太阳电池材料

《太阳电池材料》复习题
一、填空题
1．半导体材料的种类很多，其中硅材料是最重要的半导体材料。按照成分从大范围分，半导体材料可分为有机半导体和无机半导体，而无机半导体又可分为元素半导体(Si、Ge、Se、C等)和化合物半导体(GaAs、InP、GaAlAs、GaN等)。(P13)
2．硅材料有多种晶体形式，包括单晶硅、多晶硅和非晶硅，应用于太阳电池工业领域的硅材料包括直拉单晶硅、薄膜非晶硅、铸造多晶硅、带状多晶硅和薄膜多晶硅，它们有各自优点和弱点，其中直拉单晶硅和铸造多晶硅应用最为广泛，占太阳能光电材料的90%左右。(P75)
3．常用的形成p-n结的工艺主要有合金法、扩散法、离子注入法和薄膜生长法，其中扩散法是目前硅太阳电池的p-n结形成的主要方法。(P39)
4．扩散法是指在n型(或p型)半导体材料中，利用扩散工艺掺入相反类型的杂质，在一部分区域形成与体材料相反类型的p型(或n型)半导体，从而构成p-n结。这种方法也是太阳电池制备工艺最常用的方法。(P39)
5．在半导体器件制备过程中，包括太阳能光电池的制备过程，常常需要没有整流效应的金属和半导体的接触这种接触称为欧姆接触。在实际工艺中，常用的欧姆接触制备技术有:低势垒接触、高复合接触和高掺杂接触。(P47)
6．对于晶体硅，禁带宽度为1.12eV，本征吸收限λ0=1.1μm；而砷化镓的禁带宽度为1.42eV，λ0=0.867μm。(P50)
7．晶体硅太阳电池的制备，其主要工艺步骤包括:绒面制备、p-n结制备、铝背场制备、正面和背面金属接触以及减反射层沉积。(P54)
8．薄膜太阳电池，包括砷化镓薄膜太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池、多晶硅薄膜太阳电池、CdTe薄膜太阳电池和CuInSe2薄膜太阳电池等。这些薄膜太阳电池的厚度通常只有1～l0μm，制备在玻璃等相对廉价的衬底上，可以实现低成本、大面积的工业化生产。(P50)
9．绒面制备时，对于(100)的p型直拉单晶硅片，最常用的择优化学腐蚀剂是NaOH（或KOH），在80～90℃左右的温度下，进行化学反应，最终使表面形成金字塔形结构。其化学反应式为：Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+H2。(P58)
10．绒面制备时，对于由不同晶粒构成的铸造多晶硅片，由于硅片表面具有不同的晶向，研究者提出利用非择优腐蚀的酸性腐蚀剂，在铸造多晶硅表面制造类似的绒面结构。到目前为止，人们研究得最多的是HF和HNO3的混合液。其具体的反应式为：3Si+4HNO3=3SiO2+2H2O+4NO，SiO2+6HF=H2(SiF6)+2H2O。 (P59)
11. 绒面制备时，除化学腐蚀法以外，还可以利用机械刻槽、激光刻槽和等离子刻蚀等技术，在硅片表面制造不同形状的绒面结构，其目的就是降低太阳光在硅片表面的反射率，增加

太阳光的吸收和利用。(P59)
12.磷扩散的工艺有多种，主要包括气态磷扩散、固态磷扩散和液态磷扩散等形式。而液态磷扩散通常利用的液态磷源为三氯氧磷，通过保护气体，将磷源携带进人反应系统，在800～1000℃之间分解，生成P2O5，沉积在硅片表面形成磷硅玻璃，作为硅片磷扩散的磷源，其反应式为：5POCl3=P2O5+3PCl5，2P2O5+5Si=5SiO2+4P。(P60)
13.为了改善硅太阳电池的效率，在p-n结制备完成后，往往在硅片的背面即背光面，沉积一层铝膜，制备P+层，称为铝背场，其作用是减少少数载流子在背面复合的概率，也可以作为背面的金属电极。(P60)
14.目前，金属接触主要是利用丝网印刷技术，在晶体硅太阳电池的两面制备成梳齿状的金属电极。(P61)
15.对金属硅（或治金硅）的化学提纯是指通过化学反应，将硅转化为中间化合物，再利用精馏提纯等技术提纯中间化合物，使之达到高纯度；然后再将中间化合物还原成硅，此时的高纯硅为多晶状态，可以达到半导体工业的要求，根据中间化合物的不同，化学提纯多晶硅可分为不同的技术路线，其共同的特点是：中间化合物容易提纯。(P80)
16.新型直拉晶体硅的生长技术包括：磁控直拉硅单晶生长、重装料直拉硅单晶生长、连续加料直拉硅单晶生长、太阳能用直拉三晶硅晶体生长。(P90)
17.由两种或两种以上元素构成的固溶体，在高温熔化后，随着温度的降低将重新结晶，形成固溶体。在再结晶过程中，浓度小的元素〔作为杂质)在浓度高的元素晶体及熔体中的浓度是不同的，称为分凝现象。(P94)
18.太阳电池用单晶硅片的厚度约为200～300μm，特殊情况下的硅片厚度可为100～150μm。单晶硅锭切成硅片，通常采用内圆切割机或线切割机。(P100)
19.目前，在太阳电池用直拉单晶硅中，主要的杂质是氧、碳和金属杂质，主要的缺陷是位错。(P104)
20.晶体硅的缺陷有多种类型。按照缺陷的结构分类，直拉单晶硅中主要存在点缺陷、位错、层错和微缺陷；按照晶体生长和加工过程分类，可以分为晶体原生缺陷和二次诱生缺陷。(P133)
21.直拉单晶硅中的位错主要有三种类型，即刃型位错、螺型位错以及由它们组成的混合位错。(P133)
22.利用铸造技术制备多晶硅主要有两种工艺，一种是浇铸法，另一种是直熔法，又称布里奇曼法。前一种技术国际上已很少使用，而后一种技术在国际产业界得到了广泛应用。从本质上讲，两种技术没有根本区别，都是铸造法制备多晶硅，只是采用一只或两只坩埚而已。(P145)
23.带硅材料的制备已经有20多种技术被开发，按照其生长方式，大致可以分成两大类：一类是垂直提拉生长；另一类是

