探索太阳能电池板内部的质量奥秘

COP28

人类的经济活动是建立在能源体系之上的，经济的增长往往伴随着能源需求的不断提高，而传统化石能源的使用会对生态环境造成不可逆的损害。2023年12月9日，第28届联合国气候大会（COP28）进行到后半段，中国代表团举行首次新闻发布会，时任中国气候变化事务特使的解振华出席。解振华特使重申了能源转型的方向，表示用清洁高效的可再生能源来替代化石能源，这是最终目标。2023年12月13日，会上全球190多个国家达成了“阿联酋共识”，各国被呼吁“以公正、有序、公平的方式在能源系统中摆脱化石能源(transitioning away from fossil fuels)，在这个关键的十年中加快行动”。

“阿联酋共识”为全球碳排放设定了新的目标：温室气体排放量至2030年较2019年减少43%，到2030年将全球可再生能源产能增加两倍，能效提升一倍。太阳能是可再生能源中非常重要的组成部分，太阳发射到地球的总功率达到1.77*1012kW，如何高效利用太阳能是学术界和产业界共同的话题。

光生伏特效应

1839年，法国科学家贝克雷尔首次发现了“光生伏特效应”，1954年美国科学家恰宾和皮尔松在贝尔实验室首次制成了实用单晶硅太阳能电池。至今人类已经在太阳能电池技术上取得了长足的进步，各种技术路线百花齐放。

太阳能电池

太阳能电池根据其材料不同可分为晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池。以P型硅片为基础的PERC电池（背面钝化电池）是目前市场上的主流技术路线，以N型硅片为基础的TOPCon电池（隧穿氧化层钝化接触电池）和HJT电池（异质结电池）则已经成为了近年来各厂商发展的重点。

▲ 太阳能电池结构示意图

太阳能电池的生产步骤十分复杂，包括，制绒，扩散，界面钝化，刻蚀，丝网印刷等步骤。制造商在生产过程中必须保证硅片上离子扩散的均匀性，钝化层厚度的均一性等。利用蔡司的工业显微镜技术可以实现对硅片微观形貌的观察和管控。如在P-N结的制结中需要扩散磷或硼元素，利用EDS（X射线能谱仪）可实现对样品元素分布的分析。在进行界面钝化或镀膜制备中会用到如PVD技术，CVD技术，ALD技术等，而不同技术手段则各有优劣，膜层的均匀性，致密性对产品性能有着举足轻重的影响，利用聚焦离子束（FIB）切割截面，配合扫描电镜（SEM）可实现对微观样品截面的形貌观测。

ZEISS Sigma系列

扫描电子显微镜（SEM）

Sigma 360

分析测试平台的理想之选，直观的图像采集

• 从设置到获取基于人工智能的结果，均提供专业向导，为您保驾护航，助您探索直观的成像工作流。

• 可在1 kV和更低电压下分辨差异，实现更高的分辨率和优化的衬度。

• 可在极端条件下执行可变压力成像，获得出色的非导体成像结果。

  
  

▲ ZEISS Sigma 360 VP

▲ EDS能谱元素分布（以CIGS为例）

▲ 制绒步骤晶硅表面形貌（以单晶硅电池为例）

蔡司Crossbeam系列 

聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)

专为高通量三维分析和样品制备量身打造的FIB-SEM

将高分辨率场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）的成像和分析性能与新一代聚焦离子束（FIB）的加工能力相结合。无论在科研机构还是工业实验室，您都可以在多用户实验平台中工作。利用蔡司Crossbeam的模块化平台概念，根据日益增长的需求升级您的系统，例如使用LaserFIB进行大规模材料加工。在切割、成像或执行三维分析时，Crossbeam将提升您的FIB应用效率。

使您的SEM具备强大的洞察力

• 使用Gemini电子光学系统从高分辨率扫描电子显微镜（SEM）图像中获取真实的样品信息。

• 在进行敏感表面二维成像或三维断层扫描时，Crossbeam的SEM性能值得您信赖。

• 加速电压非常低时也可获得高分辨率、高衬度和高信噪比的清晰图像。

• 借助一系列探测器实现样品的全方位表征。使用Inlens EsB探测器获得更纯的材料成分衬度。

• 研究不受荷电伪影干扰的非导电样品。

  
  

