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：其中黑線為Mo，藍(lán)線為Cu，橙線為In，紅線為Ga，綠線為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）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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