激光辐照单晶硅电池转换效率的研究

第26卷　第3期2008年9月 贵　州　科　学GU IZHO U SC IENC E Vol.26,No .3Sept .2008收稿日期22基金项目国家自然科学基金资助项目(56),贵州大学SRT 项目作者简介金锋,男,6级硕士研究生通讯作者黄伟其,贵州大学教授激光辐照单晶硅生成低维纳米结构及其Ram an 光谱分析金　锋1,王海旭1,黄伟其1,3,崔朝龙1,刘世容2,秦朝建2(1.贵州大学光电子技术与应用实验室,贵阳　550025;2.中国科学院地球化学研究所,贵阳　550003;3.贵州教育学院物理系,贵阳　550003)摘　要　用激光辐照法加工单晶硅样品而生成的低维结构具有较高稳定性及较强光致荧光(PL )谱峰等特点.进一步分析样品的拉曼光谱峰位频移及半高宽变化,对其纳米结构的尺寸进行了表征和指认.关键词:激光辐照;纳米结构;拉曼光谱中图分类号　O432.1+2,O657.37 文献标识码　A 文章编号　100326563(2008)0320012204RA M AN SPEC TRA ANALYS IS O F LOW 2D I M ENS I O NALNAN O STRUCTURE FO RM ED B Y L ASER IRRAD IAT I O N O NS I L I CO NJIN Feng 1,WAN G Ha i 2xu 1,HUAN G W ei 2qi 1,3,CU I Cha o 2long 1,L I U Shi 2rong 2,Q I N Cao 2ji a n 2(1.Ph otoelec tron technol ogy and app licati on Lab,Guizhou University,Guiyang 550026;2.Institute of Geo 2chem istry,Chinese Academ y of Sc iences,G uiyang 550003;3.Depart ment of Physic s,Guizhou Educati onalCollege,Guiyang 550003)ABSTRAC T The l o w -di mensi onal nanostruc ture for med by la s e r irradiati on on silicon sample ismore st ableand ha s stronger P L peak than t he sa mp les formed by othe r me t hods .The re l a tion be t w een the size s of nano 2struc t ures and the deviati on of Raman peaks ha s been studied .The calculation re s ults sho w good agree m entwitht he ex peri m ents .KEY W O RD S la s e r irrad i a ti on,lo w -di m ensi on nanostruc t ure,Raman s pec tra1　引言自从1990年Canha m 报道了室温下多孔硅的可见光发射以来,多孔硅、纳晶硅和纳晶锗等被广泛研究,它们的发光性质得到一定的改善,发出的P L 光谱范围从红外到可见光.这些P L 发光的物理机制一直是人们所探讨的问题,提出了许多种发光机理模型[1-5],如量子限制效应发光、与氧有关的缺陷发光、量子受限———发光中心发光等,对这些发光模型的认识还存在很大的争议,有一些实验结果很难用这些模型来作解释[6-7].:20070920:104700.:200.:.本文选择用激光直接辐照的方法在单晶硅样品上加工出较稳定的低维纳米结构,包含两个对照实验:1)功率一定,不同时间脉冲激光辐照单晶硅样品;2)时间一定,不同功率脉冲激光辐照单晶硅样品.所得实验结果中,注意到样品孔洞内侧壁上,有纳米网孔状结构及其强光致荧光效应,其PL 峰中心在706nm 处.通过分析其R a m an 光谱的半高宽及峰位变化,对所形成的纳米结构尺寸进行了表征和指认,与实验结果符合较好.2　实验在实验中,我们采用波长为1064nm ,额定功率为75W 的Y A G 脉冲激光直接辐照电阻率为10-20/c m 的P 型掺杂的单晶硅样品,辐照时间由1s 至10s,间隔1s .先对样品作预处理:用酒精清洗样品表面,用氢氟酸溶液(NH 4F (49%):H F =10∶1)清除样品表面在大气中生成的天然氧化物,再用去离子水浸泡30s .吹干后,将激光束(束斑大小约0.045mm )辐照硅样品.由于激光功率随电流的改变而改变,同时在空气中传输过程中,由于各种原因也可以造成激光能量损失.我们把激光器电流的大小调到19.8A,最后到达硅表面的激光功率大约为24W.样品制备完成之后,我们用日本岛津公司制造EP MA -1600型电子扫描探针的扫描二次电子和背散射电子成像技术观察与分析样品的表面形貌结构,用英国Renishaw 公司波长为514nm 的R a m an 光谱仪测量样品表面结构所对应的光致荧光谱(P L ).3　结果与讨论在实验中,观察到在小孔的内侧壁上形成了网孔状结构(如图1所示).通过其所带标尺可以推算出网孔尺寸为1m 左右,网孔壁非常薄,只有几纳米厚.图1　孔洞内侧壁上形成了网孔状结构,1μm 左右直径的网孔由几纳米厚的壁层相隔Fig .1　Ne t -ho l e struc ture fo r m e d i ns i de the ho l e wa ll,i n w hi ch ne t 2ho leof si z e 1μm pa rtiti one d by w a ll laye r w ith se ve ra l na nom e te r 将、5、、,的加工样品做比较,发现时,其6处的L 峰强度最大,如图所示随着加工时间的改变,网孔状结构的尺寸随之改变,但图显示的L 发光峰的频率位置并不改变这就证明其L 发光的增强效应不能用单纯的量子受限模型来解释[]31　3期 金锋,等:激光辐照单晶硅生成低维纳米结构及其Ra m an 光谱分析1s s 8s 9s 10s 9s 70n m P 2.2P .:P 8-9.