硅材料电池原理及制造考试知识点

硅材料电池原理及制造

考试知识点

Coca-cola standardization office【ZZ5AB-ZZSYT-ZZ2C-ZZ682T-ZZT18】

2、举例说明晶体缺陷主要类型。

晶体缺陷主要包含有以下四种，分别为：点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷

点缺陷：弗伦克尔缺陷、肖特基缺陷

线缺陷：位错(棱位错、刃位错、螺旋位错)

面缺陷：层错（外延层错、热氧化层错）

4、简述光生伏特效应。

1）用能量等于或大于禁带宽度的光子照射p-n结；

2）p、n区都产生电子—空穴对，产生非平衡载流子；

3）非平衡载流子破坏原来的热平衡；

4）非平衡载流子在内建电场作用下，n区空穴向p区扩散，p区电子向n区扩散；

5）若p-n结开路，在结的两边积累电子—空穴对,产生开路电压。

5、简述硅太阳能电池工作原理。

当拥有等于或者大于硅材料禁带宽度的光子照射到硅材料上，在价带上的电子吸收这个光子的能量，跃迁到导带上，并且在价带上留下一个空穴。即是在禁带两端产生了电子—空穴对。而硅电池本身即为一个PN结，产生的电子—空穴对即是注入的非平衡载流子，在内建电场的作用下，非平衡载流子分离，产生电流并在在整个硅电池两端形成电压。

6、如何从石英砂制取硅简要框图说明从石英到单晶硅的工艺。

工业硅制备原理：

多晶硅生产工艺：法、硅烷法、流化床法、改良西门子法（、、）

单晶硅的生长

7、简述半导体硅中的杂质对其性能的影响.

本征半导体 Si、Ge等的四个价电子，与另四个原子构成四个共价键，当掺入少量的五价原子（如P、As）时，就形成了n型半导体，由量子力学知识可知，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处，DED～10-2eV，极易形成电子导电。则半导体中的电子变为主要载流子，在室温下，除了本征激发之外还受到杂质电离的影响，载流子浓度增加，使半导体的电导率上升；而当掺入的杂质为三价原子时（如B、Ga、In等），多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，DED～10-2eV，极易形成空穴导电，空穴为其主要载流子，与N型材料类似的，在室温下，由于杂志电离效果的存在，掺杂后的半导体硅的载流子浓度增大，电导率增大。

8、以P掺入Si为例，说明什么是施主杂质、施主杂质电离过程和N型半导体。

P掺入Si，其中施主杂志是P原子。掺杂过程中，一个磷原子占据了一个硅原子的位置，并与周围的四个硅原子，还剩余一个价电子。同时磷原子所在的位置也多余了一个正电荷，此处即为正电中心，多余的电子在电离前就被束缚在

这个正电中心的周围。但是，这种束缚相对于共价键来说仍是微弱的，少量的能量就能使该电子从被束缚的状态变为自由电子，其过程被称为杂志电离。正因为杂志电离需要的能量远低于从共价键中解放一个电子的能量，常温下，由于电离产生了大量的自由电子，把此类主要依靠电子导电（主要载流子为电子）的半导体称为N型半导体。

9、以B掺入Si为例，说明什么是受主杂质、受主杂质电离过程和P型半导体B掺入Si，其中施主杂志是P原子。掺杂过程中，一个硼原子占据了一个硅原子的位置，并与周围的四个硅原子，还缺少一个电子，必须从别处的硅原子中夺取一个价电子。而在硼接受了这一个电子后，其整体带上了一个单位的负电荷，成为一个负电中心。被夺走价电子而产生的空穴由于静电力的作用而被束缚在负电中心周围。但是，这种束缚仍是微弱的，少量的能量就能使该该空穴从被束缚的状态变为自由载流子，其过程被称为杂志电离。常温下，由于电离产生了大量的空穴，把此类主要依靠空穴导电（主要载流子为空穴）的半导体称为P型半导体。

10、解释平衡载流子和非平衡载流子并举例说明。

平衡载流子是指在PN结中只存在本征激发而产生的载流子，在这样的情况之下，PN结两端拥有统一的费米能级，此时平衡载流子浓度n0和p0唯一由EF 决定。平衡态非简并半导体的n0和p0乘积为：，称为非简并半导体平衡态判据式。

但是半导体的平衡态条件并不总能成立，如果某些外界因素作用于平衡态半导体上，例如一定温度下用光子能量hγ≥Eg的光照射n型半导体，这时平衡态条件被破坏，样品就处于偏离平衡态的状态，称作非平衡态。光照前半导体中电子和空穴浓度分别是n0和p0，并且n0>>p0。光照后的非平衡态半导体中电子浓度n=n0+Δn ，空穴浓度p=p0+Δp，并且Δn=Δp，比平衡态多出来的这部分载流子Δn和Δp就称为非平衡载流子。n型半导体中称Δn为非平衡多子，Δp为非平衡少子。

