探索太陽(yáng)能電池板內(nèi)部的質(zhì)量奧秘

COP28

人類(lèi)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)是建立在能源體系之上的，經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)往往伴隨著能源需求的不斷提高，而傳統(tǒng)化石能源的使用會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不可逆的損害。2023年12月9日，第28屆聯(lián)合國(guó)氣候大會(huì)（COP28）進(jìn)行到后半段，中國(guó)代表團(tuán)舉行首次新聞發(fā)布會(huì)，時(shí)任中國(guó)氣候變化事務(wù)特使的解振華出席。解振華特使重申了能源轉(zhuǎn)型的方向，表示用清潔高效的可再生能源來(lái)替代化石能源，這是最終目標(biāo)。2023年12月13日，會(huì)上全球190多個(gè)國(guó)家達(dá)成了“阿聯(lián)酋共識(shí)”，各國(guó)被呼吁“以公正、有序、公平的方式在能源系統(tǒng)中擺脫化石能源(transitioning away from fossil fuels)，在這個(gè)關(guān)鍵的十年中加快行動(dòng)”。

“阿聯(lián)酋共識(shí)”為全球碳排放設(shè)定了新的目標(biāo)：溫室氣體排放量至2030年較2019年減少43%，到2030年將全球可再生能源產(chǎn)能增加兩倍，能效提升一倍。太陽(yáng)能是可再生能源中非常重要的組成部分，太陽(yáng)發(fā)射到地球的總功率達(dá)到1.77*1012kW，如何高效利用太陽(yáng)能是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界共同的話(huà)題。

光生伏特效應(yīng)

1839年，法國(guó)科學(xué)家貝克雷爾首次發(fā)現(xiàn)了“光生伏特效應(yīng)”，1954年美國(guó)科學(xué)家恰賓和皮爾松在貝爾實(shí)驗(yàn)室首次制成了實(shí)用單晶硅太陽(yáng)能電池。至今人類(lèi)已經(jīng)在太陽(yáng)能電池技術(shù)上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，各種技術(shù)路線(xiàn)百花齊放。

太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池根據(jù)其材料不同可分為晶體硅太陽(yáng)能電池和薄膜太陽(yáng)能電池。以P型硅片為基礎(chǔ)的PERC電池（背面鈍化電池）是目前市場(chǎng)上的主流技術(shù)路線(xiàn)，以N型硅片為基礎(chǔ)的TOPCon電池（隧穿氧化層鈍化接觸電池）和HJT電池（異質(zhì)結(jié)電池）則已經(jīng)成為了近年來(lái)各廠商發(fā)展的重點(diǎn)。

▲ 太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖

太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)步驟十分復(fù)雜，包括，制絨，擴(kuò)散，界面鈍化，刻蝕，絲網(wǎng)印刷等步驟。制造商在生產(chǎn)過(guò)程中必須保證硅片上離子擴(kuò)散的均勻性，鈍化層厚度的均一性等。利用蔡司的工業(yè)顯微鏡技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硅片微觀形貌的觀察和管控。如在P-N結(jié)的制結(jié)中需要擴(kuò)散磷或硼元素，利用EDS（X射線(xiàn)能譜儀）可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品元素分布的分析。在進(jìn)行界面鈍化或鍍膜制備中會(huì)用到如PVD技術(shù)，CVD技術(shù)，ALD技術(shù)等，而不同技術(shù)手段則各有優(yōu)劣，膜層的均勻性，致密性對(duì)產(chǎn)品性能有著舉足輕重的影響，利用聚焦離子束（FIB）切割截面，配合掃描電鏡（SEM）可實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀樣品截面的形貌觀測(cè)。

ZEISS Sigma系列

掃描電子顯微鏡（SEM）

Sigma 360

分析測(cè)試平臺(tái)的理想之選，直觀的圖像采集

• 從設(shè)置到獲取基于人工智能的結(jié)果，均提供專(zhuān)業(yè)向?qū)В瑸槟ｑ{護(hù)航，助您探索直觀的成像工作流。

• 可在1 kV和更低電壓下分辨差異，實(shí)現(xiàn)更高的分辨率和優(yōu)化的襯度。

• 可在極端條件下執(zhí)行可變壓力成像，獲得出色的非導(dǎo)體成像結(jié)果。

  
  