图2　在激光辐照的条件下,样品的PL 发光随激光加工时间而变化的光致荧光谱Fig .2　PL spe c tra o f the sam p l e tha t cha nge s w it h the p roc e s si ng ti m e o f l a se r irra di a ti on 选取4个R a m an 光谱来进行分析,分别对应的辐照时间是1s 、5s 、8s 、9s 的样品.在528n m 邻近的Raman 光谱图上,做细微分析,得到其Ra m an 峰位图,分别与未经过任何处理的单晶硅样品的Raman 峰位图作比较,通过测量拉曼散射光谱峰的位移,计算出纳米结构的平均尺寸d .采用经验公式[10]d =2π(B /Δω)1/2(1) 式中B 为1个常量,B =2.24n m 2/c m (通过众多数据拟合而得),Δω表示纳米结构的拉曼峰位相对于单晶硅拉曼峰位的偏移量(单位取c m -1).对528nm 处的T O 声子峰进行分析.适当选取横、纵轴范围,并进行高斯模拟可得到较为精细和清楚的Ra m an 峰位图象(如图3所示).图3　拟合后的S i 标样与空气中加工的样品在528n m 处的拉曼峰比较F i g .3　Comp a riso n o f R am a n p ea ks a t 528nm f o r S i sam p l e s si m ula te d a nd p roce sse d i n the a ir表1　R am a n 光谱测量结果Ta b.1　M e a sured re sults of R am a n spe c tra样品中心峰位/cm -1F WH M /cm -1Δω/cm -1D /n m 1S5S8SS 标准S 528.645528.637528.602555658.2308.83912.633360.3220.6081.861———16.5712.066.5966——— 由表和图可知,随着打孔时间的增加,纳米硅尺寸减小,拉曼散射峰的偏移和半宽高有如下变化规41贵　州　科　学 26卷　9i 28.4028.41.277.2984.079 4.14律:峰位向高波数移动;半宽高变宽.采用声子限域理论很好的解释纳米Si 晶粒拉曼谱的半宽高和峰频移与晶粒尺寸之间的关系,实验结果与声子限域理论相一致.如前所述,激光辐照9s 时其P L 光谱峰最强.纳米结构的尺寸随着时间的增加而减小,对应了528nm 的T O 声子峰的偏移,体现出很明显的声子限域效应.图4　Δω-D 关系曲线图F i g .4　Δω-D curve4　总结在所得的实验结果中,样品孔洞内侧壁上有纳米网孔状结构;该结构有强光致荧光效应,其P L 峰中心在706nm 处.用量子受限效应结合硅纳晶与氧化硅界面态复合的综合模型能解释其光致发光的增强机理,并通过分析其对应的拉曼光谱峰位频移及半高宽变化,对纳米结构的尺寸进行了表征和指认,较好地印证了实验结果.这些工作对于硅基上的光电子研究与应用具有重要的指导意义.参考文献[1]　E mmony D C,Hows on R P,W illisL J .La ser m irror da m age in ger m an i u m a t 10.6μm [J ].App1.Phys .Lett .,1973,23:598[2]　Fauchet P M ,Si g m an A E .Surface ri pple s on silicon and ga lliu m arsenide under p i cosecond pulse illu m inati on [J ].App1.Phys .Le tt .,1982,40:824[3]　Y oung J F,Si pe J E,Pre st on J S,e t ser induced pe riodic surface damage and radiation remnants [J ].App1.Phys .Le tt .,1982.41:261[4]　Nemanich R J,B iegelsen D K,Hawkins W G .Ali gned,coexisti ng li quid and s oli d regi ons in l a ser -annealed Si [J ].Phys .Rev .,1983,B27:7819[5]　PavesiL ,Megro Da,M azzolenic L,e t al .Op tical ga in in silicon nano -crysta l [J ].Na ture ,2000,TP8:4TP -444.[6]　黄伟其,等.量子电子学报[J ],2004,21:84[7]　黄伟其,等.物理学报[J ],2005,54:972[8]　Q i n G G,Song H Z,Phys .Rev .,1996,B 54:2548[9]　HuangW Q and Xu L.Chin .Phys .,2007,16:406[]　Iq Z V,S W,,R f z y y []S S ,,3()3651　3期 金锋,等:激光辐照单晶硅生成低维纳米结构及其Ra m an 光谱分析10ba l Ep i ek E bb A P et al .a m an sca ttering o r m s ma ll p a rticle -si e po l c r stalline sili con J .o lid tate Commu n .1981712:99-99。

