同學(xué)們好呀,！在上上節(jié)課的“微課堂3”中,，我和大家探討了在打造鋼鐵俠的戰(zhàn)衣盔甲,，GDS發(fā)揮了什么作用,。這節(jié)課,，我們來(lái)看看大熱的清潔能源和GDS的關(guān)系~

提到“鋼鐵俠”的原型埃隆·馬斯克（Elon Musk）,，大家反應(yīng)應(yīng)該是 SpaceX（太空探索技術(shù)公司）以及Tesla Inc.（特斯拉公司）,。

其實(shí)，除了太空旅行和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域,，馬斯克還是美國(guó)居民太陽(yáng)能電池板的大供應(yīng)商太陽(yáng)城公司（SolarCity）的董事會(huì)主席,。

圖片來(lái)源：Pixabay

你知道馬斯克為什么這么看重太陽(yáng)能嗎？

因?yàn)榧铀?向可持續(xù)的清潔能源的轉(zhuǎn)變,，是馬斯克從少年開(kāi)始就有的夢(mèng)想,，而太陽(yáng)能無(wú)疑是合適的選擇。

太陽(yáng)能作為一種持久,、普遍,、巨大的能源，可以說(shuō)是取之不盡用之不竭,，且相比于其他能源,，不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染，是好利用的清潔能源之一,。

圖片來(lái)源：Pixabay

目前太陽(yáng)能的有效開(kāi)發(fā)方式主要為太陽(yáng)能電池,。

太陽(yáng)能電池又稱(chēng)為“太陽(yáng)能芯片”或“光電池”,，是一種有半導(dǎo)體鍍層的特種器件，它能將照在太陽(yáng)能電池板上的太陽(yáng)光轉(zhuǎn)變成電能輸出,。

太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體PN結(jié)上,，形成新的空穴-電子對(duì)，在PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下,，光生空穴流向P區(qū),，光生電子流向N區(qū)，接通電路后就產(chǎn)生電流,。

在這一過(guò)程中,，實(shí)際發(fā)揮作用的就是玻璃基底或金屬基底上那層薄薄的鍍層。因此可以說(shuō)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的高低,、穩(wěn)定性和大面積重復(fù)性的好壞與鍍層的性能息息相關(guān),。

而GDS能夠快速、靈敏地檢測(cè)鍍層樣品中各元素隨深度分布的情況,，非常適合分析太陽(yáng)能電池,。

下來(lái)我們來(lái)看看3個(gè)典型案例，感受一下GDS如何在整個(gè)鍍層制作過(guò)程中提供鍍層結(jié)構(gòu),、摻雜元素及工藝條件優(yōu)化信息,，從而提高太陽(yáng)能電池的性能,。

案例一

提供鍍層結(jié)構(gòu)信息

我們先來(lái)看看下面兩張圖,，是通過(guò)GDS獲取的銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池的深度剖析圖。

考考大家,，你能分辨出哪個(gè)是正常質(zhì)量的電池,，哪個(gè)是加工失敗的電池嗎？

圖一

圖二

圖一中橫坐標(biāo)是深度,，縱坐標(biāo)是各元素含量隨深度的變化,，我們可以看到各元素含量隨著深度改變的變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明元素在各層分布均勻,，多數(shù)元素在加工過(guò)程中得到很好地融合,，鍍層結(jié)構(gòu)良好，所以它是正常質(zhì)量的電池,；

圖二中我們可以直觀的看到不同深度下各種元素含量差異明顯,，說(shuō)明這些元素在加工時(shí)沒(méi)有充分融合，導(dǎo)致太陽(yáng)能電池不具備光電轉(zhuǎn)化功能,，所以屬于加工失敗的產(chǎn)品,。

怎么樣？這樣分析一下是不是立刻就分清楚了呢,？

案例二

提供摻雜元素信息

實(shí)際鍍層加工過(guò)程中,，我們會(huì)利用摻雜元素來(lái)改善鍍層性能,，提高太陽(yáng)能電池的效率，而摻雜元素在鍍層中的含量及位置,，對(duì)太陽(yáng)能電池的整體性能影響非常大,。

但是實(shí)際摻雜元素的含量都比較低，對(duì)摻雜元素的監(jiān)控也就變成了一個(gè)難題,。當(dāng)然,，遇見(jiàn)GDS，這都不是事了,。

我們以不銹鋼為基底的太陽(yáng)能電池為例,，利用GDS進(jìn)行了檢測(cè)：

圖三：不銹鋼為基底的太陽(yáng)能電池中各元素隨深度的分布

圖四：0-40s低含量元素放大圖

數(shù)據(jù)來(lái)源：Prog. Photovolt: Res. Appl. (2013) ? 2013 John Wiley & Sons,Ltd.