▲ ZEISS Sigma 360 VP

▲ EDS能譜元素分布（以CIGS為例）

▲ 制絨步驟晶硅表面形貌（以單晶硅電池為例）

蔡司Crossbeam系列 

聚焦離子束掃描電鏡(FIB-SEM)

專(zhuān)為高通量三維分析和樣品制備量身打造的FIB-SEM

將高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）的成像和分析性能與新一代聚焦離子束（FIB）的加工能力相結(jié)合。無(wú)論在科研機(jī)構(gòu)還是工業(yè)實(shí)驗(yàn)室，您都可以在多用戶(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中工作。利用蔡司Crossbeam的模塊化平臺(tái)概念，根據(jù)日益增長(zhǎng)的需求升級(jí)您的系統(tǒng)，例如使用LaserFIB進(jìn)行大規(guī)模材料加工。在切割、成像或執(zhí)行三維分析時(shí)，Crossbeam將提升您的FIB應(yīng)用效率。

使您的SEM具備強(qiáng)大的洞察力

• 使用Gemini電子光學(xué)系統(tǒng)從高分辨率掃描電子顯微鏡（SEM）圖像中獲取真實(shí)的樣品信息。

• 在進(jìn)行敏感表面二維成像或三維斷層掃描時(shí)，Crossbeam的SEM性能值得您信賴(lài)。

• 加速電壓非常低時(shí)也可獲得高分辨率、高襯度和高信噪比的清晰圖像。

• 借助一系列探測(cè)器實(shí)現(xiàn)樣品的全方位表征。使用Inlens EsB探測(cè)器獲得更純的材料成分襯度。

• 研究不受荷電偽影干擾的非導(dǎo)電樣品。

  
  

提升您的FIB樣品制備效率

• 智能FIB掃描策略快速且精準(zhǔn)，移除材料比以往實(shí)驗(yàn)快40%以上。

• Ion-sculptor FIB鏡筒采用了一種全新的加工方式：您可以盡可能減少樣品損傷，提升樣品質(zhì)量，從而加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。

• 使用高達(dá)100 nA的離子束束流，高效而精準(zhǔn)地處理樣品，并保持高FIB分辨率。

• 制備TEM樣品時(shí)使用Ion-sculptor FIB的低電壓功能，以獲得超薄樣品，同時(shí)盡可能降低非晶化損傷。

  
  

在您的FIB-SEM分析中體驗(yàn)出色的三維空間分辨率

• 體驗(yàn)整合的三維EDS和EBSD分析所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

• 在切割、成像或執(zhí)行三維分析時(shí)，Crossbeam將提升您的FIB應(yīng)用效率。

• 使用我們快速準(zhǔn)確的斷層掃描及分析軟硬件包蔡司Atlas 5來(lái)擴(kuò)展您Crossbeam的性能。

• 使用Atlas 5中集成的三維分析模塊可在斷層掃描的過(guò)程中進(jìn)行EDS和EBSD分析。

• 盡享FIB-SEM斷層掃描中優(yōu)異的三維空間分辨率和各向同性的三維體素尺寸。使用Inlens EsB探測(cè)器探測(cè)小于3 nm的深度，并可獲得表面敏感的材料成分襯度圖像。

• 在切割過(guò)程中收集連續(xù)切片圖像以節(jié)省時(shí)間。盡享可跟蹤的三維體素尺寸和保證圖像質(zhì)量的自動(dòng)流程為您帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

  
  