光伏电池的极限转换效率受到多种因素的影响，包括光伏材料的选择、电池结构的设计、光谱响应等。

以下是一些关于光伏电池极限转换效率的信息：
1. 晶硅太阳能电池的理论极限效率为29.43%。

然而，在实际应用中，单晶硅电池的效率通常在20%左右，多晶硅电池的效率略低一些，大约在15%左右。

2. 新型光伏电池技术，如钙钛矿电池，具有更高的理论转换效率。

单层钙钛矿电池的理论效率极值可达31%，晶硅/钙钛矿双节叠层转换效率可达35%，而三节层电池理论极限可能升值至45%以上。

如果掺杂新型材料，钙钛矿电池的转换效率最高能达到惊人的50%，是目前晶硅电池的2倍左右。

3. 最新的实验研究显示，科学家已经研发出钙钛矿/硅串联太阳电池，其认证效率突破了32.5%，创造了新的世界纪录效率。

同时，有研究表明钙钛矿/硅串联太阳电池的理论效率极限为46%，远高于传统晶硅电池。

4. 在实际应用中，光伏电池的转换效率还受到许多其他因素的影响，如温度、光照强度、光谱分布等。

因此，实际的光伏电池系统通常需要考虑这些因素，并采取相应的措施来优化电池的性能。

总的来说，光伏电池的极限转换效率是一个不断被研究和突破的领域。

随着科学技术的不断进步和新型光伏材料的研发，未来光伏电池的转换效率有望进一步提高。

晶硅电池效率理论上限？晶硅电池转换效率的理论上限？1954年贝尔实验室的CHAPIN等三人发表了第一篇关于硅太阳电池的文章，在这篇文章中就已指出有反射、复合、电阻三方面的因素使电池的效率低于某个上限。

