淺析物理電源的工藝流程及其關(guān)鍵技術(shù)

錢琨 陳文紅 鐘敏

摘 要：物理電源是通過物理方法直接將自然界中的一些能量（如光和熱）轉(zhuǎn)化為電能的裝置或裝置。本文主要從物理電源分類入手系統(tǒng)分析說明各型物理電源的結(jié)構(gòu)與制作工藝流程，并為進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化提出合理性的建議措施。

關(guān)鍵詞：物理電源；工藝流程；關(guān)鍵技術(shù)

一、概述

物理電源的突出特點是在使用時不污染環(huán)境，因此又稱“綠色電力”。例如，空間太陽能電池具有高效率、良好的抗輻射性和良好的抗極端紫外輻射。該同位素?zé)犭姲l(fā)生器結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，抗輻射性能好。它不需要維護(hù)，不受環(huán)境的影響。這些物理電源在空間應(yīng)用領(lǐng)域具有優(yōu)異的性能。

20世紀(jì)90年代，信息技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是移動通信和便攜式計算機的迅速發(fā)展，極大地推動了電池技術(shù)的發(fā)展。它不僅促進(jìn)了電池技術(shù)的污染、小型化、輕化、長的使用壽命、長的使用壽命和無維護(hù)，而且還制造了電池。市場在不斷擴大和發(fā)展。物理能源是新能源和可再生能源的重要組成部分。它直接關(guān)系到二十一世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實現(xiàn)。它已成為全球關(guān)注和發(fā)展的焦點。

（一）太陽能電池

太陽能電池，也被稱為光伏器件，是將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。太陽能電池本質(zhì)上是具有pn結(jié)的半導(dǎo)體二極管器件，其吸收太陽光并將部分光子能量轉(zhuǎn)移到載流子一電子和空穴。半導(dǎo)體二極管將電子從空穴中分離出來并分別傳輸?shù)酵獠侩娐?。太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)可分為四個主要部分：村底、PN結(jié)、減反射層和金屬電鍍。村底是太陽能電池的載體，太陽結(jié)是光伏效應(yīng)的來源?？狗瓷鋵拥淖饔檬菧p少入射光的反射，從而增加光電流，金屬電極用于連接裝置和外部負(fù)載。硅太陽能電池以硅片為底層，通過膨脹工藝形成PN結(jié)。一般采用磷擴散法。

GaAs和其他化合物半導(dǎo)體太陽能電池使用GaAs或鍺晶片作為村莊的底部。利用金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）在襯底上直接生長P和N型體。該工藝的優(yōu)點是器件結(jié)構(gòu)可以多樣化，如異質(zhì)結(jié)、多結(jié)系列、量子肼、量子點等。超晶格結(jié)構(gòu)等。太陽能電池具有更高的效率，但生產(chǎn)成本較高。

薄膜太陽能電池可以使用玻璃、塑料、陶瓷、石墨、金屬片等不同材料作為基材，采用多種沉積工藝，一層P或N型材料長向上。薄膜太陽能電池的最大優(yōu)點是生產(chǎn)成本低，但效率和穩(wěn)定性問題仍有待解決。

（二）溫差電池

熱電電池是利用塞貝克效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的物理電源。一個P熱電元件和一個N熱電元件通過電極連接在熱端上，形成一對熱電單止動器。幾十個甚至幾十個熱電單體串聯(lián)、串聯(lián)、并聯(lián)或串聯(lián)連接以形成熱電電池。

溫差電池是一種長壽命電池，可作為空間飛行器的設(shè)備、設(shè)備、戰(zhàn)區(qū)無人偵察機、遠(yuǎn)程氣象站、輸油管道防腐和熱量表的電源。在高溫（700℃）溫差電池中使用的典型熱電材料是SiGe合金。用于中溫（00～700）溫差電池的典型熱電材料是PbTe，而用于低溫（低于400℃）的溫差電池的典型熱電材料是咬合。

二、物理電源的工藝流程

（一）太陽能電池

目前，大量的太陽能電池主要是硅太陽能電池和砷化鎵太陽能電池。由于太陽能電池本質(zhì)上是利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)的半導(dǎo)體器件，所以電池的制造過程基本上是一種微型電子器件的制造工藝。其制造工藝如下：

村底制備——pn結(jié)制備——電極制備——劃片——蒸饋減反射膜——太陽電池成型。

（二）溫差電池

其工藝流程為：

材料制備——元件制備——單體對焊接——單體條焊接——電池裝配——電池封裝——性能給期——產(chǎn)品包裝

第一，熱電材料為重?fù)诫s半導(dǎo)體材料。大多數(shù)熱電材料是用粉末冶金制造的。采用冷壓法和熱壓法制備了多晶碲鉍基熱電材料。

第二，熱電元件可以直接從熱電材料直接在模具中成型或用熱電材料錠切割。熱電元件的高度一致性很強，從而保證了熱電元件的組件和組件的質(zhì)量和熱電電池的組裝過程。

三、物理電源的關(guān)鍵技術(shù)

（一）擴散（磷的膨脹）過程

由于單硅日光電池采用P型村底，在硅晶片表面形成N型擴散是必要的，而液態(tài)磷擴散是最常用的方法。液體磷擴散最常用的擴散液是三氯氧磷（POCl）。在高溫下，三氯氧磷和氧氣反應(yīng)生成磷和氯氣。氯氣從反應(yīng)室排出，五氧化二磷和硅被用來產(chǎn)生二氧化硅和磷原子。磷原子在高溫下擴散到硅晶片中，形成PN結(jié)。

（二）MOVPE（金屬有機化學(xué)氣相沉積）工藝

MOVPE工藝可以精確控制外延層的厚度、濃度和成分，實現(xiàn)薄層、超薄層和多層生長。大面積均勻性好。相鄰?fù)庋訉拥亩盖屯庋訉涌梢远噙_(dá)幾十層，可以引入超晶格。因此，MOVPE工藝特別適合于大面積、薄且均勻的多層外延層的制造。這一過程的電池結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步改進(jìn)，以最大限度地提高電池性能。

（三）溫差電材料的制備工藝

熱電電池的效率主要取決于熱電材料的優(yōu)點。其優(yōu)點是由熱電材料的熱電性能決定的。此外，熱電材料需要具有良好的機械性能，以適應(yīng)后處理的操作，并滿足電池的使用環(huán)境。熱電材料的比例和制備工藝的好壞直接影響到載流子濃度、遷移率、晶格參數(shù)、散射機制等物理量和狀態(tài)，最終影響材料的熱電性能，因此必須進(jìn)行優(yōu)化。