47.1%，是美国可再生能源实验室NREL制备的6结III-V族化合物电池在143个太阳辐照度条件下获得；还有一些电池如非晶硅薄膜、染料敏化等在实验室的最高效率不超过14%：在民用领域发展最为成熟的是晶硅太阳电池，在非聚光条件下，目前单结晶硅电池效率的世界纪录是26.7%，由Kaneka公司在晶硅异质结（HIT）电池上取得，而晶硅单结同质结的世界纪录26.1%（POLO-IBC）目前由德国哈梅林太阳能研究所（ISFH）和汉诺威大学共同保持。当然，以上电池效率的世界纪录都是在实验室阶段，由实验室到大规模商业化应用，通常还有很长的一段路要走。具体的，所有正式发布且经过第三方独立认证的电池效率世界纪录都由美国可再生能源实验室NREL收录整理在“Bestresearch-cellEfficiencyChart”里面【】，见图1-3。本书所涉及的新型太阳电池，也基本包含在该表格中，但并未全部涵盖，只是从中选取了大部分典型性电池结构予以介绍。CNRELBestResearch-CellEfficienciesao.icetlUA二国D5中n47图1-3NREL2020年1月发布的实验室电池世界纪录效率图。本书的定位是作为新能源科学与工程、新能源材料与器件专业本科学生的教材使用，同时辅助相关太阳电池企业、研究所研究人员的研发和技术改进工作。本书涉及的新型太阳电池中“新型”一词的含义，除了指新型器件材料，还指新型器件结构，如晶硅太阳电池中的高效技术路线对电池结构的改进。也就是说除了传统铝背场太阳电池，硅基高效太阳电池、异质结太阳电池、薄膜太阳电池、钙钛矿太阳电池、有机太阳电池等均纳入本书的“新型”太阳电池介绍范围。因此，本书是对新能源科学与工程新能源材料与器件专业主干课《太阳电池》的有益补充，使得两个专业在光伏方向的教材体系更加完整和深入。本教材的目标主要有两个：一是使本专业的学生能够熟悉并掌握太阳电池的新型器件结构，并能够掌握这些器件结构的关键工艺改进步骤，为进一步从事相关研究和工艺改进奠定基础；二是为相关企业从事太阳电池研究和工艺研发相关人员，提供相关的理5
5 47.1%，是美国可再生能源实验室 NREL 制备的 6 结 III-V 族化合物电池在 143 个太阳辐照度条件下获得；还有一些电池如非晶硅薄膜、染料敏化等在实验室的 最高效率不超过 14%；在民用领域发展最为成熟的是晶硅太阳电池，在非聚光条 件下，目前单结晶硅电池效率的世界纪录是 26.7%，由 Kaneka 公司在晶硅异质 结（HIT）电池上取得，而晶硅单结同质结的世界纪录 26.1%（POLO-IBC）目前 由德国哈梅林太阳能研究所（ISFH）和汉诺威大学共同保持。当然，以上电池效 率的世界纪录都是在实验室阶段，由实验室到大规模商业化应用，通常还有很长 的一段路要走。具体的，所有正式发布且经过第三方独立认证的电池效率世界纪 录都由美国可再生能源实验室 NREL 收录整理在“Best research-cell Efficiency Chart”里面【】，见图 1-3。本书所涉及的新型太阳电池，也基本包含在该表格 中，但并未全部涵盖，只是从中选取了大部分典型性电池结构予以介绍。 图 1-3 NREL2020 年 1 月发布的实验室电池世界纪录效率图。 本书的定位是作为新能源科学与工程、新能源材料与器件专业本科学生的教 材使用，同时辅助相关太阳电池企业、研究所研究人员的研发和技术改进工作。 本书涉及的新型太阳电池中“新型”一词的含义，除了指新型器件材料，还指新 型器件结构，如晶硅太阳电池中的高效技术路线对电池结构的改进。也就是说， 除了传统铝背场太阳电池，硅基高效太阳电池、异质结太阳电池、薄膜太阳电池、 钙钛矿太阳电池、有机太阳电池等均纳入本书的“新型”太阳电池介绍范围。因 此，本书是对新能源科学与工程新能源材料与器件专业主干课《太阳电池》的有 益补充，使得两个专业在光伏方向的教材体系更加完整和深入。本教材的目标主 要有两个：一是使本专业的学生能够熟悉并掌握太阳电池的新型器件结构，并能 够掌握这些器件结构的关键工艺改进步骤，为进一步从事相关研究和工艺改进奠 定基础；二是为相关企业从事太阳电池研究和工艺研发相关人员，提供相关的理
论参考，便于他们快速入门。晶体硅同质结：PERx、IBC、MWT、TopCon、纳米结构太阳电池太阳电池无机单晶硅异质结：HIT太阳新电池薄膜化合物薄膜（GaAs、CdTe、CIGS）型太阳电池太阳电池有机无机钙钛矿太阳电池杂化有机太阳有机单质结、有机异质结电池图1-4本书所涉及的新型太阳电池种类习题与思考：1.我国制定的碳排放目标是什么？2.我国为什么要大力推行能源结构调整？3.到2030年，我国的光伏装机总量的基本目标和积极目标是多少？4.我国作为世界光伏产业的龙头，主要体现在哪些方面？5.平准化化度电成本的定义是什么？它主要受哪些因素影响？6.什么是用户侧平价上网？什么是发电侧平价上网？7.太阳电池根据材料特性的不同，可分成哪三大类电池？试针对每一类电池至少列举一种具体电池名称。8.请列举出至少5个具体的新型太阳电池名称？