早在1961年，William Shockley等人根据细致平衡原理在只考虑辐射复合作为电子－空穴对唯一的复合机制的理想情况下，通过计算得出p-n结太阳能电池的效率极限为30％。

利用新南威尔士大学光伏与可再生能源工程学院免费发布的一维太阳电池计算模拟软件PC1D计算，输入完全理想条件得到地面标准太阳光（AM1.5G）照射条件下，温度为25 ℃时，晶体硅电池理想条件下效率为26.8％。

德国ISFH在2019年Silicon PV的报告会上基于载流子选择性的概念从理论上对不同结构太阳能电池的理论效率极限做了细致的分析，结论是钝化接触电池（例如TOPCon电池）具有更加高的效率极限（28.2%~28.7%），高于HJT的27.5%极限效率，同时也远远高于PERC电池（24.5%），TOPCon电池最接近晶体硅太阳能电池理论极限效率（29.43%）。

各类太阳能电池最新进展，2019年11月，来源：NREL效率公式式中Pin是太阳电池整个面积的总输入光功率.对于陆地上的应用, 标准测试条件是: 一个太阳,AM1.5G, 1000W/m2(或100mW/cm2), 25 ℃。

因此,太阳电池的三个参数V oc，Isc和FF就能确定太阳电池的效率。

为了获得高的效率,这三个参数应该尽可能高。

(a)为了获得高的开路电压V oc，电池必须有低的正向暗电流I0,高的并联电阻Rsh。

(b)为了获得高的光电流(短路电流Isc)，电池材料和结构应该在紫光，可见光和近红外光谱范围有高的，宽的和平坦的光谱响应，内量子效率接近于1。

(c)为了获得高的填充因子FF，电池必须有低的正向暗电流I0，理想因子“n”接近于1，串联电阻必须低(102Ω·cm2)。

UNSW利用多电池组合获得硅电池43％的转换效率记录佚名
【期刊名称】《集成电路应用》
【年(卷),期】2009(000)010
【摘要】新南威尔士大学的研究员在太阳能电池效率了又迈进了一步，日前他们报道称达到43％转换效率的新世界纪录。

Green和他的同事Anita Ho-Baille一起领导研发小组．开发了硅电池优化技术，在太阳光谱的红光和近红外线端来捕获太阳光。

该电池能将高达46％的太阳光转换为电力。

当结合使用四个其他的电池（由国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）和Emcore Corp．联合开发）时，每个优化针对太阳光谱的不同波段．
【总页数】1页(P3)
【正文语种】中文
【中图分类】TM914.4
【相关文献】
1.美国发明可打破光电转换效率记录的砷化镓太阳能电池 [J],
2.纳秒脉冲激光处理后硅电池光电转换效率研究 [J], 黄继强;胡传炘;刘颖;沈忱
3.激光辐照单晶硅电池转换效率的研究 [J], 杨鹏;杨雁南
4.晶澳多晶硅电池转换效率达18.3% [J],
5.晶澳多晶硅电池平均转换效率超19％ [J],
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超快激光在光伏电池中的应用研究近年来，光伏电池技术迅速发展，成为人们追逐的焦点。