水平横向生长。一般而言，垂直提拉生长的速率远远低于水平横向生长的速率。(P192)
24.非晶硅薄膜生长的主要化学反应式为：SiH4=SiH2+H2；2SiH4=2SiH3+H2； SiH4=Si+2H2。其中，SiH2和SiH3是主要的活性基团。(P217)
25.所谓的多晶硅(polycrystalline silicon, poly-Si)薄膜材料是指在玻璃、陶瓷、廉价硅等低成本衬底上，通过化学气相沉积等技术，制备成一定厚度的多晶硅薄膜。(P235)
26.GaAs是一种典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。GaAs的原子结构是闪锌矿结构。GaAs为直接禁带半导体材料，其太阳电池的抗辐射性能明显高于硅太阳电池。(P259)
27.在非晶硅薄膜光致衰减效应中，光照缺陷的产生和热稳定性可能是决定光致衰减程度的主要因素。(P229)

二、简述及计算题
1. 由理论计算可知，对于用玻璃封装的晶体硅太阳电池而言，玻璃的折射率
n0为1.5，晶体硅的折射率nSi为3.6，试计算最合适的减反射膜的光学折射率，以及减反射膜的最佳厚度。
答：n=根号nonsi=2.3 、 d=4分之λ=70mm
2.金属硅（或冶金硅）又称为粗硅或工业硅，是用大自然中的石英砂冶炼而成的，试简述其冶炼过程，并写出主要的化学反应式。(P80)
答：简述：在电弧炉中，利用纯度在99%以上的石英砂和焦炭或木炭阻碍2000度左右进行还原反应，可以生成多晶硅，它的方程式：SiO2+3c=sic+2co 2sic+sio2=3si+2co

3.对金属硅（或治金硅）化学提纯得到高纯多晶硅，目前在工业中应用的技术有: 三氯氢硅氢还原法、硅烷热分解法和四氯化硅氢还原法，最主要的是前两种技术。试简述三氯氢硅氢还原法的过程，并写出主要的化学反应式。(P81)
答：将置于反应室的原始高纯多晶硅细棒通电加热至1100度以上，通入中间化合物三氯氢硅和高纯氧气，发生还原反应，采用化学气相沉积技术生成的新的高纯硅沉积在硅棒上，使硅棒不断长大，直到硅棒的直径达到150-200mm，制成半导体级高纯多晶硅。SIHCL3+H2=Si+3HCl 2(SIHCL3)=SI+2HCL+SICL4

5.简述直拉单晶硅的制备工艺。
答：多晶硅的装料和熔化、中晶、缩颈、放肩、等径和收尾。
6. k0为杂质在晶体中的平衡分凝系数，下图所示为k0>1、k0<1和k0=1时A、B两组元固溶体的相图。根据此图说明在晶体生长时，杂质在晶体中的浓度变化的情况。(P95)
答：K0<1意味着晶体生长时杂志在晶体中的浓度始终小于熔体中的浓度，及杂质在硅熔体中富集，最终导致晶体尾部的杂质含量高于晶体尾部的杂质含量高于晶体头部；反之，k0>1意味着晶体生长时杂质在晶体中的浓度始终大于在熔体中的浓度，及杂质在硅熔体中的浓度会越来越小，使得晶体尾部的杂质含量低于晶体头部；k0=1时，杂质在晶

体和熔体中的浓度始终一致，导致晶体生长完成后，从晶体的头部到晶体的尾部，浓度都保持一致.

图1 不同平衡分凝系数时A、B两组元形成的固溶体的相图
7. 简述直拉单晶硅片的加工工艺。(P98)
答：简述：对于大规模集成电路用单晶硅了，一般需要对单晶硅棒进行切断，滚圆，切片倒角，磨片，化学腐蚀和抛光等工艺，在不同的工艺间还需要进行不同程度的化学清洗。
8. 简述直熔法制备铸造多晶硅的工艺。(P149)
答：装料，加热，化料，晶体生长，退火，冷却。