半导体光伏器件

第1章 太阳能与太阳能电池 1

1.1 能源消耗与太阳能 1

1.2 光伏效应及应用 6

1.3 太阳能电池的发展 8

1.4 太阳能电池的特性 9

1.4.1 光电流与量子效率 9

1.4.2 开路电压 11

1.4.3 光电转换效率 12

1.4.4 串联电阻 13

1.4.5 非理想的二极管特性 14

1.5 太阳能电池的应用 14

本章参考文献 15

第二章 太阳能电池基础 17

2.1 光子与太阳能光谱 17

2.1.1 黑体辐射 17

2.1.2 太阳能光谱及大气质量 18

2.2 太阳能电池器件原理 21

2.2.1 半导体材料的基本属性 21

2.2.2 载流子的产生、复合与输运 32

2.2.3 半导体结 37

2.3 太阳能电池的效率上限 45

2.3.1 细致平衡原理 45

2.3.2 太阳能电池的最高效率 46

本章参考文献 47

第三章 晶体硅太阳能电池 48

3.1 硅制造工艺 48

3.1.1 硅材料 48

3.1.2 太阳能级硅材料 48

3.1.3 单晶硅的制造 49

3.1.4 多晶硅的制造 53

3.1.5 国内太阳能级硅现状 58

3.2 晶体硅太阳能电池原理及基本结构 58

3.2.1 晶体硅太阳能电池的原理 58

3.2.2 晶体硅太阳能电池的基本结构 59

3.3 晶体硅太阳能电池电特性及限制因素 60

3.3.1 晶体硅太阳能电池的电特性 60

3.3.2 晶体硅太阳能电池效率限制因素 62

3.4 工业生产中的晶体硅太阳能电池结构与制备流程 63

3.4.1 工业晶体硅太阳能电池结构 63

3.4.2 工业化基本制作流程 64

3.5 工艺详解及改进 72

3.5.1 丝网印刷 72

3.5.2 薄晶圆工艺 75

3.5.3 表面钝化工艺 76

3.5.4 选择性发射极技术 77

3.5.5 快速加热技术 78

3.6 制造多晶硅太阳能电池的一些特殊方法 79

3.6.1 多晶硅太阳能电池的除杂 79

3.6.2 氢钝化工艺 79

3.6.3 光捕获工艺 81

3.7 高效晶体硅太阳能电池技术和结构 83

3.7.1 带状硅技术 83

3.7.2 高效低阻硅太阳能电池 83

3.7.3 钝化发射极和背面结构电池 84

3.7.4 发射极钝化及背部局部扩散结构电池 85

3.7.5 刻槽埋栅技术 85

3.7.6 倾斜蒸镀金属接触式太阳能电池 86

3.7.7 金属穿孔卷绕技术 87

3.7.8 插指状背电极结构电池 88

3.7.9 热载流子太阳能电池 89

3.7.10 背高效表面反射太阳能电池 90

3.7.11 异质结结构电池 90

3.8 晶体硅太阳能电池展望 92

本章参考文献 93

第四章 高效的Ⅲ-Ⅴ族单结及多结太阳能电池 97

4.1 Ⅲ-Ⅴ族半导体材料 97

4.1.1 Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的命名 97

4.1.2 Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的性质 98

4.2 Ⅲ-Ⅴ族半导体太阳能电池的应用 99

4.2.1 空间应用 99

4.2.2 陆地能源应用 102

4.3 Ⅲ-Ⅴ族单结及多结太阳能电池基础 103

4.3.1 直接带隙与间接带隙 103

4.3.2 单结及多结太阳能电池效率的原理限制 103

4.3.3 光谱分离 106

4.3.4 器件结构 116

4.4 GaInP/GaAs/Ge多结电池发展及存在问题 117

4.4.1 GaInP太阳能电池 117

4.4.2 GaAs太阳能电池 126

4.4.3 Ge太阳能电池 127

4.4.4 隧道结 129

4.5 高效多结太阳能电池的发展 130

4.5.1 高效多结太阳能电池存在的问题 130

4.5.2 高效多结太阳能电池的发展 131

本章参考文献 133