然而，由于光伏电池的材料制作过程中存在一定难点，致使其效率低下，或者成本较高。

因此，科学家们一直在致力于研究与改善光伏电池材料的制作方法和效率，从而实现更加高效可靠的光伏电池技术。

而超快激光技术的发展和成熟，为科学家们提供了一个全新的解决方案。

超快激光技术是一种高能的激光技术，其脉冲时间极短，能量较强，适合用于高精度的微观物质加工。

特别是近些年来，超快激光被广泛应用于光伏电池材料制备和改善研究，其应用范围逐渐扩展。

一、超快激光在光伏电池中的应用超快激光可以在光伏电池的材料生产过程中进行精密加工，可以有效地提高光伏电池的转换效率。

1. 光伏电池材料制备超快激光对于光伏电池材料的制备有很大的作用。

在制备过程中，超快激光可以对所需材料进行高精度的加工，使得材料能够更好地吸收光能，从而提高光伏电池的转换效率。

2. 光伏电池生产过程控制利用超快激光来进行光伏电池的生产过程控制，可以精准地控制光伏电池内部材料的分布和构成。

这一过程可以使得光伏电池内部的能量转换更加高效，从而提高电池的转换效率。

二、超快激光对光伏电池的优势1. 提高光伏电池的转换效率超快激光技术能够对光伏电池的材料进行加工，并精确地控制材料内部的分布，从而提高了光伏电池的转换效率。

与传统材料制备方法相比，超快激光技术可以使得光伏电池的电池效率提高3-4%。

2. 缩短生产周期超快激光技术能够快速地进行材料加工，从而缩短整个光伏电池的生产周期。

与传统生产方法相比，利用超快激光的生产方式可以缩短生产周期3-4倍。

3. 提高材料品质超快激光技术在光伏电池材料加工过程中，可以使得材料微观结构更加均匀，从而提高了材料品质。

这一过程使得光伏电池更加稳定、耐用，对长期使用的有效性也更高。

三、超快激光技术在光伏电池中的潜力1. 降低光伏电池制造成本超快激光技术在光伏电池的材料制备和处理过程中，能够快速、精确地加工材料，从而缩短生产周期，提高制造效率，同时降低制造成本，更加环保。

单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15
太阳能电池硅板的区别
单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24％多晶硅太阳能电池的光电转换效率为12%左右，最高的达到14.8％非晶硅太阳电池是指薄膜式太阳电池，光电转换效率为10%左右
非晶硅(a-Si)
熔融硅在过冷条件下凝固时，硅原子以无规网络形态排列成许多晶核，这些晶粒结合起来，就结晶成非晶硅。

