目录第1章绪论一光伏产业现状及未来第2章简明半导体基础与太阳电池工作原理.第3章新型晶体硅高效太阳电池.391.PERx太阳电池2.背接触太阳电池---IBC和MWT3.TopCon太阳电池4.硅纳米结构阵列太阳电池习题与思考第4章硅基异质结太阳电池..771.异质结类型及其能带图2.异质结静电学特性3.异质结I-V特性4.HIT太阳电池习题与思考第5章化合物薄膜太阳电池。.1051.砷化太阳电池2.化铬太阳电池3.铜钢镓锡太阳电池习题与思考第6章有机太阳电池.114第7章钙钛矿太阳电池..149第8章太阳电池模拟软件..1631.PCID软件2.Afors-HET软件
目 录 第1章 绪论—光伏产业现状及未来.1 第2章 简明半导体基础与太阳电池工作原理.7 第3章 新型晶体硅高效太阳电池.39 1. PERx 太阳电池 2. 背接触太阳电池-IBC 和 MWT 3. TopCon 太阳电池 4. 硅纳米结构阵列太阳电池 习题与思考 第4章 硅基异质结太阳电池.77 1. 异质结类型及其能带图 2. 异质结静电学特性 3. 异质结 I-V 特性 4. HIT 太阳电池 习题与思考 第5章 化合物薄膜太阳电池.105 1. 砷化镓太阳电池 2. 碲化铬太阳电池 3. 铜铟镓锡太阳电池 习题与思考 第6章 有机太阳电池.114 第7章 钙钛矿太阳电池.149 第8章 太阳电池模拟软件.163 1. PC1D 软件 2. Afors-HET 软件
第1章绪论一光伏产业及新型太阳电池1.1光伏产业发展现状及趋势2020年9月，国家主席习近平宣布：力争在2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取在2060年前实现碳中和。三个月后，习近平主席在联合国气候雄心大会上进一步强调：到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，森林蓄积量将比2005年增加60亿立方米，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。可以看出，要实现上述目标，在未来几十年，国家必须大力调整能源结构，调整重点将放在由传统能源消耗为主转向新能源消耗为主。之所以要进行能源结构调整，原因也是显而易见：（1）传统能源资源有限，未来百年内甚至几十年，将消耗殆尽。（2）传统能源造成的环境问题日益凸显。（3）大部分新能源为可再生能源，取之不尽，用之不竭。（4）新能源清洁、环保，能解决当前的环境问题。（5）国家战略，新能源发展的越快越早越成熟，在世界能源竞争中话语权就越大。要实现以上碳排放目标，光伏发电在其中起着举足轻重的地位，未来的发展前景非常广阔。光伏产业是我国战略性新兴产业，也是国家重点发展的产业之一。发展光伏产业对调整能源结构、推进能源生产和消费方式变革、促进生态文明建设具有重要意义。光伏发电是利用光生伏特效应，将太阳光的能量转化成电能一种技术。众所周知，太阳能是一种取之不尽、用之不竭的自然资源，人类关于太阳能的利用自公元前就有纪录。现今，随着传统化石能源资源的日益枯竭和这些能源使用过程中带来的环境保护问题的显现，关于太阳能如何合理、有效的利用，成为摆在全人类面前的一道重要课题。太阳能的利用形式主要包括太阳能光热利用、太阳能光化学转换利用和太阳能光伏利用等，在这些利用形式中，太阳能光伏转换因其输出端的能量形式是电能，灵活性高，具有广阔的发展空间。为此，全世界众多国家和地区都把太阳能光伏产业上升到国家能源战略层面，制定了相应的短、中和长期光伏发展目标，以促进和激励本国的太阳能光伏产业。美国可再生能源实验室NREL在2012年的《未来可再生能源发电研究》中发布，到2050年，美国电力供给的80%将来自可再生能源，其中光伏装机总量预计达到300GW，占总电力装机的27%[1]：而欧盟的光伏发展布局的更早，长期目标更为宏大：欧洲可再生能源委员会于2010年4月发布“RE-thinking2050"，到2050年，欧洲能源供给的100%将来自可再生能源。届时欧洲总电力装机将达到1956GW，其中1
