矽材料電池原理及製造考試知識點

2021-03-03 23:58:37 字數 4744 閱讀 3933

2、舉例說明晶體缺陷主要型別。

晶體缺陷主要包含有以下四種,分別為:點缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷

點缺陷:弗倫克爾缺陷、肖特基缺陷

線缺陷:位錯(稜位錯、刃位錯、螺旋位錯)

面缺陷:層錯(外延層錯、熱氧化層錯)

4、簡述光生伏特效應。

1)用能量等於或大於禁帶寬度的光子照射p-n結;

2)p、n區都產生電子—空穴對,產生非平衡載流子;

3)非平衡載流子破壞原來的熱平衡;

4)非平衡載流子在內建電場作用下,n區空穴向p區擴散,p區電子向n區擴散;

5)若p-n結開路,在結的兩邊積累電子—空穴對,產生開路電壓。

5、簡述矽太陽能電池工作原理。

當擁有等於或者大於矽材料禁帶寬度的光子照射到矽材料上,在價帶上的電子吸收這個光子的能量,躍遷到導帶上,並且在價帶上留下乙個空穴。即是在禁帶兩端產生了電子—空穴對。而矽電池本身即為乙個pn結,產生的電子—空穴對即是注入的非平衡載流子,在內建電場的作用下,非平衡載流子分離,產生電流並在在整個矽電池兩端形成電壓。

6、如何從石英砂製取矽?簡要框圖說明從石英到單晶矽的工藝。

工業矽製備原理:

多晶矽生產工藝:法、矽烷法、流化床法、改良西門子法(、、)

單晶矽的生長

7、簡述半導體矽中的雜質對其效能的影響.

本徵半導體 si、ge等的四個價電子,與另四個原子構成四個共價鍵,當摻入少量的五價原子(如p、as)時,就形成了n型半導體,由量子力學知識可知,這種摻雜後多餘的電子的能級在禁帶中緊靠空帶處,ded~10-2ev,極易形成電子導電。則半導體中的電子變為主要載流子,在室溫下,除了本徵激發之外還受到雜質電離的影響,載流子濃度增加,使半導體的電導率上公升;而當摻入的雜質為三價原子時(如b、ga、in等),多餘的空穴的能級在禁帶中緊靠滿帶處,ded~10-2ev,極易形成空穴導電,空穴為其主要載流子,與n型材料類似的,在室溫下,由於雜誌電離效果的存在,摻雜後的半導體矽的載流子濃度增大,電導率增大。

8、以p摻入si為例,說明什麼是施主雜質、施主雜質電離過程和n型半導體。

p摻入si,其中施主雜誌是p原子。摻雜過程中,乙個磷原子佔據了乙個矽原子的位置,並與周圍的四個矽原子,還剩餘乙個價電子。同時磷原子所在的位置也多餘了乙個正電荷,此處即為正電中心,多餘的電子在電離前就被束縛在這個正電中心的周圍。

但是,這種束縛相對於共價鍵來說仍是微弱的,少量的能量就能使該電子從被束縛的狀態變為自由電子,其過程被稱為雜誌電離。正因為雜誌電離需要的能量遠低於從共價鍵中解放乙個電子的能量,常溫下,由於電離產生了大量的自由電子,把此類主要依靠電子導電(主要載流子為電子)的半導體稱為n型半導體。

9、以b摻入si為例,說明什麼是受主雜質、受主雜質電離過程和p型半導體

b摻入si,其中施主雜誌是p原子。摻雜過程中,乙個硼原子佔據了乙個矽原子的位置,並與周圍的四個矽原子,還缺少乙個電子,必須從別處的矽原子中奪取乙個價電子。而在硼接受了這乙個電子後,其整體帶上了乙個單位的負電荷,成為乙個負電中心。

被奪走價電子而產生的空穴由於靜電力的作用而被束縛在負電中心周圍。但是,這種束縛仍是微弱的,少量的能量就能使該該空穴從被束縛的狀態變為自由載流子,其過程被稱為雜誌電離。常溫下,由於電離產生了大量的空穴,把此類主要依靠空穴導電(主要載流子為空穴)的半導體稱為p型半導體。

