“钢铁侠”背后的清洁能源之梦【GDS微课堂-5】

考考大家，你能分辨出哪个是正常质量的电池，哪个是加工失败的电池吗？

图一

图二

图一中横坐标是深度，纵坐标是各元素含量随深度的变化，我们可以看到各元素含量随着深度改变的变化趋势基本一致，说明元素在各层分布均匀，多数元素在加工过程中得到很好地融合，镀层结构良好，所以它是正常质量的电池；

图二中我们可以直观的看到不同深度下各种元素含量差异明显，说明这些元素在加工时没有充分融合，导致太阳能电池不具备光电转化功能，所以属于加工失败的产品。

怎么样？这样分析一下是不是立刻就分清楚了呢？

实际镀层加工过程中，我们会利用掺杂元素来改善镀层性能，提高太阳能电池的效率，而掺杂元素在镀层中的含量及位置，对太阳能电池的整体性能影响非常大。

但是实际掺杂元素的含量都比较低，对掺杂元素的监控也就变成了一个难题。当然，遇见GDS，这都不是事了。

我们以不锈钢为基底的太阳能电池为例，利用GDS进行了检测：

图三：不锈钢为基底的太阳能电池中各元素随深度的分布

图四：0-40s低含量元素放大图

数据来源：Prog. Photovolt: Res. Appl. (2013) ? 2013 John Wiley & Sons,Ltd.

通过图三，我们可以直观地了解到各个镀层、交界层及基底中元素的变化趋势，并通过这些信息表征镀层的质量及相互渗透等现象，和上面的案例类似，这里就不多做说明了。

而图四通过对0~40s低含量元素的放大，则更清晰地显示出掺杂元素B、P在a-Si:H层中的分布，可以看到，相比较而言B的分布比P更集中且与界面间的渗透更少。

通过这样的方式，GDS就可以帮助研究人员轻易的实现对掺杂元素的监控了。

这里举个简单的例子，现在有三种不同结构的镀层材料，我们如果想判断哪种材料的光电转化能力强，该怎么做呢？

很简单，我们可以把三种材料经过相同加工处理后（在550℃退火），再利用GDS检测镀层中元素分布，研究这三种材料的镀层融合情况，分析最终形成的镀层结构，如下图中a/b/c图显示：其中黑线为Mo，蓝线为Cu，橙线为In，红线为Ga，绿线为Se。

(a) Cu-In-Ga+Se结构的太阳能光伏电池在550°C退火后测定元素分布状况；

我们可以看到，在Cu-In-Ga+Se结构中，Ga元素（红线）没有均匀的混入镀层，而是聚集在后交界面。

(b) Cu-In+Se结构的太阳能光伏电池在550°C退火后测定元素分布状况；

我们可以看到，在Cu-In+Se结构中，Cu、In和Se的混合很均匀。

(c) Cu-Ga+Se结构的太阳能光伏电池在550°C退火后测定元素分布状况；

数据来源：F. Oliva et al. / Thin Solid Films 535 (2013) 127–132

我们可以看到，在Cu-Ga+Se结构中，各元素的含量随深度的增加差异较大，并未均匀混合，因此得出CuGaSe2的生成反应并未完成。

这样一比较，你知道选哪种材料了吧？

如下图中，c图依旧是Cu-Ga+Se结构经过550℃退火的结果，d图中Cu-Ga+Se结构不仅经过550℃，同时延长了退火的浸泡时间。

 (c) Cu-Ga+Se结构的太阳能光伏电池在550°C退火后测定元素分布状况；

(d) 延长了退火时间后，Cu-Ga+Se结构太阳能光伏电池的元素分布状况；

两张图对比后，我们可以看出，延长退火时间可以促进Ga元素向吸收层扩散，利于元素间更好的融合，从而提高太阳能电池光电转化效率。

通过上面的几个例子，相信大家都能感受到，利用GDS可以很好的掌控太阳能镀层制作过程，研究相关工艺处理后镀层性能的提高。

而在实际使用过程中呢，因为GDS可以同时测定Na、Cu、In、Ga、Se、Mo、Sn等70余种元素，又不需要制备样品，而且GDS自身分析速度也较快（几微米/分钟），所以说有了GDS，提高研究效率，都是分分钟的事情啦。