对微生物的认识不足且缺乏案例,从而忽略了微生物对工程的影响. MICP的实质是利用自然界中某类细菌,其新陈代谢可产生分解尿素的脲酶,尿素分解后产生的碳酸根离子与自然界游离的金属阳离子结合生成胶凝晶体的过程[4]. MICP技术的应用对生产能耗、生产成本要求低,同时能减少温室气体排放. MICP技术可提高土的地质特性,因此可利用其作为一种替代地质加固技术.近些年来,和微生物活动相关的工程问题得到了越来越多的关注,岩土工程与材料学的研究学者采用微生物固化技术为混凝土材料修复和砂土固化等工程问题开辟了新的研究方向. 本文针对微生物固化技术,结合国内外相关研究文献资料,对其反应机理、理论研究、固化应用及当下面临的问题进行相关的总结和评述.1 微生物加固技术MICP是利用微生物将自然界的化学物质转化为沉淀矿物的方法[5]. 矿物析出在地质沉积中广泛存在,但在正常情况下进行得非常缓慢,需要很长的地质演化过程,然而MICP技术可以依赖微生物的新陈代谢或代谢产物加速反应,在较短的时间内产生大量的具有胶结性的矿物质[6].1.1 固化机理MICP的反应原理主要有四种,分别是尿素分解反应、反硝化反应、反硫化反应、碳氧化反应. 其中尿素分解反应是最直接也是最容易控制的方式[7-8]. 目前关于微生物矿化技术的应用大多数是采用尿素类细菌,该类细菌在自然界中分布广泛[9-10]. 具体的原理是通过细菌自身产生脲酶,该类酶可以分解尿素生成碳酸根离子[见式(1)],而生成的碳酸根离子再与自然界游离的金属阳离子结合生成具有胶结性的沉淀物质[见式(2)],钙离子对细菌细胞的吸引力导致细胞局部发生超饱和,从而导致碳酸钙在细菌细胞表面的沉淀[11],碳酸钙晶体形成过程如图1所示. 这类细菌最具代表性的就是巴氏芽孢杆菌(Bacillus pasteurli)[12]. 除此之外,国内外也有研究学者采用尿素小球菌(Microc-oceus ureae)、变形杆菌、沙门氏菌、大肠杆菌和葡萄球菌[13]等进行技术应用. 这类细菌的共同点在于能产生脲酶.脲酶(又称尿素酶)如图2所示,属于酰胺水解酶和磷酸三酯酶[15],是高分子量的含镍金属酶[16],具有绝对专一性,能够特异性地催化尿素水解,释放出氨和二氧化碳.巴氏芽孢杆菌的孢子具有较高的脲酶活性,由于其能够产生大量脲酶,且能在高碱性环境和高钙离子浓度下生存,因此常被选作生物催化剂[18-19]. Ferris等[20]首次采用巴士芽孢杆菌生成脲酶,进行新型降渗,开拓了微生物矿化技术在生物岩土工程中的应用前景,他们利用生成的碳酸钙沉淀矿物作为堵塞和固化剂. 之后该想法激发了大量对MICP土壤改良技术的应用研究[21].1.2 影响因素MICP是一个生物化学过程,通常由几个因素决定:钙离子的浓度、溶解无机碳的浓度、pH值和可用的成核位点[22]. 其诱导产生的碳酸钙沉淀以3种多晶形式存在[11,23],通常最稳定的为方解石[24]. 自然界中有很多微生物都有在碱性环境中诱导方解石析出的能力[25-26],可诱导碳酸盐沉淀的主要微生物有光合微生物(例如蓝藻和蓝藻微藻)、硫酸盐还原菌、某些参与氮循环的微生物[27].1.2.1 细菌细菌是非常重要的因素. 在混凝土裂缝修复的研究中,由于裂缝中存在高碱性等不良环境,为了使选择的细菌能正常存活,芽孢类细菌成为较好的选择[28]. 巴氏芽孢八叠球菌的产脲酶量可以达到微生物细胞干重的1%[29],具有较高的产脲酶能力[30]. 麻强[31]研究得到试验中脲酶活性的大小不仅与细菌浓度有关,还受到细菌分泌脲酶的速率与数量的影响. Rivadeneyra等[32]則研究发现不同微生物诱导产生的碳酸钙具有不同的晶体结构. 这可能是由于微生物种类不同造成的[33-34],也可能是由外界环境不同造成的[35]. Park等[36]利用4种不同的尿素水解类细菌进行MICP反应,最终发现诱导产生的矿物成分均为方解石,但晶体结晶模式存在差异.1.2.2 成核位点碳酸钙的胶结作用与细菌的分布密切相关,当土颗粒的表面附着大量细菌时,能生成较多的具有胶结性能的碳酸钙晶体. 细菌在孔隙材料中的附着能力受众多因素影响,如孔隙材料形态、表面质地、矿物成分,以及细菌本身的亲水性等[14]. 其次,细菌细胞表层带负电荷,尿素水解过程中溶液pH值逐渐增大,这都有利于带正电荷的钙离子附着在细胞表面,因此碳酸钙结晶在细菌细胞表面形成并不断聚集[37-38].1.2.3 生物膜尿素分解类微生物矿化反应不仅与尿素水解速率相关,还会受到细胞膜通透性等因素的影响[39]. 微生物分泌的胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)是一种常见微生物反应产物[40]. 这种反应产物会附着在孔隙材料的表面和内部,该胞外聚合物会对细菌具有保护作用[41]. 当大量细菌和胞外聚合物形成一个整体时可形成微生物膜,并降低试样的渗透性[42-45]. 常见的能够分泌胞外聚合物的微生物为有氧或兼氧型的异养细菌[46]. 也有部分学者对胞外聚合物的生成和降解及其影响因素进行了大量研究. 在大量的室内试验研究中发现,胞外聚合物的生成使得孔隙材料的渗透性一般降低约 2~4个数量级[44,46]. 王瑞兴[47]研究发现碳酸钙生成大约发生在菌液与胶凝液混合后30 min,最终碳酸钙晶体直径可达到10~20 nm.2 理论模型研究由于MICP涉及复杂的生物化学反应和水动力过程,更需要通过理论研究了解MICP机制. 