同學們好呀！在上上節課的“微課堂3”中，我和大家探討了在打造鋼鐵俠的戰衣盔甲，GDS發揮了什么作用。這節課，我們來看看大熱的清潔能源和GDS的關系~

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

其實，除了太空旅行和自動駕駛領域，馬斯克還是美國居民太陽能電池板的大供應商太陽城公司（SolarCity）的董事會主席。

圖片來源：Pixabay

你知道馬斯克為什么這么看重太陽能嗎？

因為加速*向可持續的清潔能源的轉變，是馬斯克從少年開始就有的夢想，而太陽能無疑是合適的選擇。

太陽能作為一種持久、普遍、巨大的能源，可以說是取之不盡用之不竭，且相比于其他能源，不會對生態環境造成污染，是好利用的清潔能源之一。

圖片來源：Pixabay

目前太陽能的有效開發方式主要為太陽能電池。

太陽能電池又稱為“太陽能芯片”或“光電池”，是一種有半導體鍍層的特種器件，它能將照在太陽能電池板上的太陽光轉變成電能輸出。

太陽光照在半導體PN結上，形成新的空穴-電子對，在PN結內建電場的作用下，光生空穴流向P區，光生電子流向N區，接通電路后就產生電流。

在這一過程中，實際發揮作用的就是玻璃基底或金屬基底上那層薄薄的鍍層。因此可以說太陽能電池光電轉換效率的高低、穩定性和大面積重復性的好壞與鍍層的性能息息相關。

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

下來我們來看看3個典型案例，感受一下GDS如何在整個鍍層制作過程中提供鍍層結構、摻雜元素及工藝條件優化信息，從而提高太陽能電池的性能。

案例一

提供鍍層結構信息

我們先來看看下面兩張圖，是通過GDS獲取的銅銦鎵硒太陽能電池的深度剖析圖。

考考大家，你能分辨出哪個是正常質量的電池，哪個是加工失敗的電池嗎？

圖一

圖二

圖一中橫坐標是深度，縱坐標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基本一致，說明元素在各層分布均勻，多數元素在加工過程中得到很好地融合，鍍層結構良好，所以它是正常質量的電池；

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，說明這些元素在加工時沒有充分融合，導致太陽能電池不具備光電轉化功能，所以屬于加工失敗的產品。

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

實際鍍層加工過程中，我們會利用摻雜元素來改善鍍層性能，提高太陽能電池的效率，而摻雜元素在鍍層中的含量及位置，對太陽能電池的整體性能影響非常大。

但是實際摻雜元素的含量都比較低，對摻雜元素的監控也就變成了一個難題。當然，遇見GDS，這都不是事了。

我們以不銹鋼為基底的太陽能電池為例，利用GDS進行了檢測：

圖三：不銹鋼為基底的太陽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

數據來源：Prog. Photovolt: Res. Appl. (2013) ? 2013 John Wiley & Sons,Ltd.

通過圖三，我們可以直觀地了解到各個鍍層、交界層及基底中元素的變化趨勢，并通過這些信息表征鍍層的質量及相互滲透等現象，和上面的案例類似，這里就不多做說明了。

而圖四通過對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。

通過這樣的方式，GDS就可以幫助研究人員輕易的實現對摻雜元素的監控了。

案例三

提供工藝條件優化信息

這里舉個簡單的例子，現在有三種不同結構的鍍層材料，我們如果想判斷哪種材料的光電轉化能力強，該怎么做呢？

很簡單，我們可以把三種材料經過相同加工處理后（在550℃退火），再利用GDS檢測鍍層中元素分布，研究這三種材料的鍍層融合情況，分析終形成的鍍層結構，如下圖中a/b/c圖顯示：其中黑線為Mo，藍線為Cu，橙線為In，紅線為Ga，綠線為Se。

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(a) Cu-In-Ga+Se結構的太陽能光伏電池在550°C退火后測定元素分布狀況；

我們可以看到，在Cu-In-Ga+Se結構中，Ga元素（紅線）沒有均勻的混入鍍層，而是聚集在后交界面。

(b) Cu-In+Se結構的太陽能光伏電池在550°C退火后測定元素分布狀況；

我們可以看到，在Cu-In+Se結構中，Cu、In和Se的混合很均勻。

(c) Cu-Ga+Se結構的太陽能光伏電池在550°C退火后測定元素分布狀況；

數據來源：F. Oliva et al. / Thin Solid Films 535 (2013) 127–132

我們可以看到，在Cu-Ga+Se結構中，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的生成反應并未完成。

這樣一比較，你知道選哪種材料了吧？

對的，選（b），Cu+In+Se結構的材料在經過550℃的退火后，各元素間融合更加均勻，太陽能電池的光電轉化功能也就越強。

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

如下圖中，c圖依舊是Cu-Ga+Se結構經過550℃退火的結果，d圖中Cu-Ga+Se結構不僅經過550℃，同時延長了退火的浸泡時間。

 (c) Cu-Ga+Se結構的太陽能光伏電池在550°C退火后測定元素分布狀況；

(d) 延長了退火時間后，Cu-Ga+Se結構太陽能光伏電池的元素分布狀況；

兩張圖對比后，我們可以看出，延長退火時間可以促進Ga元素向吸收層擴散，利于元素間更好的融合，從而提高太陽能電池光電轉化效率。

通過上面的幾個例子，相信大家都能感受到，利用GDS可以很好的掌控太陽能鍍層制作過程，研究相關工藝處理后鍍層性能的提高。

而在實際使用過程中呢，因為GDS可以同時測定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），所以說有了GDS，提高研究效率，都是分分鐘的事情啦。

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