1 第1章 绪论—光伏产业及新型太阳电池 1.1 光伏产业发展现状及趋势 2020 年 9 月，国家主席习近平宣布：力争在 2030 年前二氧化碳排放达到峰 值，努力争取在 2060 年前实现碳中和。三个月后，习近平主席在联合国气候雄 心大会上进一步强调：到 2030 年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比 2005 年下降 65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到 25%左右，森林蓄积量 将比 2005 年增加 60 亿立方米，风电、太阳能发电总装机容量将达到 12 亿千瓦 以上。可以看出，要实现上述目标，在未来几十年，国家必须大力调整能源结构， 调整重点将放在由传统能源消耗为主转向新能源消耗为主。之所以要进行能源结 构调整，原因也是显而易见：（1）传统能源资源有限，未来百年内甚至几十年， 将消耗殆尽。（2）传统能源造成的环境问题日益凸显。（3）大部分新能源为可再 生能源，取之不尽，用之不竭。（4）新能源清洁、环保，能解决当前的环境问题。 （5）国家战略，新能源发展的越快越早越成熟，在世界能源竞争中话语权就越 大。 要实现以上碳排放目标，光伏发电在其中起着举足轻重的地位，未来的发展 前景非常广阔。光伏产业是我国战略性新兴产业，也是国家重点发展的产业之一。 发展光伏产业对调整能源结构、推进能源生产和消费方式变革、促进生态文明建 设具有重要意义。 光伏发电是利用光生伏特效应，将太阳光的能量转化成电能一种技术。众所 周知，太阳能是一种取之不尽、用之不竭的自然资源，人类关于太阳能的利用自 公元前就有纪录。现今，随着传统化石能源资源的日益枯竭和这些能源使用过程 中带来的环境保护问题的显现，关于太阳能如何合理、有效的利用，成为摆在全 人类面前的一道重要课题。太阳能的利用形式主要包括太阳能光热利用、太阳能 光化学转换利用和太阳能光伏利用等，在这些利用形式中，太阳能光伏转换因其 输出端的能量形式是电能，灵活性高，具有广阔的发展空间。为此，全世界众多 国家和地区都把太阳能光伏产业上升到国家能源战略层面，制定了相应的短、中 和长期光伏发展目标，以促进和激励本国的太阳能光伏产业。美国可再生能源实 验室 NREL 在 2012 年的《未来可再生能源发电研究》中发布，到 2050 年，美国 电力供给的 80%将来自可再生能源，其中光伏装机总量预计达到 300 GW，占总 电力装机的 27%[1]；而欧盟的光伏发展布局的更早，长期目标更为宏大：欧洲可 再生能源委员会 于 2010 年 4 月发布 “RE-thinking 2050”，到 2050 年, 欧洲能 源供给的 100% 将来自可再生能源。届时欧洲总电力装机将达到 1956GW, 其中
光伏装机将达到962GW，占欧洲电力总装机的49.2%[2]。与世界平均水平相比，我国的能源资源形势更加严峻。据2015年《BP世界能源统计年鉴》报告[3]，我国的三大传统能源煤炭、石油和天然气的储采比分别为30年，11.9年和25.7年，如图1-1所示。(年)煤炭30天然气20一石油10-储采比图1-1截至2014年底，中国传统能源的储采比（BP世界统计年鉴）。这意味着，再过30年，我国将无煤可挖、无油可采、无气可送！尽管能源耗尽需要多少年这一数字并不是非常准确，但可以肯定的是，传统能源的储量是有限的，只会越来越少，迟早有一天人类将面对能源耗尽的局面。针对这一严峻形势，我们国家很早就制定了一系列可再生能源发展战略和相应政策来应对，光伏产业的发展更是其中重要内容。