国内外研究学者主要针对MICP的尿素分解速率、菌种传输运输分布特性、碳酸钙结晶过程及矿化后孔隙模型特性的变化开展了研究.2.1 尿素分解速率关于尿素分解速率的理论计算研究,需要注意多个因素的影响,例如:尿素浓度、pH 值、钙离子浓度、温度、微生物生长繁殖、微生物衰落、碳酸钙沉淀包裹等. Wijngaarden等[48]针对不同因素对细菌脲酶活性的影响进行了研究,并对试验数据进行拟合,得到相关经验公式,如式(3)所示. Hommel等[49]则考虑更复杂的微生物生长模型,对尿素分解速率公式进行了修正,得到的新的尿素分解速率公式更适合于MICP模型研究.式中:Curea为尿素浓度;r为尿素分解速率;r0为尿素分解速率的最大值;Km,urea为半饱和常数;pHLL和pHUL为水解速率降低50%时对应的两个pH值;C Ca2+为钙离子浓度;T为试验温度;T0为基准温度;Q10为升高10 ℃时脲酶活性的变化值;td为时间常数(即脲酶活性降低为初始63%对应的时间);Sd为碳酸钙的特征衰减浓度.2.2 菌种运输、分布特性当MICP技术采用灌注等工艺时,还需要考虑细菌的悬浮、运输、附着、解附着等与对流扩散相关的性质. 除此之外,还需要考虑孔隙结构的性质,即渗透性、孔隙率、模型尺寸以及生物膜生长等,这些参数都会影响细菌的分布,并最终影响MICP产生的碳酸钙的分布.为了研究生物膜和孔隙结构的关系,Peszynska等[41]使用玻璃珠代替砂土颗粒,并利用3D成像技术获取生物膜填充后混合物的孔隙尺寸与几何形状,探究生物膜对流体运动的影响与灌注速率对生物膜增长的影响,结果表明生物膜会减小渗流的横截面积,使局部流速增大,而这将进一步导致生物膜更容易滞留在变小的局部区域. Van Paassen等[50]采用扩散-吸附方程研究灌注过程中细菌的运输、沉淀与附着. 在其研究中利用附着和解附着的形式建立了一个整体的微分方程来研究悬浮液细菌、暂时附着细菌和永久附着细菌三者的数量变化.脲酶(又称尿素酶)如图2所示,属于酰胺水解酶和磷酸三酯酶[15],是高分子量的含镍金属酶[16],具有绝对专一性,能够特异性地催化尿素水解,释放出氨和二氧化碳.巴氏芽孢杆菌的孢子具有较高的脲酶活性,由于其能够产生大量脲酶,且能在高碱性环境和高钙离子浓度下生存,因此常被选作生物催化剂[18-19]. Ferris等[20]首次采用巴士芽孢杆菌生成脲酶,进行新型降渗,开拓了微生物矿化技术在生物岩土工程中的应用前景,他们利用生成的碳酸钙沉淀矿物作为堵塞和固化剂. 之后该想法激发了大量对MICP土壤改良技术的应用研究[21].1.2 影响因素MICP是一个生物化学过程,通常由几个因素决定:钙离子的浓度、溶解无机碳的浓度、pH值和可用的成核位点[22]. 其诱导产生的碳酸钙沉淀以3种多晶形式存在[11,23],通常最稳定的为方解石[24]. 自然界中有很多微生物都有在碱性环境中诱导方解石析出的能力[25-26],可诱导碳酸盐沉淀的主要微生物有光合微生物(例如蓝藻和蓝藻微藻)、硫酸盐还原菌、某些参与氮循环的微生物[27].1.2.1 细菌细菌是非常重要的因素. 在混凝土裂缝修复的研究中,由于裂缝中存在高碱性等不良环境,为了使选择的细菌能正常存活,芽孢类细菌成为较好的选择[28]. 巴氏芽孢八叠球菌的产脲酶量可以达到微生物细胞干重的1%[29],具有较高的产脲酶能力[30]. 麻强[31]研究得到试验中脲酶活性的大小不仅与细菌浓度有关,还受到细菌分泌脲酶的速率与数量的影响.Rivadeneyra等[32]则研究发现不同微生物诱导产生的碳酸钙具有不同的晶体结构. 这可能是由于微生物种类不同造成的[33-34],也可能是由外界环境不同造成的[35]. Park等[36]利用4种不同的尿素水解类细菌进行MICP反应,最终发现诱导产生的矿物成分均为方解石,但晶体结晶模式存在差异.1.2.2 成核位点碳酸钙的胶结作用与细菌的分布密切相关,当土颗粒的表面附着大量细菌时,能生成较多的具有胶结性能的碳酸钙晶体. 细菌在孔隙材料中的附着能力受众多因素影响,如孔隙材料形态、表面质地、矿物成分,以及细菌本身的亲水性等[14]. 其次,细菌细胞表层带负电荷,尿素水解过程中溶液pH值逐渐增大,这都有利于带正电荷的钙离子附着在细胞表面,因此碳酸钙结晶在细菌细胞表面形成并不断聚集[37-38].1.2.3 生物膜尿素分解类微生物矿化反应不仅与尿素水解速率相关,还会受到细胞膜通透性等因素的影响[39]. 微生物分泌的胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)是一种常见微生物反应产物[40]. 这种反应产物会附着在孔隙材料的表面和内部,该胞外聚合物会对细菌具有保护作用[41]. 当大量细菌和胞外聚合物形成一个整体时可形成微生物膜,并降低试样的渗透性[42-45]. 常见的能够分泌胞外聚合物的微生物为有氧或兼氧型的异养细菌[46]. 也有部分学者对胞外聚合物的生成和降解及其影响因素进行了大量研究. 在大量的室内试验研究中发现,胞外聚合物的生成使得孔隙材料的渗透性一般降低约 2~4个数量级[44,46]. 王瑞兴[47]研究发现碳酸钙生成大约发生在菌液与胶凝液混合后30 min,最终碳酸钙晶体直径可达到10~20 nm.2 理论模型研究由于MICP涉及复杂的生物化学反应和水动力过程,更需要通过理论研究了解MICP机制. 国内外研究学者主要针对MICP的尿素分解速率、菌种传输运输分布特性、碳酸钙结晶过程及矿化后孔隙模型特性的变化开展了研究.2.1 尿素分解速率关于尿素分解速率的理论计算研究,需要注意多个因素的影响,例如:尿素浓度、pH 值、钙离子浓度、温度、微生物生长繁殖、微生物衰落、碳酸钙沉淀包裹等. Wijngaarden等[48]针对不同因素对细菌脲酶活性的影响进行了研究,并对试验数据进行拟合,得到相关经验公式,如式(3)所示. Hommel等[49]则考虑更复杂的微生物生长模型,对尿素分解速率公式进行了修正,得到的新的尿素分解速率公式更适合于MICP模型研究.