通過(guò)圖三，我們可以直觀地了解到各個(gè)鍍層,、交界層及基底中元素的變化趨勢(shì),，并通過(guò)這些信息表征鍍層的質(zhì)量及相互滲透等現(xiàn)象，和上面的案例類(lèi)似,，這里就不多做說(shuō)明了,。

而圖四通過(guò)對(duì)0~40s低含量元素的放大，則更清晰地顯示出摻雜元素B,、P在a-Si:H層中的分布,，可以看到，相比較而言B的分布比P更集中且與界面間的滲透更少,。

通過(guò)這樣的方式,，GDS就可以幫助研究人員輕易的實(shí)現(xiàn)對(duì)摻雜元素的監(jiān)控了。

案例三

提供工藝條件優(yōu)化信息

這里舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子,，現(xiàn)在有三種不同結(jié)構(gòu)的鍍層材料,，我們?nèi)绻肱袛嗄姆N材料的光電轉(zhuǎn)化能力強(qiáng)，該怎么做呢,？

很簡(jiǎn)單,，我們可以把三種材料經(jīng)過(guò)相同加工處理后（在550℃退火），再利用GDS檢測(cè)鍍層中元素分布,，研究這三種材料的鍍層融合情況,，分析終形成的鍍層結(jié)構(gòu)，如下圖中a/b/c圖顯示：其中黑線(xiàn)為Mo,，藍(lán)線(xiàn)為Cu,，橙線(xiàn)為In，紅線(xiàn)為Ga,，綠線(xiàn)為Se,。

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(a) Cu-In-Ga+Se結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能光伏電池在550°C退火后測(cè)定元素分布狀況；

我們可以看到,，在Cu-In-Ga+Se結(jié)構(gòu)中,，Ga元素（紅線(xiàn)）沒(méi)有均勻的混入鍍層,，而是聚集在后交界面。

(b) Cu-In+Se結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能光伏電池在550°C退火后測(cè)定元素分布狀況,；

我們可以看到,，在Cu-In+Se結(jié)構(gòu)中，Cu,、In和Se的混合很均勻,。

(c) Cu-Ga+Se結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能光伏電池在550°C退火后測(cè)定元素分布狀況；

數(shù)據(jù)來(lái)源：F. Oliva et al. / Thin Solid Films 535 (2013) 127–132

我們可以看到,，在Cu-Ga+Se結(jié)構(gòu)中,，各元素的含量隨深度的增加差異較大，并未均勻混合,，因此得出CuGaSe2的生成反應(yīng)并未完成,。

這樣一比較，你知道選哪種材料了吧,？

對(duì)的,，選（b），Cu+In+Se結(jié)構(gòu)的材料在經(jīng)過(guò)550℃的退火后,，各元素間融合更加均勻,，太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化功能也就越強(qiáng)。

此外,，我們還可以對(duì)同一種材料進(jìn)行不同加工工藝,，從而分析不同條件對(duì)材料鍍層性能的影響。

如下圖中,，c圖依舊是Cu-Ga+Se結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)550℃退火的結(jié)果,，d圖中Cu-Ga+Se結(jié)構(gòu)不僅經(jīng)過(guò)550℃，同時(shí)延長(zhǎng)了退火的浸泡時(shí)間,。

 (c) Cu-Ga+Se結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能光伏電池在550°C退火后測(cè)定元素分布狀況；

(d) 延長(zhǎng)了退火時(shí)間后,，Cu-Ga+Se結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能光伏電池的元素分布狀況,；

兩張圖對(duì)比后，我們可以看出,，延長(zhǎng)退火時(shí)間可以促進(jìn)Ga元素向吸收層擴(kuò)散,，利于元素間更好的融合，從而提高太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率,。

通過(guò)上面的幾個(gè)例子,，相信大家都能感受到，利用GDS可以很好的掌控太陽(yáng)能鍍層制作過(guò)程,，研究相關(guān)工藝處理后鍍層性能的提高,。

而在實(shí)際使用過(guò)程中呢,，因?yàn)镚DS可以同時(shí)測(cè)定Na、Cu,、In,、Ga、Se,、Mo,、Sn等70余種元素，又不需要制備樣品,，而且GDS自身分析速度也較快（幾微米/分鐘）,，所以說(shuō)有了GDS，提高研究效率,，都是分分鐘的事情啦,。

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