近十几年来，我国光伏产业飞速发展，特别是近几年，更是呈现了井喷式增长：根据国家能源局统计，到2014年底，我国光伏装机总量达到28.05GW，增长速度达到60%，其中在2014年一年内新增光伏装机10.6GW，这一数字占全球的新增装机量的20%，是我国电池组件产量的三分之一。可以看出，我国光伏产业发展格局已经呈现，在未来相当长的一段时间内，太阳能光伏产业更将是我国可再生能源发展战略的重要组成部分，图1-2是我国制定的关于光伏市场发展的路线图。到2030年我国累计光伏装机总量的基本目标是4亿kW（400GW）积极目标是8亿kW（800GW）：到2050年，基本目标达到10亿kW（1000GW），而积极目标更是达到了25亿kW（2500GW），光伏装机比例达到39.18%。要想实现这一宏伟目标，就需要国家政策的持续跟进和太阳能光伏上、中和下游产业的协同努力。2
2 光伏装机将达到 962GW, 占欧洲电力总装机的 49.2% [2]。 与世界平均水平相比，我国的能源资源形势更加严峻。据 2015 年《BP 世界 能源统计年鉴》报告[3]，我国的三大传统能源煤炭、石油和天然气的储采比分别 为 30 年，11.9 年和 25.7 年，如图 1-1 所示。 图 1-1 截至 2014 年底，中国传统能源的储采比（BP 世界统计年鉴）。 这意味着，再过 30 年，我国将无煤可挖、无油可采、无气可送！尽管能源 耗尽需要多少年这一数字并不是非常准确，但可以肯定的是，传统能源的储量是 有限的，只会越来越少，迟早有一天人类将面对能源耗尽的局面。针对这一严峻 形势，我们国家很早就制定了一系列可再生能源发展战略和相应政策来应对，光 伏产业的发展更是其中重要内容。 近十几年来，我国光伏产业飞速发展，特别是近几年，更是呈现了井喷式增 长：根据国家能源局统计，到 2014 年底，我国光伏装机总量达到 28.05 GW，增 长速度达到 60%，其中在 2014 年一年内新增光伏装机 10.6 GW，这一数字占全 球的新增装机量的 20%，是我国电池组件产量的三分之一。可以看出，我国光伏 产业发展格局已经呈现，在未来相当长的一段时间内，太阳能光伏产业更将是我 国可再生能源发展战略的重要组成部分，图 1-2 是我国制定的关于光伏市场发展 的路线图。到 2030 年我国累计光伏装机总量的基本目标是 4 亿 kW（400GW） 积极目标是 8 亿 kW（800 GW）；到 2050 年，基本目标达到 10 亿 kW（1000 GW）， 而积极目标更是达到了 25 亿 kW（2500 GW），光伏装机比例达到 39.18%。要想 实现这一宏伟目标，就需要国家政策的持续跟进和太阳能光伏上、中和下游产业 的协同努力
(MZ)30.025.0积极目标25.0一20.0量15.010.0基本目标8.010.02.05.0一0.074.00.01.02012202020302050年份图1-2我国未来几十年光伏市场发展路线图。可喜的是，经过近几十年的发展，我国光伏产业逐渐确立了世界龙头的地位，主要体现在如下几个方面：(1)光伏设备供应链基本自主可控：光伏专用设备市场规模大250亿元，占全球市场的71.4%；逆变器胶膜、背板、玻璃、支架及边框基本实现国产化，部分产品实现出口；(2）电池效率快速提升：自2014年以来，我国企业或研究机构共19次打破各种类型的电池世界纪录，目前保有的纪录有4项。(3）市场端：我国光伏新增装机已经连续7年居全球首位，累计装机连续5年居全球首位；（4）全球化布局：光伏产品出口200个国家和地区；在20个以上国家或地区建厂，主要业务囊括硅片、组件、逆变器、玻璃等；2019年底，全球累计组件产量700GW，中国组件产量占比接近7成，约500GW。(5)产业链优势：基本实现全产业链国产化；多晶硅产量连续9年居全球首位、组件产量连续13年居全球首位：多晶硅料产量占世界的67.3%、硅片产量占世界的97.4%、电池片产量占世界的78.7%、组件产量占世界的71.3%。随着技术的进步和市场的日趋成熟，光伏发电的平准化度电成本（LCOE）在逐年下降，上网电价随之逐年下降。这主要得益于光伏产业链成本的下降和组件端效率的提升。平准化度电成本是指项目生命周期内的成本和发电量进行平准化后计算得到的发电成本，即生命周期内的成本现值/生命周期内发电量现值。3