式中:Curea为尿素浓度;r为尿素分解速率;r0为尿素分解速率的最大值;Km,urea为半饱和常数;pHLL和pHUL为水解速率降低50%时对应的两个pH值;C Ca2+为钙离子浓度;T为试验温度;T0为基准温度;Q10为升高10 ℃时脲酶活性的变化值;td为时间常数(即脲酶活性降低为初始63%对应的时间);Sd为碳酸钙的特征衰减浓度.2.2 菌种运输、分布特性当MICP技术采用灌注等工艺时,还需要考虑细菌的悬浮、运输、附着、解附着等与对流扩散相关的性质. 除此之外,还需要考虑孔隙结构的性质,即渗透性、孔隙率、模型尺寸以及生物膜生長等,这些参数都会影响细菌的分布,并最终影响MICP产生的碳酸钙的分布.为了研究生物膜和孔隙结构的关系,Peszynska等[41]使用玻璃珠代替砂土颗粒,并利用3D成像技术获取生物膜填充后混合物的孔隙尺寸与几何形状,探究生物膜对流体运动的影响与灌注速率对生物膜增长的影响,结果表明生物膜会减小渗流的横截面积,使局部流速增大,而这将进一步导致生物膜更容易滞留在变小的局部区域. Van Paassen等[50]采用扩散-吸附方程研究灌注过程中细菌的运输、沉淀与附着. 在其研究中利用附着和解附着的形式建立了一个整体的微分方程来研究悬浮液细菌、暂时附着细菌和永久附着细菌三者的数量变化.脲酶(又称尿素酶)如图2所示,属于酰胺水解酶和磷酸三酯酶[15],是高分子量的含镍金属酶[16],具有绝对专一性,能够特异性地催化尿素水解,释放出氨和二氧化碳.巴氏芽孢杆菌的孢子具有较高的脲酶活性,由于其能够产生大量脲酶,且能在高碱性环境和高钙离子浓度下生存,因此常被选作生物催化剂[18-19]. Ferris等[20]首次采用巴士芽孢杆菌生成脲酶,进行新型降渗,开拓了微生物矿化技术在生物岩土工程中的应用前景,他们利用生成的碳酸钙沉淀矿物作为堵塞和固化剂. 之后该想法激发了大量对MICP土壤改良技术的应用研究[21].1.2 影响因素MICP是一个生物化学过程,通常由几个因素决定:钙离子的浓度、溶解无机碳的浓度、pH值和可用的成核位点[22]. 其诱导产生的碳酸钙沉淀以3种多晶形式存在[11,23],通常最稳定的为方解石[24]. 自然界中有很多微生物都有在碱性环境中诱导方解石析出的能力[25-26],可诱导碳酸盐沉淀的主要微生物有光合微生物(例如蓝藻和蓝藻微藻)、硫酸盐还原菌、某些参与氮循环的微生物[27].1.2.1 细菌细菌是非常重要的因素. 在混凝土裂缝修复的研究中,由于裂缝中存在高碱性等不良环境,为了使选择的细菌能正常存活,芽孢类细菌成为较好的选择[28]. 巴氏芽孢八叠球菌的产脲酶量可以达到微生物细胞干重的1%[29],具有较高的产脲酶能力[30]. 麻强[31]研究得到试验中脲酶活性的大小不仅与细菌浓度有关,还受到细菌分泌脲酶的速率与数量的影响. Rivadeneyra等[32]则研究发现不同微生物诱导产生的碳酸钙具有不同的晶体结构. 这可能是由于微生物种类不同造成的[33-34],也可能是由外界环境不同造成的[35]. Park等[36]利用4种不同的尿素水解类细菌进行MICP反应,最终发现诱导产生的矿物成分均为方解石,但晶体结晶模式存在差异.1.2.2 成核位点碳酸钙的胶结作用与细菌的分布密切相关,当土颗粒的表面附着大量细菌时,能生成較多的具有胶结性能的碳酸钙晶体. 细菌在孔隙材料中的附着能力受众多因素影响,如孔隙材料形态、表面质地、矿物成分,以及细菌本身的亲水性等[14]. 其次,细菌细胞表层带负电荷,尿素水解过程中溶液pH值逐渐增大,这都有利于带正电荷的钙离子附着在细胞表面,因此碳酸钙结晶在细菌细胞表面形成并不断聚集[37-38].1.2.3 生物膜尿素分解类微生物矿化反应不仅与尿素水解速率相关,还会受到细胞膜通透性等因素的影响[39]. 微生物分泌的胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)是一种常见微生物反应产物[40]. 这种反应产物会附着在孔隙材料的表面和内部,该胞外聚合物会对细菌具有保护作用[41]. 当大量细菌和胞外聚合物形成一个整体时可形成微生物膜,并降低试样的渗透性[42-45]. 常见的能够分泌胞外聚合物的微生物为有氧或兼氧型的异养细菌[46]. 也有部分学者对胞外聚合物的生成和降解及其影响因素进行了大量研究. 在大量的室内试验研究中发现,胞外聚合物的生成使得孔隙材料的渗透性一般降低约 2~4个数量级[44,46]. 王瑞兴[47]研究发现碳酸钙生成大约发生在菌液与胶凝液混合后30 min,最终碳酸钙晶体直径可达到10~20 nm.2 理论模型研究由于MICP涉及复杂的生物化学反应和水动力过程,更需要通过理论研究了解MICP机制. 国内外研究学者主要针对MICP的尿素分解速率、菌种传输运输分布特性、碳酸钙结晶过程及矿化后孔隙模型特性的变化开展了研究.2.1 尿素分解速率关于尿素分解速率的理论计算研究,需要注意多个因素的影响,例如:尿素浓度、pH 值、钙离子浓度、温度、微生物生长繁殖、微生物衰落、碳酸钙沉淀包裹等. Wijngaarden等[48]针对不同因素对细菌脲酶活性的影响进行了研究,并对试验数据进行拟合,得到相关经验公式,如式(3)所示. Hommel等[49]则考虑更复杂的微生物生长模型,对尿素分解速率公式进行了修正,得到的新的尿素分解速率公式更适合于MICP模型研究.式中:Curea为尿素浓度;r为尿素分解速率;r0为尿素分解速率的最大值;Km,urea为半饱和常数;pHLL和pHUL为水解速率降低50%时对应的两个pH值;C Ca2+为钙离子浓度;T为试验温度;T0为基准温度;Q10为升高10 ℃时脲酶活性的变化值;td为时间常数(即脲酶活性降低为初始63%对应的时间);Sd为碳酸钙的特征衰减浓度.2.2 菌种运输、分布特性当MICP技术采用灌注等工艺时,还需要考虑细菌的悬浮、运输、附着、解附着等与对流扩散相关的性质. 