第五章 非晶硅基薄膜太阳能电池 139

5.1 非晶硅基太阳能电池介绍 139

5.2 非晶硅材料的特性 141

5.2.1 非晶硅材料的研究和发展现状 141

5.2.2 原子结构 142

5.2.3 非晶硅材料的电子态 143

5.2.4 非晶硅的掺杂和电学特性 145

5.2.5 非晶硅合金的带宽调整 146

5.2.6 非晶硅基薄膜材料的光学性质 147

5.3 非晶硅薄膜的制备技术和非晶硅电池的产业化 151

5.3.1 常见的aSi薄膜制备技术 151

5.3.2 非晶硅薄膜生长过程中的反应动力学 152

5.3.3 等离子增强化学气相沉积 155

5.3.4 热丝化学气相沉积 158

5.3.5 微晶硅沉积技术 160

5.3.6 硅基薄膜材料的优化 163

5.3.7 非晶硅太阳能电池生产流程及产业化 164

5.4 非晶硅太阳能电池常见结构及其工作原理 166

5.4.1 单结非晶硅薄膜太阳能电池的结构及工作原理 166

5.4.2 多结非晶硅薄膜太阳能电池的结构及工作原理 177

5.5 非晶硅太阳能电池的发展过程和未来展望 182

5.5.1 非晶硅太阳能电池的发展过程 182

5.5.2 未来展望与挑战 184

本章参考文献 184

第六章 Cu(InGa)Se2太阳能电池 188

6.1 材料特性 188

6.1.1 材料结构及组分 188

6.1.2 光学性质 191

6.1.3 电学性质 193

6.1.4 表面、晶界及衬底 194

6.2 器件性质 196

6.2.1 光电流的产生 196

6.2.2 复合 200

6.2.3 Cu(InGa)Se2/CdS 界面特性 205

6.2.4 渐变带宽器件 208

6.3 Cu(InGa)Se2太阳能电池器件的制造 210

6.3.1 材料的沉积技术 210

6.3.2 结与器件的形成 216

6.4 Cu(InGa)Se2太阳能电池的发展 224

6.4.1 CIGS太阳能电池的发展过程 224

6.4.2 发展中的挑战 227

6.4.3 发展前景预测 227

本章参考文献 229

第七章 CdTe太阳能电池 232

7.1 引言 232

7.2 材料属性 234

7.3 CdTe太阳能电池的结构及工艺实现 236

7.3.1 衬底 236

7.3.2 前电极 237

7.3.3 窗口层 237

7.3.4 吸收层 239

7.3.5 背接触 244

7.4 CdS/CdTe结特性 247

7.5 CdTe太阳能电池器件特性 248

7.6 CdTe太阳能电池的发展前景 252

本章参考文献 255

第八章 染料敏化太阳能电池 258

8.1 引言 258

8.2 DSSC器件结构 260

8.2.1 导电基底材料 260

8.2.2 纳米多孔半导体薄膜 260

8.2.3 染料光敏化剂 260

8.2.4 电解质 261

8.2.5 对电极 261

8.3 DSSC器件的工作原理 261

8.4 器件的制造工艺 267

8.4.1 二氧化钛纳米晶薄膜电极的制备 267

8.4.2 染料在TiO2纳米薄膜中的填充 268

8.4.3 电解液的制备 268

8.4.4 对电极的制备 269

8.5 DSSC器件的进展 269

8.5.1 工作电极 269

8.5.2 电解质 272

8.5.3 染料敏化剂 277

8.5.4 对电极 285

8.6 展望 290

本章参考文献 291

第九章 有机太阳能电池 298

9.1 有机半导体的特点 299

9.2 有机半导体光伏器件材料 301

9.2.1 电子给体材料 302

9.2.2 电子受体材料 304

9.2.3 缓冲层界面材料 305

9.2.4 代替ITO的一些新型材料 310

9.3 有机太阳能电池的基本结构 311

9.3.1 单层有机太阳能电池 311

9.3.2 双层异质结有机太阳能电池 311

9.3.3 体异质结有机太阳能电池 313

