1太阳能光伏发电应用技术考试试题

杂质能级的位置位于禁带中心附近，电离能较大，在室温下，处于这些杂质能级上的杂质一般不电离，对半导体材料的载流子没有贡献，但是它们可以作为电子或空穴的复合中心，影响非平衡少数载流子的寿命，这类杂质称为深能级杂质常用的形成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 一n 结形成的主要方法。

合金法是指在一种半导体单晶上放置金属或半导体元素，通过升温等工艺形成p-n 结。

扩散法是指在n 型（或p 型）半导体材料中，利用扩散工艺掺人相反类型的杂质，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。

离子注人法是指将n 型（或p 型）掺杂剂的离子束在静电场中加速，使之具有高动能，注人p 型半导体（或n 型半导体）的表面区域，在表面形成与体内相反的n 型（或p 型）半导体，最终形成p-n 结薄膜生长法是在n 型（或p 型）半导体表面，通过气相、液相等外延技术，生长一层具有相反导电类型的p 型（或n 型）半导体薄膜，在两者的界面处形成p-n 结。

p-n 结具有许多重要的基本特性，包括电流电压特性、电容效应、隧道效应、雪崩效应、开关特性、光生伏特效应等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。

欧姆接触不会形成附加的阻抗，不会影响半导体中的平衡载流子浓度。

从理论上讲，要形成这样的欧姆接触，金属的功函数必须小于型半导体的功函数，或大于p 型半导体的功函数，这样，在金属一半导体界面附近的半导体一侧形成反阻挡层（电子或空穴的高电导区），可以阻止整流作用的产生。

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。

所谓的低势垒接触，就是选择适当的金属，使其功函数和相应半导体的功函数之差很小，导致金属一半导体的势垒极低，在室温下就有大量的载流子从半导体向金属或从金属向半导体流动，从而没有整流效应产生。

对于p 型硅半导体而，金、铂都是较好的可以形成低势垒欧姆接触的金属。

高复合接触是指通过打磨或铜、金、镍合金扩散等手段，在半导体表面引人大量的复合中心，复合掉可能的非平衡载流子，导致没有整流效应产生。

高掺杂接触，是在半导体表面掺人高浓度的施主或受主电学杂质，导致金属一半导体接触的势垒区很薄。

在室温下电子通过隧穿效应产生隧道电流，从而不能阻挡电子的流动，接触电阻很小，最终形成欧姆接触。

光生伏特效应，当p 型半导体和n 型半导体结合在一起，形成p 一n 结时，由于多数载流子的扩散，形成了空间电荷区，并形成一个不断增强的从n 型半导体指向p 型半导体的内建电场，导致多数载流子反向漂移。

达到平衡后，扩散产生的电流和漂移产生的电流相等。

如果光照在p-n 结上，而且光能大于p-n 结的禁带宽度，则在p-n 结附近将产生电子一空穴对。

由于内建电场的存在，产生的非平衡电子载流子将向空间电荷区两端漂移，产生光生电势（电压），破坏了原来的平衡。

如果将p 一n 结和外电路相连，则电路中出现电流，称为光生伏特现象或光生伏特效应太阳电池主要工艺步骤：绒面制备、p 一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。

绒面制备是利用晶体硅化学腐蚀的各向异性，在NaOH 等化学溶液中处理，形成金字塔形的结构，增加了对人射光线的吸收；p n 结制备是在掺硼的p 型硅上，通过液相、固相和气相等技术，扩散形成n 型半导体；然后沉积铝作为铝背场，再通过丝网印刷、烧结形成金属电极。

绒面结构对于单晶硅而言，如果选择择优化学腐蚀剂，就可以在硅片表面形成金字塔结构，称为绒面结构，又称表面织构化，除化学腐蚀以外，还可以利用机械刻槽、激光刻槽和等离子蚀刻等技术，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P- n 结制备晶体硅太阳电池一般利用掺硼的p 型硅作为基底材料，在900 ℃ 左右，通过扩散五价的磷原子形成n 型半导体，组成p-n 结。

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。

铝背场为了改善硅太阳电池的效率，p 一n 结制备完后，在硅片的背光面，沉积一层铝膜，制备P+ 层，称为铝背场，其作用减少少数载流子在背面复合的概率，作为背面的金属电极。

制备铝背场最简便的方法是利用溅射等技术在硅片背面沉积一层铝膜，然后在800 一1000℃ 热处理，使铝膜和硅合金化并内扩散，形成一层高铝浓度掺杂的p+ 层．构成铝背场。

丝网印刷电极制备．就是利用丝网印刷的方法，把金属导体浆料按照所设计的图形，印刷在已扩散好杂质的硅片正面、背面。

然后，在适当的气氛下，通过高温烧结，使浆料中的有机溶剂挥发，金属颗粒与硅片表面形成牢固的硅合金，与硅片形成良好的欧姆接褳，从而形成太阳电池的上、下电极。

减反射膜的基本原理是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相消，从而减弱反射，增加透射。

减反射层的薄膜材料通常要求有很好的透光性，对光线的吸收越少越好；同时具有良好的耐化学腐浊性良好的硅片粘接性如果可能最好还具有导电性能。

化学气相沉积(CVD) 、等离子化学气相沉积(PECVD) 、喷涂热解、溅射、蒸发等技术，都可以用来沉积不同的减反射膜。

减反射膜的最佳厚度为70nm工业上和实验室一般使用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD) 来生成氮化硅薄膜。

这是因为，相对于其他制备技术，PECVD 制备薄膜的沉积温度低，对多晶硅中少数载流子的寿命影响较小，而且生产能耗较低；而且沉积速度较快，生产效率高；氮化硅薄膜的质量好，薄膜均匀且缺陷密度较低非晶硅薄膜太阳电池与晶体硅太阳电池相比，具有重量轻、工艺简单、成本低和耗能少等优点，主要应用于电子计算器、手表、路灯等消费产品。