除此之外,还需要考虑孔隙结构的性质,即渗透性、孔隙率、模型尺寸以及生物膜生长等,这些参数都会影响细菌的分布,并最终影响MICP产生的碳酸钙的分布.为了研究生物膜和孔隙结构的关系,Peszynska等[41]使用玻璃珠代替砂土颗粒,并利用3D成像技术获取生物膜填充后混合物的孔隙尺寸与几何形状,探究生物膜对流体运动的影响与灌注速率对生物膜增长的影响,结果表明生物膜会减小渗流的横截面积,使局部流速增大,而这将进一步导致生物膜更容易滞留在变小的局部区域. Van Paassen等[50]采用扩散-吸附方程研究灌注过程中细菌的运输、沉淀与附着. 在其研究中利用附着和解附着的形式建立了一个整体的微分方程来研究悬浮液细菌、暂时附着细菌和永久附着细菌三者的数量变化.脲酶(又称尿素酶)如图2所示,属于酰胺水解酶和磷酸三酯酶[15],是高分子量的含镍金属酶[16],具有绝对专一性,能够特异性地催化尿素水解,释放出氨和二氧化碳.巴氏芽孢杆菌的孢子具有较高的脲酶活性,由于其能够产生大量脲酶,且能在高碱性环境和高钙离子浓度下生存,因此常被选作生物催化剂[18-19]. Ferris等[20]首次采用巴士芽孢杆菌生成脲酶,进行新型降渗,开拓了微生物矿化技术在生物岩土工程中的应用前景,他们利用生成的碳酸钙沉淀矿物作为堵塞和固化剂. 之后该想法激发了大量对MICP土壤改良技术的应用研究[21].1.2 影响因素MICP是一个生物化学过程,通常由几个因素决定:钙离子的浓度、溶解无机碳的浓度、pH值和可用的成核位点[22]. 其诱导产生的碳酸钙沉淀以3种多晶形式存在[11,23],通常最稳定的为方解石[24]. 自然界中有很多微生物都有在碱性环境中诱导方解石析出的能力[25-26],可诱导碳酸盐沉淀的主要微生物有光合微生物(例如蓝藻和蓝藻微藻)、硫酸盐还原菌、某些参与氮循环的微生物[27].1.2.1 细菌细菌是非常重要的因素. 在混凝土裂缝修复的研究中,由于裂缝中存在高碱性等不良环境,为了使选择的细菌能正常存活,芽孢类细菌成为较好的选择[28]. 巴氏芽孢八叠球菌的产脲酶量可以达到微生物细胞干重的1%[29],具有较高的产脲酶能力[30]. 麻强[31]研究得到试验中脲酶活性的大小不仅与细菌浓度有关,还受到细菌分泌脲酶的速率与数量的影响. Rivadeneyra等[32]则研究发现不同微生物诱导产生的碳酸钙具有不同的晶体结构. 这可能是由于微生物种类不同造成的[33-34],也可能是由外界环境不同造成的[35]. Park等[36]利用4种不同的尿素水解类细菌进行MICP反应,最终发现诱导产生的矿物成分均为方解石,但晶体结晶模式存在差异.1.2.2 成核位点碳酸钙的胶结作用与细菌的分布密切相关,当土颗粒的表面附着大量细菌时,能生成较多的具有胶结性能的碳酸钙晶体. 细菌在孔隙材料中的附着能力受众多因素影响,如孔隙材料形态、表面质地、矿物成分,以及细菌本身的亲水性等[14]. 其次,细菌细胞表层带负电荷,尿素水解过程中溶液pH值逐渐增大,这都有利于带正电荷的钙离子附着在细胞表面,因此碳酸钙结晶在细菌细胞表面形成并不断聚集[37-38].1.2.3 生物膜尿素分解类微生物矿化反应不仅与尿素水解速率相关,还会受到细胞膜通透性等因素的影响[39]. 微生物分泌的胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)是一种常见微生物反应产物[40]. 这种反应产物会附着在孔隙材料的表面和内部,该胞外聚合物会对细菌具有保护作用[41]. 当大量细菌和胞外聚合物形成一个整体时可形成微生物膜,并降低试样的渗透性[42-45]. 常见的能够分泌胞外聚合物的微生物为有氧或兼氧型的异养细菌[46]. 也有部分学者对胞外聚合物的生成和降解及其影响因素进行了大量研究. 在大量的室内试验研究中发现,胞外聚合物的生成使得孔隙材料的渗透性一般降低约 2~4个数量级[44,46]. 王瑞兴[47]研究发现碳酸钙生成大约发生在菌液与膠凝液混合后30 min,最终碳酸钙晶体直径可达到10~20 nm.2 理论模型研究由于MICP涉及复杂的生物化学反应和水动力过程,更需要通过理论研究了解MICP机制. 国内外研究学者主要针对MICP的尿素分解速率、菌种传输运输分布特性、碳酸钙结晶过程及矿化后孔隙模型特性的变化开展了研究.2.1 尿素分解速率关于尿素分解速率的理论计算研究,需要注意多个因素的影响,例如:尿素浓度、pH 值、钙离子浓度、温度、微生物生长繁殖、微生物衰落、碳酸钙沉淀包裹等. Wijngaarden等[48]针对不同因素对细菌脲酶活性的影响进行了研究,并对试验数据进行拟合,得到相关经验公式,如式(3)所示. Hommel等[49]则考虑更复杂的微生物生长模型,对尿素分解速率公式进行了修正,得到的新的尿素分解速率公式更适合于MICP模型研究.。
中国农业大学“农药控制释放技术·微胶囊剂研究”达到世界先进水平

中国农业大学“农药控制释放技术微胶囊剂研究”达到世界先
进水平
佚名
【期刊名称】《农化新世纪》
【年(卷),期】2005(000)011
【摘要】近日,由中国农业大学校理学院吴学民副教授主持,与四川成都新朝阳生化有限公司合作完成的“农药控制释放技术·微胶囊剂研究”通过国家教育部组织的技术攘定,来自相关行业的专家审查了课题组提供的技术文件,听取了项目研制单位的工作汇报、技术报告。
经质疑答辩和认真时论,专家组认为,该项目在控制释放研究技术方面达到国际先进水平。
【总页数】1页(P14)
【正文语种】中文