3 图 1-2 我国未来几十年光伏市场发展路线图。 可喜的是，经过近几十年的发展，我国光伏产业逐渐确立了世界龙头的地位， 主要体现在如下几个方面： (1) 光伏设备供应链基本自主可控：光伏专用设备市场规模大 250 亿元，占 全球市场的 71.4%；逆变器胶膜、背板、玻璃、支架及边框基本实现国产 化，部分产品实现出口； (2) 电池效率快速提升：自 2014 年以来，我国企业或研究机构共 19 次打破 各种类型的电池世界纪录，目前保有的纪录有 4 项。 (3) 市场端：我国光伏新增装机已经连续 7 年居全球首位，累计装机连续 5 年 居全球首位； (4) 全球化布局：光伏产品出口 200 个国家和地区；在 20 个以上国家或地区 建厂，主要业务囊括硅片、组件、逆变器、玻璃等；2019 年底，全球累 计组件产量 700 GW，中国组件产量占比接近 7 成，约 500 GW。 (5) 产业链优势：基本实现全产业链国产化；多晶硅产量连续 9 年居全球首 位、组件产量连续 13 年居全球首位；多晶硅料产量占世界的 67.3%、硅 片产量占世界的 97.4%、电池片产量占世界的 78.7%、组件产量占世界的 71.3%。 随着技术的进步和市场的日趋成熟，光伏发电的平准化度电成本（LCOE） 在逐年下降，上网电价随之逐年下降。这主要得益于光伏产业链成本的下降和组 件端效率的提升。平准化度电成本是指项目生命周期内的成本和发电量进行平准 化后计算得到的发电成本，即生命周期内的成本现值/生命周期内发电量现值
平准化度电成本并不是简单地加和然后相除，还要考虑到时间因素、固定资产残值、固定资产折旧等其他因素对成本的影响。到2020年，全球竞价上网最低中标电价出现在葡萄牙，低至1.32美分/千瓦时，中国的最低中标电价是青海海南州项目，电价为1.32美分/千瓦时。根据目前的行业发展趋势，国际可再生能源署IRENA预测，在2030年以前，光伏发电的成本将会一直呈现逐年下降的趋势，到2030年，光伏的全球加权平均度电成本将降至0.040美元/千瓦时，与2018年相比降低58%。在用户侧，从2018年到2020年，经过3三年的积累与沉淀，中国光伏电站也快速进入平价上网时代。所谓平价上网，分两种类型用户侧平价上网和发电侧平价上网。用户侧平价上网是指光伏发电的度电成本低于国内平均售电价格。发电侧平价上网是指光伏发电按照传统能源的上网电价收购（无补贴）也能实现合理利润。我们通常所说的2020年进入平价上网时代，是指用户侧平价上网。我国计划到2025年实现发电侧平价上网。要实现这一目标，进一步降低系统成本、提高光伏产业的整体技术水平、突破现有技术瓶颈研制低成本、高效率的太阳电池等，是光伏产业所面临重要课题。1.2新型太阳电池太阳电池是光伏发电系统的核心单元，是电能产生的源头，因而太阳电池是光伏发电系统中最重要的部分之一，太阳电池的技术水平反映整个光伏产业的发展水平。太阳电池根据构成核心部分的材料性质的不同，可以分为无机太阳电池、有机太阳电池和有机无机杂化太阳电池，这些太阳电池的工作机制均可在半导体物理相关理论框架内进行解释，统称为半导体太阳电池，简称太阳电池。无机太阳电池在半导体电池中发展的最早，历史最悠久，技术也最成熟，自前在光伏产业中，市场占有额最大。无机太阳电池主要包括硅太阳电池和化合物薄膜太阳电池。