1、如何控制直拉法生长单晶硅的电阻率均匀性

控制直拉法生长的单晶硅的电阻率均匀性分为控制其纵向电阻率的均匀性和径向电阻的均匀性：

纵向电阻率均匀性的控制：变速拉晶（分别从分凝作用和蒸发作用考虑）、稀释溶质（双坩埚及连续送料CZ技术）

横向电阻率均匀性的控制：调平固液界面

2、Cz硅单晶生长工艺中影响纵向电阻率均匀性主要因素有哪些如何改善（含原理）。

对于直拉单晶的电阻率的主要影响因素有杂质的分凝、蒸发、沾污等。对于

K<1的杂质，分凝会使单晶尾部电阻率降低（分凝系数小于一，使杂质浓度在分凝过程中不断增大）；而当K>1时，单晶尾部的电阻率升高（分凝系数大于一，使杂质浓度在分凝过程中不断减少）。坩埚的污染（引入P型杂质）会使N型单晶尾部的电阻率增高，使P型单晶尾部电阻率减小。

改善方法：

1）变速拉晶法：Cs=KCl是基本原理，实际上K应该为Keff，其随着转速f的增加而增大。通过速度f的改变可以调节晶体的电阻率。

2）双坩埚法（连通坩埚法、浮置坩埚法）：针对K<1的杂质情况，拉晶过程中在内坩埚熔体减少时外坩埚的熔体补充进来，使熔体杂质浓度的增加减缓，使长成的晶体的电阻率比较均匀。

3、影响直拉单晶硅的电阻率均匀性的因素及改善措施。

控制直拉法生长的单晶硅的电阻率均匀性分为控制其纵向电阻率的均匀性和径向电阻的均匀性：

纵向电阻率均匀性的控制：变速拉晶（分别从分凝作用和蒸发作用考虑）、稀释溶质（双坩埚及连续送料CZ技术）

横向电阻率均匀性的控制：调平固液界面

4、800g高纯多晶硅拉制电阻率为20～50Ω?cm的N型硅单晶，试拉单晶为P 型，头部电阻率为250Ω?cm，应掺入多少电阻率为8×10-3Ω?cm的P-Si合金已知：坩埚直径13cm，从熔化到放肩约为1小时，由ρ-N图得到8×10-3

Ω?cm对应浓度为7×1018cm-3，E磷=10-3cm，K磷=，K硼=，d硅 = ?cm-3。Cl1=Cs1/K硼=5×1013÷=×1013cm-3

Cl2=Cs2/K磷=1×1014÷=×1014cm-3

试拉为P型，而拉制的要求为N型，所以：

Cl=Cl1+Cl2=×1014cm-3

考虑到蒸发问题：Cl0=Clxexp(-EAt/V)=×1014cm-3

则合金的量为：M合金=W硅Cl0/Cm≈×10-2g

5、从形态、质量、能耗、大小、晶体形状及电池效率对比直拉单晶硅和铸造多晶硅的性质。

在形态上，直拉单晶硅形状一般为圆柱形，而铸造多晶硅一般铸造成硅锭，为方形。在质量上由于单晶的工艺要求较高，其纯度一般要求在六个九以上；而相对的，铸造多晶硅的纯度要求相对较低。在能耗上，单晶由于有拉晶的过程，相对能耗远大于铸造多晶硅。而在晶体形状上，单晶硅的形状比较规则，其中晶体的缺陷明显较少，而多晶硅只满足短程有序，其形状规则性较差。而在制造成的电池片效率上看，单晶的效率明优于多晶硅，单晶电池片的转化效率一般能超过百分之二十，而多晶在百分之十几。

6、简述多晶硅的铸造原理及工艺。

多晶硅的生产方法主要包含：SiCl4法、硅烷法、流化床法、西门子改良法

而太阳能级多晶硅还包含以下方法生产：冶金法、气液沉淀法、重掺硅废料提纯法

多晶硅的提纯一般来自于工业硅，其原理工艺如下：

生成三氯氢硅：Si(s)+3HCl(g)àSiHCl3(g)+H2+Q

提纯三氯氢硅：萃取法、络合物法、固体吸附法、部分水解法、精馏法

通过氢气还原三氯氢硅生成高纯度硅、铸锭

7、晶体生长中调平固液界面的目的是什么有哪些主要方法

目的：当拉晶是固液界面并不平坦，对于分凝系数不为1的杂质而言，会导致产生的单晶硅的径向电阻率有较大的不均匀性。