【中图分类】F273.1
【相关文献】
1.农药微胶囊剂及其控制释放机理 [J], 周菁;李晓飞;陈韬;邢曼男
2.宏微“高压大电流NPTIGBT和FRED芯片”达到世界先进水平 [J],
3.山西雁门关长大隧道成套技术研究达到世界先进水平 [J], 无
4.中铝国际沈阳铝镁设计研究院电解铝厂环保关键技术达到世界先进水平 [J], 朱佳明
5.四种菊酯农药微胶囊剂的生物测定和释放量分析 [J], 胡柏炯;朱正昌
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15th International Photovoltaic Science & Engineering Conference (PVSEC-15) Shanghai China 2005 11-1 Minimizing the Dead layer of Industrial Phospho-rous Emitters Formed by POCl3 DiffusionPatrick Choulat1, Filip Duerinckx, Emmanuel Van Kerschaver, Frederic Dross, Guy Beaucarne1IMEC vzw, Kapeldreef 75, B-3001 Heverlee, BelgiumTel : +32 16 288 311, Fax : +32 16 281 501, E-Mail: Patrick.Choulat@imec.beAbstract: In this work, an analysis of various types of homogeneous emitters using POCl3 gas as a precursor for diffusion is described. It is known that heavily doped emitters usually contain a dead layer near the top surface. In this region, there is an excess of non-electrically active phosphorous, which largely contributes to a high emitter saturation current density and results in poor quantum effi-ciency in the blue wavelength region. The study looks into the detrimental impact of the dead layer on solar cell performance, and in particular at how the dead layer can be minimized while keeping a low sheet resistance. We used an industrial POCl3 diffusion furnace operating at reduced pressure. Different P diffusions were carried out on multicrystalline wafers, each targeting a sheet resistance of about 50 ohm/sq. The investigated process parameters were POCl3/Oxygen gas ratio and partial doping time. The samples were char-acterised by Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS) and Spreading Resistance Profiling (SRP) on polished Cz substrates. Bifacial test structures to measure Joe, as well as industrial textured multicrystalline solar cell were processed and analysed. A partial doping time of 40% of a 30 min diffusion and low POCl3/O2 ratio were found to be optimum to minimise the impact of the dead layer.Key Words: Multi-crystalline solar cell, Dead layer, Homogeneous emitter.1 IntroductionThe creation of an emitter by diffusion of phosphorous from a POCl3 ambient at high temperature is a standard process in industry. Typical emitters have a low sheet resistance of about 50 Ohm/sq. The present trend is towards shallower emit-ters with higher sheet resistances, reducing useless absorption in highly doped material. This however