由于非晶硅材料具有独特的性质，所以其太阳电池结构不同于晶体单的p 一n 结结构，而是pin 结构。

这是因为非晶硅材料属于短程有序、长程无序的晶体结构，对载流子有很强的散射作用，导致载流子的扩散长度很短，使得光生载流子在太阳电池中只有漂移运动而无扩散运动。

晶体硅薄膜太阳电池一般被设计成pin 结构，其中p 为人射光层，i为本征吸收层，n 为基底层。

由结和i 一n 结形成的内建电场几乎跨越整个本征层。

当人射光穿过p 型人射光层在本征吸收层中产生电子一空穴对很快被内建电场分开，空穴漂移到p 层，电子漂移到n 层，形成光生电流和光生电压非晶硅的pi n 结构通常是利用气相沉积法制备的，根据不同的技术又可以分为辉光放电法、溅射法、真空蒸发法、热丝法、光化学气相沉积法和等离子气相沉积法。

其中，等离子气相沉积法在工业界和研究界被广泛应用多晶硅薄膜太阳电池制备在具有一定机械强度的低成本的衬底材料上，衬底为玻璃、晶体硅、低纯度的多品硅、s ℃等。

在此基础上，利用等离子化学气相沉积法、等离子体溅射沉积法、液相外延法和化学沉积法，来制备掺硼的p 型多晶硅薄膜，其中化学沉积法得到了广泛、应用。

单晶硅是根据晶体生长方式的不同，可以分为区熔单晶硅和直拉单晶硅。

区熔单晶硅是利用悬浮区域熔炼的方法制备的，所以又称为FZ 硅单晶。

直拉单晶硅是利用切氏法备单晶硅，称为CZ 单晶硅。

高纯多晶硅的制备三氯氢硅氢还原法是德国西门子1954 年发明的，又称西门子法，是广泛采用的高纯多晶硅制备技术，硅烷热分解法，四氯化硅氢还原区熔单晶硅利用悬浮区熔方法制备的区熔单晶硅，纯度很高，电学性能均匀；但是，直径小，机械加工性差。

利用区熔单晶硅制备的太阳电池的光电转换效率高，但是生产成本高，价格昂贵在区熔单晶硅的制备过程中，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。

晶体生长首先从多晶硅棒和籽晶的结合处开始，多晶硅棒和籽晶以一定的速度做相反方向的运动，熔区从下端沿着多晶硅棒缓慢向上端移动，使多晶硅逐步转变成单晶硅。

直拉单晶硅的制备工艺一般包括：多晶硅的装料和熔化、种晶、缩颈、放肩、等径和收尾分凝现象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。

在再结品过程中，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。

平衡分凝系数在固溶体结晶时，如果固相和液相接近平衡状态，即以无限缓慢的速度从熔体中凝固出固体，固相中某杂质的浓度，液相中该杂质的浓度，那么，两者的比值称为该杂质在此晶体中的平衡分凝系数对于晶体硅而言，杂质浓度极低，杂质的平衡分凝系数就是固液相图中固相线与液相线的斜率之比。

对于硅中不同的杂质，平衡分凝系数k也不同。

k< 1意味着晶体生长时，杂质在品体中的浓度始终小于在熔体中的浓度，即杂质在硅熔体中富集，最终导致品体尾部的杂质含量高于品体头部；反之，k> 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，即杂质在硅熔体中浓度会越来越小，使得晶体尾部的杂质含量低于晶体头部；k= 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，从品体的头部到晶体的尾部，浓度都保持一致。

对于大规模集成电路用单晶硅，一般需要对单晶硅棒进行切断（割断）、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进行不同程度的化学清洗。

而对于太阳电池用单晶硅，硅片的要求比较低，通常应用前几道加工工艺即切断（割断、滚圆（切方块）、切片和化学腐蚀。

直拉单晶硅除了电活性杂质外，一般主要存在氧、碳、氮、氢和金属杂质。

其中氧是主要杂质，氮杂质是在晶体生长阶段加人的杂质，对控制微缺陷和增加机械强度有益。

而氢杂质是在器件加工过程中引人的，主要用来钝化金属杂质和缺陷。

太阳电池直拉单晶硅比集成电路直拉单品硅具有更多的杂质和缺陷。

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，主要的缺陷是位错氧是直拉单晶硅中的3还可以形成氧沉淀，主要杂质，它来源于晶体生长过程中石英坩埚的污染1氧可以与空位结合，形成微缺陷；2可以团聚形成氧团簇，具有电学性能；引人诱生缺陷，氧浓度表现为头部高、尾部低．硅中金属的测量一是测量硅中各个金属杂质总体的浓度；二是测量硅中各个金属单个原子状态的浓度；三是测量硅中金属沉淀的浓度铸造多晶硅的制备工艺一种是浇铸法，即在一个坩埚内将硅原材料熔化，然后浇铸在另一个经过预热的坩埚内冷却，通过控制冷却速率，采用定向凝固技术制备大品粒的铸造多晶硅。

另一种是直接熔融定向凝固法．简称直熔法，又称布里奇曼法，即在坩埚内直接将多晶硅熔化，然后通过坩埚底部的热交换等方式，使熔体冷却，采用定向凝固技术制造多晶硅也有人称这种方法为热交换法在制备铸造多晶硅时，首先将多晶硅的原料在预熔坩埚内熔化，然后硅熔体逐渐流人到下部的凝固坩埚，通过控制凝固坩埚周围的加热装置，使得凝固坩埚的底部温度最低，从而硅熔体在凝固坩埚底部开始逐渐结晶。