提升您的FIB样品制备效率

• 智能FIB扫描策略快速且精准，移除材料比以往实验快40%以上。

• Ion-sculptor FIB镜筒采用了一种全新的加工方式：您可以尽可能减少样品损伤，提升样品质量，从而加快实验进程。

• 使用高达100 nA的离子束束流，高效而精准地处理样品，并保持高FIB分辨率。

• 制备TEM样品时使用Ion-sculptor FIB的低电压功能，以获得超薄样品，同时尽可能降低非晶化损伤。

  
  

在您的FIB-SEM分析中体验出色的三维空间分辨率

• 体验整合的三维EDS和EBSD分析所带来的优势。

• 在切割、成像或执行三维分析时，Crossbeam将提升您的FIB应用效率。

• 使用我们快速准确的断层扫描及分析软硬件包蔡司Atlas 5来扩展您Crossbeam的性能。

• 使用Atlas 5中集成的三维分析模块可在断层扫描的过程中进行EDS和EBSD分析。

• 尽享FIB-SEM断层扫描中优异的三维空间分辨率和各向同性的三维体素尺寸。使用Inlens EsB探测器探测小于3 nm的深度，并可获得表面敏感的材料成分衬度图像。

• 在切割过程中收集连续切片图像以节省时间。尽享可跟踪的三维体素尺寸和保证图像质量的自动流程为您带来的优势。

  
  

▲ ZEISS Crossbeam 550

▲ FIB截面加工过程 

▲ 镀膜膜层

晶硅电池在一定意义上习惯被称为第一代太阳能电池技术，目前技术上仍然在不断取得突破，第二代太阳能电池技术以砷化镓，碲化镉等薄膜电池为代表，但由于其成本较高，技术受控等原因在我国发展相对受限，以钙钛矿为代表的第三代太阳能电池则在我国遍地开花，各大企业纷纷布局。太阳能电池的效率受到其半导体材料带隙间隙的影响，传统晶硅电池的理论极限效率约在28-29%左右，而钙钛矿叠层电池的理论极限效率则可达到40%以上。钙钛矿叠层电池可以继续使用晶硅电池产线实现钙钛矿-晶硅叠层电池的生产，其中以晶硅为衬底涂布钙钛矿材料制备太阳能电池需要用到涂布工艺，其生产过程与锂电池和燃料电池极片涂布技术类似，但要求更加严苛，涂层更薄（约0.5-1.5微米），生产工艺控制难度更高。

对太阳能电池来说其使用寿命是非常重要的话题，业界一般使用T80寿命评价太阳能电池性能，即在户外工作条件下，组件效率衰减为初始值80%所需时间。提升太阳能电池稳定性的重要影响因素除了电池材料本身之外还包括电池的封装。如常用的EVA封装胶膜，金属背板，表面钢化玻璃等。对电池老化的研究以及失效分析中需要对材料微观形貌以及对引入杂质离子进行检测分析。

蔡司显微镜技术凭借其先进的光电子技术，独特的物镜结构，优秀的镜筒设计能够实现高分辨率的微观形貌观察，在太阳能电池应用中无论是涂层颗粒度，涂层厚度，孔隙率分析，材料失效分析等都能发挥其独到的优势。

光伏产业的声势此起彼伏，伴随着陈旧产能出清，新技术的不断发展，行业布局不断更迭，对不同技术的选择和开拓也离不开对产品技术路线的不断深入探索。“十四五”规划中对光伏产业也提出了很多重要指标，光伏产业量质并举，势在必行。

蔡司电力与能源质量解决方案

蔡司作为应对气候变化的先行者，能够提供传统及新型绿色能源系统的质量保证，助力能源行业及产业链企业零碳转型。蔡司电力与能源行业质量解决方案覆盖从传统燃气、蒸汽轮机到风能、太阳能、氢能、新型储能系统等新型清洁能源的“源-网-荷-储”全路径，通过先进硬件设备与智能软件相结合，为能源企业的研发、设计、生产、维护维修等环节提供高效质量控制，提升产品质量的同时大大降低产品后期的维修维护成本，赋能绿色工业体系，加速能源行业及产业链企业构建零碳能源体系，实现能源的经济性、可靠性和可持续性之间的平衡。

蔡司工业显微镜

作为先进的显微镜制造商，蔡司为您提供用于生命科学和材料研究领域日常工作的全套解决方案及服务。此外，我们的产品组合还包括用于教育和临床常规领域多种讨论目的的显微镜。值得信赖的蔡司显微镜系统在全球高科技产业中广泛应用于质量保证和质量控制。

从一系列光学、共聚焦、电子和X射线显微镜中选择适合您的任务与应用的理想解决方案。技术娴熟且训练有素的应用专家将为您的工作提供支持，确保您获得出色的投资回报。