presents several challenges. The variability in the diffusion process increases and special Ag pastes have to be used for such shallow emitters [1,2], with a narrow firing window. From a manufacturing point of view, maintaining sheet resistance at a low value is preferable. There are however possibilities to significantly improve emitter per-formance without increasing the sheet resistance.2 ExperimentalAll experiments were carried out in an industrial quartz furnace tube in a low pressure environment of 200 mbar. The reduced pressure provides an increase of gas velocity for better uniformity and allows only reactant gases to be present inside the tube. The two precursor gases, POCl3 and O2 are injected from 2 separate lines to ensure a complete chemical reaction on the wafer surface and to ensure a good uniformity of protective oxidation from Chlorine during stabilization step before diffu-sion.During the diffusion process the decomposition of the pre-cursors gases will form a Phosphorous Silicate Glass, PSG, on top of the Silicon surface. If the glass in contact with the Silicon is rich enough with Phosphorous, it will act as an infinite source and the surface concentration will be determined by the solid solubility of Phosphorous in Silicon at the temperature of the diffusion.3 Partial doping timeThe first experiment aimed at defining the minimum depo-sition time required to saturate the emitter sheet resistance. We define the total diffusion time as being the sum of the partial doping time (deposition time) + the drive in time. Several diffu-sions of 30 min at 860o C were run with successively shorter pe-riod of deposition time. Results are shown in Fig.1. One can see that a 30 min diffusion with 30 min deposition of Phosphorous leads to the same sheet resistivity as a diffusion of 30 min where POCl3 had been turned off after 12 min and followed by a 18 min drive in. Beyond this point, the emitter sheet resistivity starts to increase dramatically, giving rise to a loss of process controllability when aiming at a specific sheet resisitivity. Therefore, 12 min of deposition is sufficient to contain enough Phosphorous in the glass to saturate the surface of Silicon. However, although the value of the emitter resistivity remains unchanged for shorter deposition time, it’s believed that the amount of non electrically active Phosphorous should be less than where the dopant is supplied during