10、解釋平衡載流子和非平衡載流子並舉例說明。

平衡載流子是指在pn結中只存在本徵激發而產生的載流子,在這樣的情況之下,pn結兩端擁有統一的費公尺能級,此時平衡載流子濃度n0和p0唯一由ef決定。平衡態非簡併半導體的n0和p0乘積為:,稱為非簡併半導體平衡態判據式。

但是半導體的平衡態條件並不總能成立,如果某些外界因素作用於平衡態半導體上,例如一定溫度下用光子能量hγ≥eg的光照射n型半導體,這時平衡態條件被破壞,樣品就處於偏離平衡態的狀態,稱作非平衡態。光照前半導體中電子和空穴濃度分別是n0和p0,並且n0>>p0。光照後的非平衡態半導體中電子濃度n=n0+δn ,空穴濃度p=p0+δp,並且δn=δp,比平衡態多出來的這部分載流子δn和δp就稱為非平衡載流子。

n型半導體中稱δn為非平衡多子,δp為非平衡少子。

1、如何控制直拉法生長單晶矽的電阻率均勻性?

控制直拉法生長的單晶矽的電阻率均勻性分為控制其縱向電阻率的均勻性和徑向電阻的均勻性:

縱向電阻率均勻性的控制:變速拉晶(分別從分凝作用和蒸發作用考慮)、稀釋溶質(雙坩堝及連續送料cz技術)

橫向電阻率均勻性的控制:調平固液介面

2、cz矽單晶生長工藝中影響縱向電阻率均勻性主要因素有哪些?如何改善(含原理)。

對於直拉單晶的電阻率的主要影響因素有雜質的分凝、蒸發、沾汙等。對於k<1的雜質,分凝會使單晶尾部電阻率降低(分凝係數小於一,使雜質濃度在分凝過程中不斷增大);而當k>1時,單晶尾部的電阻率公升高(分凝係數大於一,使雜質濃度在分凝過程中不斷減少)。坩堝的汙染(引入p型雜質)會使n型單晶尾部的電阻率增高,使p型單晶尾部電阻率減小。

改善方法:

1)變速拉晶法:cs=kcl是基本原理,實際上k應該為keff,其隨著轉速f的增加而增大。通過速度f的改變可以調節晶體的電阻率。

2)雙坩堝法(連通坩堝法、浮置坩堝法):針對k<1的雜質情況,拉晶過程中在內坩堝熔體減少時外坩堝的熔體補充進來,使熔體雜質濃度的增加減緩,使長成的晶體的電阻率比較均勻。

3、影響直拉單晶矽的電阻率均勻性的因素及改善措施。

控制直拉法生長的單晶矽的電阻率均勻性分為控制其縱向電阻率的均勻性和徑向電阻的均勻性:

縱向電阻率均勻性的控制:變速拉晶(分別從分凝作用和蒸發作用考慮)、稀釋溶質(雙坩堝及連續送料cz技術)

橫向電阻率均勻性的控制:調平固液介面

4、800g高純多晶矽拉製電阻率為20~50ωcm的n型矽單晶,試拉單晶為p型,頭部電阻率為250ωcm,應摻入多少電阻率為8×10-3ωcm的p-si合金?已知:坩堝直徑13cm,從熔化到放肩約為1小時,由ρ-n圖得到8×10-3ωcm對應濃度為7×1018cm-3,e磷=10-3cm,k磷=0.

53,k硼=0.8,d矽 = 2.5g cm-3。

cl1=cs1/k硼=5×1013÷0.8=6.25×1013cm-3

cl2=cs2/k磷=1×1014÷0.35=2.86×1014cm-3

試拉為p型,而拉製的要求為n型,所以:

cl=cl1+cl2=3.5×1014cm-3

考慮到蒸發問題:cl0=clxexp(-eat/v)=4.0×1014cm-3

則合金的量為:m合金=w矽cl0/cm≈4.6×10-2g

5、從形態、質量、能耗、大小、晶體形狀及電池效率對比直拉單晶矽和鑄造多晶矽的性質。

在形態上,直拉單晶矽形狀一般為圓柱形,而鑄造多晶矽一般鑄造成矽錠,為方形。在質量上由於單晶的工藝要求較高,其純度一般要求在六個九以上;而相對的,鑄造多晶矽的純度要求相對較低。在能耗上,單晶由於有拉晶的過程,相對能耗遠大於鑄造多晶矽。

