“钢铁侠”背后的清洁能源之梦【GDS微课堂-5】

2023-04-27 05:52:10, HORIBA HORIBA科学仪器事业部

同学们好呀！在上上节课的“微课堂3”中，我和大家探讨了在打造钢铁侠的战衣盔甲，GDS发挥了什么作用。这节课，我们来看看大热的清洁能源和GDS的关系~

提到“钢铁侠”的原型埃隆·马斯克（Elon Musk），大家第一反应应该是 SpaceX（太空探索技术公司）以及Tesla Inc.（特斯拉公司）。

其实，除了太空旅行和自动驾驶领域，马斯克还是美国居民太阳能电池板的最大供应商太阳城公司（SolarCity）的董事会主席。

图片来源：Pixabay

你知道马斯克为什么这么看重太阳能吗？

因为加速全世界向可持续的清洁能源的转变，是马斯克从少年开始就有的梦想，而太阳能无疑是合适的选择。

太阳能作为一种持久、普遍、巨大的能源，可以说是取之不尽用之不竭，且相比于其他能源，不会对生态环境造成污染，是最好利用的清洁能源之一。

图片来源：Pixabay

目前太阳能的有效开发方式主要为太阳能电池。

太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种有半导体镀层的特种器件，它能将照在太阳能电池板上的太阳光转变成电能输出。

太阳光照在半导体PN结上，形成新的空穴-电子对，在PN结内建电场的作用下，光生空穴流向P区，光生电子流向N区，接通电路后就产生电流。

在这一过程中，实际发挥作用的就是玻璃基底或金属基底上那层薄薄的镀层。因此可以说太阳能电池光电转换效率的高低、稳定性和大面积重复性的好坏与镀层的性能息息相关。

而GDS能够快速、灵敏地检测镀层样品中各元素随深度分布的情况，非常适合分析太阳能电池。

接下来我们来看看3个典型案例，感受一下GDS如何在整个镀层制作过程中提供镀层结构、掺杂元素及工艺条件优化信息，从而提高太阳能电池的性能。

案例一

提供镀层结构信息

我们先来看看下面两张图，是通过GDS获取的铜铟镓硒太阳能电池的深度剖析图。

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？

案例二

提供掺杂元素信息

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。

案例三

提供工艺条件优化信息

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。

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？

对的，选（b），Cu+In+Se结构的材料在经过550℃的退火后，各元素间融合更加均匀，太阳能电池的光电转化功能也就越强。

此外，我们还可以对同一种材料进行不同加工工艺，从而分析不同条件对材料镀层性能的影响。

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。

(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。

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