the full duration of the diffusion and therefore leads to a reduction of the dead layer. A similar behavior was already observed for different diffusion temperatures [3]. For demonstration, monocrystalline samples were characterised by SIMS and SRP. Bifacial test structures to measure the emitter saturation current on Cz substrates, as welltial doping time for a 30 minutes diffusionTotal diffusion time = [partial doping time (deposition time) + drive in time]Fig.2 shows SRP and SIMS profiles of two diffusions that had the same total process time but different ratios of deposition time/drive-in time. The amount of phosphorus in the dead layeris about 25 % higher for the longer deposition time. Yet, the SRP profile remains identical and the sheet resistivity was measured to be 48 Ohm/sq for both diffusions. In parallel, in-dustrial multi-crystalline industrial solar cell were processed for 3 different partial doping times. One can see in Tab.1, a clear increase in both Jsc and Voc as the deposition time is reduced, even though the sheet resistance remains essentially the same. Emitter saturation current measurements also corroborate the characterisation analysis and show a reduction in Joe as the par-tial doping time is decreased with respect to the drive in time for a given total diffusion time of 30 minutes. The improvement in Jsc and Voc translates an absolute efficiency increase of 0.3%. Furthermore, a reduction of the partial doping time is all the more beneficial as the consumption of POCl3 gas can be consid-erably reduced.Fig.2 SIMS and SRP profile into a Boron doped sample for 2 different partial doping time. 12’/18’ corresponds to 12 min of deposition followed by 18 min of drive in4 POCl3/Oxygen RatioAs the diffusion profiles are determined by the concentra-tion of Phosphorous into the generated PSG formed onto the Silicon surface, it was also deemed necessary to study the im-pact of the ratio of the two precursors gases, POCl3 and O2 upon the extent of the dead layer. Various diffusions having different ratio of POCl3/O2 were performed at 860o C to aim at the same emitter resistivity for a fair comparison. Since the content of Phosphorous varies for each condition into the gas phase, it was obvious that the overall diffusion time had to be adapted to ob-tain a given emitter resistivity of about 50 Ohm/sq. 5 textured multicrystalline solar cells were fabricated for each condition