▲ ZEISS Crossbeam 550

▲ FIB截面加工過(guò)程 

▲ 鍍膜膜層

晶硅電池在一定意義上習(xí)慣被稱(chēng)為第一代太陽(yáng)能電池技術(shù)，目前技術(shù)上仍然在不斷取得突破，第二代太陽(yáng)能電池技術(shù)以砷化鎵，碲化鎘等薄膜電池為代表，但由于其成本較高，技術(shù)受控等原因在我國(guó)發(fā)展相對(duì)受限，以鈣鈦礦為代表的第三代太陽(yáng)能電池則在我國(guó)遍地開(kāi)花，各大企業(yè)紛紛布局。太陽(yáng)能電池的效率受到其半導(dǎo)體材料帶隙間隙的影響，傳統(tǒng)晶硅電池的理論極限效率約在28-29%左右，而鈣鈦礦疊層電池的理論極限效率則可達(dá)到40%以上。鈣鈦礦疊層電池可以繼續(xù)使用晶硅電池產(chǎn)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦-晶硅疊層電池的生產(chǎn)，其中以晶硅為襯底涂布鈣鈦礦材料制備太陽(yáng)能電池需要用到涂布工藝，其生產(chǎn)過(guò)程與鋰電池和燃料電池極片涂布技術(shù)類(lèi)似，但要求更加嚴(yán)苛，涂層更?。s0.5-1.5微米），生產(chǎn)工藝控制難度更高。

對(duì)太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)其使用壽命是非常重要的話(huà)題，業(yè)界一般使用T80壽命評(píng)價(jià)太陽(yáng)能電池性能，即在戶(hù)外工作條件下，組件效率衰減為初始值80%所需時(shí)間。提升太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性的重要影響因素除了電池材料本身之外還包括電池的封裝。如常用的EVA封裝膠膜，金屬背板，表面鋼化玻璃等。對(duì)電池老化的研究以及失效分析中需要對(duì)材料微觀形貌以及對(duì)引入雜質(zhì)離子進(jìn)行檢測(cè)分析。

蔡司顯微鏡技術(shù)憑借其先進(jìn)的光電子技術(shù)，獨(dú)特的物鏡結(jié)構(gòu)，優(yōu)秀的鏡筒設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率的微觀形貌觀察，在太陽(yáng)能電池應(yīng)用中無(wú)論是涂層顆粒度，涂層厚度，孔隙率分析，材料失效分析等都能發(fā)揮其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

光伏產(chǎn)業(yè)的聲勢(shì)此起彼伏，伴隨著陳舊產(chǎn)能出清，新技術(shù)的不斷發(fā)展，行業(yè)布局不斷更迭，對(duì)不同技術(shù)的選擇和開(kāi)拓也離不開(kāi)對(duì)產(chǎn)品技術(shù)路線(xiàn)的不斷深入探索?！笆奈濉币?guī)劃中對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)也提出了很多重要指標(biāo)，光伏產(chǎn)業(yè)量質(zhì)并舉，勢(shì)在必行。

蔡司電力與能源質(zhì)量解決方案

蔡司作為應(yīng)對(duì)氣候變化的先行者，能夠提供傳統(tǒng)及新型綠色能源系統(tǒng)的質(zhì)量保證，助力能源行業(yè)及產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)零碳轉(zhuǎn)型。蔡司電力與能源行業(yè)質(zhì)量解決方案覆蓋從傳統(tǒng)燃?xì)?、蒸汽輪機(jī)到風(fēng)能、太陽(yáng)能、氫能、新型儲(chǔ)能系統(tǒng)等新型清潔能源的“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”全路徑，通過(guò)先進(jìn)硬件設(shè)備與智能軟件相結(jié)合，為能源企業(yè)的研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)維修等環(huán)節(jié)提供高效質(zhì)量控制，提升產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)大大降低產(chǎn)品后期的維修維護(hù)成本，賦能綠色工業(yè)體系，加速能源行業(yè)及產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)構(gòu)建零碳能源體系，實(shí)現(xiàn)能源的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和可持續(xù)性之間的平衡。

蔡司工業(yè)顯微鏡

作為先進(jìn)的顯微鏡制造商，蔡司為您提供用于生命科學(xué)和材料研究領(lǐng)域日常工作的全套解決方案及服務(wù)。此外，我們的產(chǎn)品組合還包括用于教育和臨床常規(guī)領(lǐng)域多種討論目的的顯微鏡。值得信賴(lài)的蔡司顯微鏡系統(tǒng)在全球高科技產(chǎn)業(yè)中廣泛應(yīng)用于質(zhì)量保證和質(zhì)量控制。

從一系列光學(xué)、共聚焦、電子和X射線(xiàn)顯微鏡中選擇適合您的任務(wù)與應(yīng)用的理想解決方案。技術(shù)嫻熟且訓(xùn)練有素的應(yīng)用專(zhuān)家將為您的工作提供支持，確保您獲得出色的投資回報(bào)。