硅太阳电池又分为晶体硅太阳电池和非晶、微晶硅薄膜太阳电池，化合物薄膜太阳电池则种类繁多，主要包括砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）、铜钢硒（CIGS）、铜锌锡硫（CZTS）等。有机太阳电池包括单质结结构、P-N异质结结构和染料敏化纳米晶结构太阳电池。有机无机杂化太阳电池主要有染料敏化太阳电池和钙钛矿太阳电池。太阳电池是进行光和电之间能量转换的半导体器件，它所追求的终极目标是将更多的光能转换成电能，用标准术语表示就是能量转换效率，简称效率（n）。太阳电池效率的定义是电池的最大输出功率Pm与照射到太阳电池表面的总光功率Pin之比，即：n=Pm/Pin。显而易见，我们所制备的太阳电池器件希望效率越大越好。不同电池类型之间因为材料性质、照射条件、工艺发展水平、器件构型等方面的不同，而体现出来器件性能和效率也有较大差异。目前效率的世界纪录是4
4 平准化度电成本并不是简单地加和然后相除，还要考虑到时间因素、固定资产残 值、固定资产折旧等其他因素对成本的影响。到 2020 年，全球竞价上网最低中 标电价出现在葡萄牙，低至 1.32 美分/千瓦时，中国的最低中标电价是青海海南 州项目，电价为 1.32 美分/千瓦时。根据目前的行业发展趋势，国际可再生能源 署 IRENA 预测，在 2030 年以前，光伏发电的成本将会一直呈现逐年下降的趋 势，到 2030 年，光伏的全球加权平均度电成本将降至 0.040 美元/千瓦时，与 2018 年相比降低 58%。在用户侧，从 2018 年到 2020 年，经过 3 三年的积累与沉淀， 中国光伏电站也快速进入平价上网时代。所谓平价上网，分两种类型用户侧平价 上网和发电侧平价上网。用户侧平价上网是指光伏发电的度电成本低于国内平均 售电价格。发电侧平价上网是指光伏发电按照传统能源的上网电价收购(无补贴) 也能实现合理利润。我们通常所说的 2020 年进入平价上网时代，是指用户侧平 价上网。我国计划到 2025 年实现发电侧平价上网。要实现这一目标，进一步降 低系统成本、提高光伏产业的整体技术水平、突破现有技术瓶颈研制低成本、高 效率的太阳电池等，是光伏产业所面临重要课题。 1.2 新型太阳电池 太阳电池是光伏发电系统的核心单元，是电能产生的源头，因而太阳电池是 光伏发电系统中最重要的部分之一，太阳电池的技术水平反映整个光伏产业的发 展水平。太阳电池根据构成核心部分的材料性质的不同，可以分为无机太阳电池、 有机太阳电池和有机无机杂化太阳电池，这些太阳电池的工作机制均可在半导体 物理相关理论框架内进行解释，统称为半导体太阳电池，简称太阳电池。无机太 阳电池在半导体电池中发展的最早，历史最悠久，技术也最成熟，目前在光伏产 业中，市场占有额最大。无机太阳电池主要包括硅太阳电池和化合物薄膜太阳电 池。硅太阳电池又分为晶体硅太阳电池和非晶、微晶硅薄膜太阳电池，化合物薄 膜太阳电池则种类繁多，主要包括砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒 （CIGS）、铜锌锡硫（CZTS）等。有机太阳电池包括单质结结构、P-N 异质结结 构和染料敏化纳米晶结构太阳电池。有机无机杂化太阳电池主要有染料敏化太阳 电池和钙钛矿太阳电池。 太阳电池是进行光和电之间能量转换的半导体器件，它所追求的终极目标是 将更多的光能转换成电能，用标准术语表示就是能量转换效率，简称效率（η）。 太阳电池效率的定义是电池的最大输出功率 Pm 与照射到太阳电池表面的总光功 率 Pin 之比，即：η=Pm/Pin。显而易见，我们所制备的太阳电池器件希望效率越大 越好。不同电池类型之间因为材料性质、照射条件、工艺发展水平、器件构型等 方面的不同，而体现出来器件性能和效率也有较大差异。目前效率的世界纪录是