and bifacial test structures on Cz substrates were processed to measure the emitter saturation current. The results are summa-rised in Tab.2.Although the total diffusion time is considerably reduced for the highest ratio of POCl3/O2, which is attractive for high in-dustrial throughput, the excess of Phosphorous into the gas phase however contributes to a large increase of Joe and thus probably to a wider dead layer near the Silicon surface, giving rise to a loss of Voc as well as Jsc on the cell level. Nevertheless, it should be pointed out from the Joe measurements that, one could have predicted a larger difference on the cell level be-tween the groups of gas ratio of 1 and 0.5. This might indicate that the saturation current from the base is still too high for such type of moderate quality of industrial substrates in comparison with the saturation current from the emitter in order to observe a larger difference. The same analysis based on higher quality ma-terials and/or on substrates having a higher emitter sheet resis-tance may reveal such a discrepancy.5ConclusionsVarious types of standard homogeneous emitters were in-vestigated, using an industrial POCl3 diffusion furnace. It was shown that the precipitated Phosphorous, which was described to be electrically inactive near the Silicon surface, can be sig-nificantly reduced without changing the measured values of in-dustrial emitter sheet resistance of about 50 Ohm/sq. A partial doping time of 40 % of a 30 minutes diffusion and low POCl3/O2 ratio were found to be optimum to minimise the im-pact of the dead layer, which led to an absolute efficiency gain of 0.3%.References[1] G. Schubert et al. Proc. 20th EUPVSEC, Barcelona: (2005) in print.[2] Mohamed M.Hilali et al. Proc. 19th EUPVSEC, Paris: (2004) 1300-1303[3] M. S. R. Heynes et al. Electrochemical Technology, 1967, Vol. 5, No. 9-10: 464-467Tab.1 IV parameters of industrial mc-Si solar cells of 1 Ohm.cm. Average values of 5 cells per groupPartial doping time / Drive in(minute) R□ (Ohm/sq) Jsc (mA/cm2) Voc(mV) FF(%) η(%) Joe(A/cm2)30’ / 0’ 46- 48 32.3 606 76.5 15 3.63E-1320’ / 10’ 46- 48 32.3 608 76.9 15.1 3.52E-1312’ / 18’ 47- 51 32.5 611 77 15.3 3.29E-13Tab.2 IV parameters of industrial mc-Si solar cells of 1 Ohm.cmPOCl3/O2 ratio R□ (Ohm/sq) Jsc(mA/cm2) Voc (mV) FF(%) η(%) Joe(A/cm2)3 47-4832.3860676.815.064.26E-131 47-4832.6660976.815.283.45E-130.5 47- 48 32.69 610 76.715.292.68E-13。