多晶硅(p-Si)
熔融硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。

单晶硅(c-Si)
以高纯度多晶硅为原料在单晶炉中被熔化为液态在单晶种（籽晶）上结晶而成由于其晶体的原子和分子以同一方向（晶向）周期性地整齐排列所以称为单晶硅。

太阳能电池的光电转换效率
太阳能电池是利用光能转化为电能的一种设备，其光电转换效率是衡量其性能的重要指标之一。

太阳能电池的光电转换效率指的是它可以把太阳光的能量转化为电能的比例，即输出电能与输入太阳光能量之比。

太阳能电池的光电转换效率可以受到多种因素的影响，包括太阳辐射强度、电池表面材料和结构、温度等。

对于单晶硅太阳能电池，其光电转换效率通常在14%至22%之间。

而对于多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池等，其光电转换效率要稍微低一些。

为了提高太阳能电池的光电转换效率，科学家们进行了很多研究和探索。

目前，一些新型的太阳能电池技术，如钙钛矿太阳能电池、有机太阳能电池、量子点太阳能电池等，已经能够实现更高的光电转换效率。

钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经突破了25%，甚至有的达到了30%以上。

在未来，太阳能电池的光电转换效率还有很大的提升空间。

科学家们正在不断研发新的材料、结构和技术，来提高太阳能电池的光电转换效率，以更好地满足人们对清洁能源的需求。

- 1 -。

多晶硅电池组件和单晶硅电池组件的光电转换效率比较1. 引言太阳能光伏发电作为一种可再生能源，受到了广泛的关注和研究。

太阳能电池是太阳能光伏发电系统的核心组件，其光电转换效率是评价电池性能的关键指标之一。

目前市场上常见的太阳能电池主要有多晶硅电池组件和单晶硅电池组件两种，它们在光电转换效率方面存在一定的差异。

本文将对多晶硅电池组件和单晶硅电池组件进行比较，分析它们在光电转换效率方面的不同表现。

2. 多晶硅电池组件多晶硅电池组件是由多晶硅材料制成的太阳能电池。

多晶硅由于制造工艺的原因，晶粒比较大且呈现多个晶粒的聚集状态。

多晶硅电池组件在市场上占据了主导地位，其主要优势在于制造成本相对较低，生产工艺相对成熟。

多晶硅电池组件的光电转换效率通常在15%到20%左右。

其低效率主要是由于晶格的缺陷和晶粒界面的影响，这些因素会导致电子和光在晶体中的传输和反射效果受到一定的限制。

3. 单晶硅电池组件单晶硅电池组件是由单晶硅材料制成的太阳能电池。

单晶硅由于制造工艺的原因，晶粒非常大且呈现单个晶粒的状态。

单晶硅电池组件在光伏行业中也有较大的市场份额，其主要优势在于光电转换效率相对较高。

单晶硅电池组件的光电转换效率通常在20%到25%左右。

其较高的效率主要是由于晶格的完整性和纯度较高，可以提高电子在晶体中的传输和反射效果。

4. 多晶硅与单晶硅的比较从光电转换效率的角度来看，单晶硅电池组件明显优于多晶硅电池组件。

由于单晶硅电池组件晶格的完整性和纯度较高，其光电转换效率相对更高。

然而，单晶硅电池组件的制造工艺复杂，成本较高，限制了其大规模的应用。

相对而言，多晶硅电池组件的制造成本较低，生产工艺相对成熟，市场份额较大。

虽然多晶硅电池组件的光电转换效率低于单晶硅电池组件，但其仍然可以满足许多光伏发电系统的需求。

此外，多晶硅电池组件还具有良好的抗辐射性能和热稳定性，适用于各种气候环境。

5. 结论多晶硅电池组件和单晶硅电池组件是目前市场上主要的太阳能电池类型。

太阳能电池的光电转换效率研究在当今能源需求不断增长和环境问题日益严峻的背景下，太阳能作为一种清洁、可再生的能源，其开发和利用备受关注。

而太阳能电池作为将太阳能转化为电能的关键设备，其光电转换效率成为了衡量其性能的核心指标。

太阳能电池的工作原理基于光电效应，即当光子照射到半导体材料上时，会激发电子从价带跃迁到导带，形成电流。

然而，在实际应用中，并非所有照射到电池表面的光子都能被有效地转化为电能，这就涉及到光电转换效率的问题。

影响太阳能电池光电转换效率的因素众多。

首先是材料的选择。

常见的太阳能电池材料包括硅、砷化镓、碲化镉等。

硅是目前应用最广泛的材料，但其光电转换效率存在一定的上限。

而砷化镓等化合物半导体材料具有较高的理论转换效率，但成本较高，限制了其大规模应用。

其次，电池的结构设计也至关重要。

例如，传统的单晶硅太阳能电池通常采用平面结构，而近年来发展起来的PERC（Passivated Emitter and Rear Cell）、TOPCon（Tunnel Oxide Passivated Contact）和HJT （Heterojunction with Intrinsic Thinlayer）等新型结构，通过优化电池的表面钝化和载流子收集，显著提高了光电转换效率。

此外，制备工艺对太阳能电池的性能也有着重要影响。

在制造过程中，晶体生长的质量、杂质的控制、薄膜沉积的均匀性等都会直接影响电池的光电转换效率。

以晶体硅电池为例，高质量的单晶硅片和精细的扩散工艺有助于减少复合损失，提高电池的开路电压和短路电流。

在提高太阳能电池光电转换效率的研究中，多结太阳能电池是一个重要的方向。

通过将不同带隙的半导体材料堆叠在一起，形成多个PN 结，可以吸收更广泛的太阳光谱，从而提高转换效率。

例如，ⅢⅤ族化合物半导体多结太阳能电池已经在航天等领域取得了较高的转换效率。

另一个研究热点是钙钛矿太阳能电池。

钙钛矿材料具有优异的光电性能，如高吸收系数、长载流子扩散长度等。