“钢铁侠”背后的清洁能源之梦【GDS微课堂-5】

2023-11-20 14:27:24, 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

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。

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。

(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?

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


 (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。






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