而在晶體形狀上,單晶矽的形狀比較規則,其中晶體的缺陷明顯較少,而多晶矽只滿足短程有序,其形狀規則性較差。而在製造成的電池片效率上看,單晶的效率明優於多晶矽,單晶電池片的轉化效率一般能超過百分之二十,而多晶在百分之十幾。

6、簡述多晶矽的鑄造原理及工藝。

多晶矽的生產方法主要包含:sicl4法、矽烷法、流化床法、西門子改良法

而太陽能級多晶矽還包含以下方法生產:冶金法、氣液沉澱法、重摻矽廢料提純法

多晶矽的提純一般來自於工業矽,其原理工藝如下:

生成三氯氫矽:si(s)+3hcl(g)àsihcl3(g)+h2+q

提純三氯氫矽:萃取法、絡合物法、固體吸附法、部分水解法、精餾法

通過氫氣還原三氯氫矽生成高純度矽、鑄錠

7、晶體生長中調平固液介面的目的是什麼?有哪些主要方法?

目的:當拉晶是固液介面並不平坦,對於分凝係數不為1的雜質而言,會導致產生的單晶矽的徑向電阻率有較大的不均勻性。

方法:1、調整晶體生長的熱系統,使熱場的徑向溫度梯度減小

2、調節拉晶的執行引數,例如對於凸向熔體的介面加快拉速,增加其凝固速度增加利用結晶潛熱使介面趨於平坦。

3、調整晶體或者坩堝的轉速,調整高溫液流的增減

4、增大坩堝內徑與晶體直徑的比值

8、直拉法生長單晶矽拉晶過程有哪幾個主要階段?縮頸的主要目的是什麼?

主要階段:籽晶熔接、引晶和縮頸、放肩、等徑生長、收晶

縮頸的主要目的:縮頸是指在引晶後略為降低溫度,提高拉速,拉一段直徑比籽晶細的部分。其目的是排除接觸不良引起的多晶和盡量消除籽晶內原有位錯的延伸。

9、解釋晶體矽中缺陷和深能級雜質對電池效率的影響。

晶體矽中存在缺陷後,會在矽晶體能帶的禁帶中引入缺陷能級,形成一定的復合中心,減少電池中的載流子濃度,從一定角度上降低電池的效率。

而深能級雜質的電離能較大,主要起到了復合中心和陷阱的作用,會將載流子進行復合和束縛,同樣存在一定的降低載流子濃度的作用,從一定程度上會降低電池的效率。

1、畫出矽太陽能電池製造工藝流程簡要方框圖。

2、框圖簡要說明矽片製備主要工藝流程。

單晶生長→整形→切片→晶元研磨及磨邊→蝕刻→拋光→矽片檢測→打包

3、說明晶棒切割的主要方式及特點。

晶棒切割主要通過使用內圓切割、外圓切割、多線切割等方式進行切割。

無論是內圓切割方式還是外圓切割方式,受制於刀片的厚度,對於矽料的使用率和本身矽片的厚度都有很強的侷限性。而相對較新的多線切割在材料的利用和矽片厚度上明顯較為出色。多線切割由於使用細鋼絲替換刀片,使得材料的利用率大大上公升,同時也能大大降低矽片的厚度。

4、為什麼要消除矽片加工時產生的表面損傷層?簡要說明消除步驟及特點。

在切割、研磨和拋光過程中,會帶來表面損傷層。尤其在切割和研磨過程中表面形成乙個晶格高度扭曲層和乙個較深的彈性變形層。退貨或者擴散加熱時,彈性應力消失,產生高密度位錯層。

如此引進的二次缺陷比單晶生長時引進的多得多,從而產生無窮多的載流子復合中心,使光生載流子的壽命大大降低,無法被內建電場分離。

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