9.3.4 有机太阳能电池的常规结构及反转结构 314

9.4 有机太阳能电池的工作原理 315

9.4.1 光子的吸收 316

9.4.2 激子的产生 317

9.4.3 激子扩散 317

9.4.4 激子的分离 318

9.4.5 电荷传输 321

9.4.6 电极的收集 322

9.5 有机太阳能电池的宏观电学特性 323

9.5.1 开路电压 324

9.5.2 短路电流和填充因子 325

9.6 有机叠层太阳能电池 325

9.6.1 有机叠层电池机理 327

9.6.2 有机叠层电池结构介绍 328

9.6.3 叠层结构中的中间连接层工程 332

9.7 有机太阳能电池衰退机理 335

9.7.1 器件的化学衰退 336

9.7.2 物理及机械衰退机理 338

9.7.3 器件的封装 338

9.8 有机太阳能电池的制造工艺 339

9.9 有机太阳能电池的发展 344

本章参考文献 346

第十章 高效半导体光伏器件概述 348

10.1 太阳能电池的效率 348

10.2 太阳能电池效率的极限 350

10.2.1 太阳能电池效率的热力学极限 350

10.2.2 太阳能电池效率的细致平衡原理极限 351

10.3 含有多带隙吸光结构的电池 355

10.3.1 叠层太阳能电池 356

10.3.2 中间带隙及多带隙太阳能电池 358

10.4 热载流子太阳能电池 362

10.5 碰撞电离太阳能电池 367

10.6 总结 369

本章参考文献 370

在各种能源形式中，电能无疑是用处最为广泛的能源，它几乎应用于人类生活的各个方面。随着人们对环境保护的不断重视，如何利用清洁无污染的方法获得电能成为当今社会的重要课题。

与煤、石油、天然气等储量有限且不可再生资源不同，太阳能取之不尽，用之不竭，清洁无污染，是理想的能源来源。随着太阳能光伏器件的出现，人类获得了一种直接从太阳能产生高质量能源的方法。 近年来，半导体太阳能光伏器件已应用于从太阳能电站到路灯光伏照明系统等许多方面，未来半导体太阳能光伏器件将扮演着越来越重要的角色。

半导体太阳能光伏器件种类繁多，本书对最为常见和成熟的半导体太阳能光伏器件进行了详细介绍，包括晶体硅太阳能电池、非晶硅基薄膜太阳能电池、Ⅲ-Ⅴ族单结及多结太阳能电池、Cu(InGa)Se2太阳能电池、CdTe太阳能电池、染料敏化电池和有机太阳能电池。这些半导体太阳能光伏器件具有代表性，掌握了这些器件的结构、原理和制作工艺，对于其他类型的半导体太阳能光伏器件的理解也就比较容易了。

在本书的编写过程中，编者既重视各章内容之间的相互联系, 又适当保持了各章的相对独立性。第一章和第二章为本书的基础理论介绍，在阅读后面章节前应先行阅读这两章。第三章至第九章分别介绍各种类型的半导体太阳能光伏器件，这些章节可根据需要进行选读，而不影响对章节内容的理解。第十章在前面各章的基础上进一步讨论半导体太阳能光伏器件的理论效率及实现最大效率的途径，以使读者对半导体太阳能光伏器件的进一步发展有一个完整的概念。

本书可供半导体专业高年级本科生及研究生学习使用，对从事半导体太阳能光伏器件研究、生产的科研人员和工程师也有重要的参考价值，材料、能源、信息等领域的科技人员以及对半导体光伏器件感兴趣的其他相关人员也可从本书中获得太阳能光伏器件的相关知识。

《光伏器件(第7部分):光伏器件测量过程中引起的光谱失配误差的计算(GB/T 6495.7-2006/IEC 60904-7:1998)》由中国标准出版社出版。

《光伏器件(第9部分):太阳模拟器性能要求(GB/T 6495.9-2006)(IEC 60904-9:1995)》由中华人民共和国信息产业部提出。本标准由全国太阳光伏能源系统标准化技术委员会归口。本标准起草单位：中国电子科技集团公司第十八研究所、中国科学院长春光机所。本标准主要起草人：郭增良、仲跻功、贾堤、王爱玲、孙传灏。

前言

IEC前言

1范围

2目的

3测量原理

4标准太阳光谱辐照度分布

5电流—电压特性

附录A术语