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，跃迁到导帶上，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8×10-3Ω•cm对应浓度为7×1018cm-3，E磷=10-3cm，K磷=0.53，K硼=0.8，d硅 = 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

试拉为P型，而拉制的要求为N型，所以：

Cl=Cl1+Cl2=3.5×1014cm-3

考虑到蒸发问题：Cl0=Clxexp(-EAt/V)=4.0×1014cm-3

则合金的量为：M合金=W硅Cl0/Cm≈4.6×10-2g

 

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。

方法：

1、调整晶体生长的热系统，使热场的径向温度梯度减小

2、调节拉晶的运行参数，例如对于凸向熔体的界面加快拉速，增加其凝固速度增加利用结晶潜热使界面趋于平坦。

3、调整晶体或者坩埚的转速，调整高温液流的增减

4、增大坩埚内径与晶体直径的比值

 

8、直拉法生长单晶硅拉晶过程有哪几个主要阶段？缩颈的主要目的是什么？

主要阶段：籽晶熔接、引晶和缩颈、放肩、等径生长、收晶

缩颈的主要目的：缩颈是指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。

 

9、解释晶体硅中缺陷和深能级杂质对电池效率的影响。

晶体硅中存在缺陷后，会在硅晶体能带的禁带中引入缺陷能级，形成一定的复合中心，减少电池中的载流子浓度，从一定角度上降低电池的效率。

而深能级杂质的电离能较大，主要起到了复合中心和陷阱的作用，会将载流子进行复合和束缚，同样存在一定的降低载流子浓度的作用，从一定程度上会降低电池的效率。

 

1、画出硅太阳能电池制造工艺流程简要方框图。

硅片加工→化学清洗和抛光→涂源扩散→真空蒸镀制备上电极→化学镀镍制备下电极→边缘腐蚀→中间测试分档→引线浸锡→蒸镀反射膜→总测分类

 

2、框图简要说明硅片制备主要工艺流程。

单晶生长→整形→切片→晶片研磨及磨边→蚀刻→抛光→硅片检测→打包

 

3、说明晶棒切割的主要方式及特点。

晶棒切割主要通过使用内圆切割、外圆切割、多线切割等方式进行切割。

无论是内圆切割方式还是外圆切割方式，受制于刀片的厚度，对于硅料的使用率和本身硅片的厚度都有很强的局限性。而相对较新的多线切割在材料的利用和硅片厚度上明显较为出色。多线切割由于使用细钢丝替换刀片，使得材料的利用率大大上升，同时也能大大降低硅片的厚度。

 

4、为什么要消除硅片加工时产生的表面损伤层？简要说明消除步骤及特点。

在切割、研磨和抛光过程中，会带来表面损伤层。尤其在切割和研磨过程中表面形成一个晶格高度扭曲层和一个较深的弹性变形层。退货或者扩散加热时，弹性应力消失，产生高密度位错层。如此引进的二次缺陷比单晶生长时引进的多得多，从而产生无穷多的载流子复合中心，使光生载流子的寿命大大降低，无法被内建电场分离。

化学抛光：使用“OP4”腐蚀液分两次抛光硅片，总时间3~5分钟，抛光后用王水或者酸性双氧水清除残存离子型杂质和原子型杂质。

化学抛光只能去除一定限度的表面损伤层。

化学机械抛光：

氧化铬抛光：速度快，工艺较易掌握，但抛光损伤层较厚

硅胶化学机械抛光：利用二氧化硅胶体或者近胶体状溶液进行抛光，是抛光损伤层最小的一种方法。

 

5、硅太阳能电池主要通过扩散在表面制备PN结。什么是恒定源扩散？

扩散过程中，认为硅片周围的杂质浓度是恒定的，不随时间而改变，硅片表面的杂质浓度Ns保持不变，始终等于源相中的杂质浓度，称这种情况为恒定源扩散。

 

6、硅太阳能电池主要通过扩散在表面制备PN结。什么是恒量源扩散？

在扩散前，用预扩散或者真空沉积法，使硅片表面具有一定量的杂质源Q，整个扩散过程中不再加源，因而整个扩散过程中杂质源的总量Q保持不变，随着扩散深度增加，表面浓度不断下降。

 

7、硅太阳能电池主要通过扩散在表面制备PN结。如何对扩散参数进行控制？

扩散温度与时间：通常，在不影响PN结特性的前提下，扩散温度选择高些，可以缩短扩散时间，有利于生产。在恒定表面浓度扩散时，时间越长，扩散入硅的杂志总量增加，结深增加；在恒量扩散时，时间增加，表面浓度增加，结深增加。而相对温度的控制要求更加精准。

扩散结深的测定：把扩散过的硅片磨出1~5度的斜角，常用硫酸铜溶液染色法或者氢氟酸溶液染色法。

薄层电阻的测定：四探针法测量

 

8、如何用四探针法测量薄层电阻？并画出简明电路图。

测量装置由电位差计、检流计、毫安表、滑动变阻器、测量头、电源组成。测量头由四根彼此相距S的钨丝探针组成。测量时将探针压在硅片表面，外面两根探针通电流I，测量中间的电压。若测试样品尺寸比探针间距大得多，则薄层电阻为：R□=4.5324V/I

实际硅片是有一定大小的，要采用校正因子C表示：R□=C•V/I（C可通过查表获得）

 

9、在1Ω•cm的N型硅片上进行恒定源扩硼制得电池，测得R□=30Ω/□，xj=0.4μm，试求其表面浓度Ns。由ρ-N图得到1Ω•cm对应浓度为1016 cm-3。

σ=1÷（30×0.4×10-4）=8.33×102cm-2

查“P型与误差分布扩散层的平均电导率”中的x/xj=0曲线，得Ns=5×1020个/厘米3

 

10、推导电池表面串联电阻和方块电阻及栅线条数的关系。

串联电阻：Rs=Rb+R□+RΩ

若电池片只有一条栅线，则串联电阻为：Rs=ρ•d/(Lxj)

代入平均电阻率得：Rs= R□•d/L

在增加栅线的情况下。设细栅线m条，间距为sd，则：d=0.25sd

若主栅线宽度和电池片宽度比较可以省略，L为细栅线侧边总和：L=d•2m

代入后得：Rs=R□•s/（8dm）

对于正方形电池片，则s/d=1/m，可得：Rs=R□/（8m2）

可见m越大，Rs越小。

11、试求硅太阳能电池表面减反射层的最佳厚度。

减反射层在光学性质上必须满足两个条件：1）n1n3=n22；2）n2d=0.25•λ（2L-1）（L为正整数）n1：覆盖层的折射率；n3：电池折射率；n2：减反射层折射率；λ：波长

若没有覆盖层时，表面是空气n1=1。对于硅电池，n3=3.4~4.0，则根据条件一可知n2的范围是在1.8到2.0之间。取太阳光谱波长为0.4~1.1微米，将条件和n2代入条件2），得到减反射膜的厚度d≥800埃