6 论参考，便于他们快速入门。 图 1-4 本书所涉及的新型太阳电池种类 习题与思考: 1.我国制定的碳排放目标是什么？ 2.我国为什么要大力推行能源结构调整？ 3.到 2030 年，我国的光伏装机总量的基本目标和积极目标是多少？ 4.我国作为世界光伏产业的龙头，主要体现在哪些方面？ 5.平准化化度电成本的定义是什么？它主要受哪些因素影响？ 6.什么是用户侧平价上网？什么是发电侧平价上网？ 7.太阳电池根据材料特性的不同，可分成哪三大类电池？试针对每一类电池 至少列举一种具体电池名称。 8.请列举出至少 5 个具体的新型太阳电池名称？
第2章简明半导体基础2.1 概述太阳能电池是以半导体材料为主，利用光电材料吸收光能后发生光电转换，使它产生电流。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子一空穴对。这样，光能就以产生电子一空穴对的形式转变为电能。制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池是硅太阳电池。下面我们以硅太阳能电池为例，结构图如图2-1所示，简要介绍太阳能电池的工作原理。hy/栅线电极0减反膜N层田0④④0P层背电极LX田图2-1太阳能电池主要部件采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。当把P型半导体和N型半导体制作在一起时，在它们的交界面，两种载流子的浓度差很大，因而P区的空穴必然向N区扩散，与此同时，N区的自由电子也必然向P区扩散，如图2-2示。由于扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动的，称为空间电荷区，从而形成内建电场8。当空间电荷区形成后，在内建电场作用下，少子产生飘移运动，空穴从N区向P区运动，而自由电子从P区向N区运动。在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成PN结，如图2-2示。此时，空间电荷区具有一定的宽度，电位差为S=Uho，电流为零。随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽，内建电场增强，其方向由N区指向P区，正好阻止扩散运动的进行。7
7 第 2 章 简明半导体基础 2.1 概述 太阳能电池是以半导体材料为主，利用光电材料吸收光能后发生光电转换，使它产生 电流。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。当太阳 光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收 的光，有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子—空 穴对。这样，光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电能。 制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技 术最成熟，并具有商业价值的太阳电池是硅太阳电池。下面我们以硅太阳能电池为例，结 构图如图 2-1 所示，简要介绍太阳能电池的工作原理。 图 2-1 太阳能电池主要部件 采用不同的掺杂工艺，将 P 型半导体与 N 型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交 界面就形成 PN 结。当把 P 型半导体和 N 型半导体制作在一起时，在它们的交界面，两种 载流子的浓度差很大，因而 P 区的空穴必然向 N 区扩散，与此同时，N 区的自由电子也必 然向 P 区扩散，如图 2-2 示。由于扩散到 P 区的自由电子与空穴复合，而扩散到 N 区的空 穴与自由电子复合，所以在交界面附近多子的浓度下降，P 区出现负离子区，N 区出现正 离子区，它们是不能移动的，称为空间电荷区，从而形成内建电场 ε 。当空间电荷区形成 后，在内建电场作用下，少子产生飘移运动，空穴从 N 区向 P 区运动，而自由电子从 P 区 向 N 区运动。在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动 的少子数目，从而达到动态平衡，形成 PN 结，如图 2-2 示。此时，空间电荷区具有一定 的宽度，电位差为 ε =Uho，电流为零。随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽，内建电场 增强，其方向由 N 区指向 P 区，正好阻止扩散运动的进行
N区P区④田?田田甲田D甲甲田田田田++内建电场1光生电场R图2-2PN结基本结构及其空间电荷区太阳能电池能量转换基础是半导体PN结的光生伏打效应。当光照射到半导体光伏器件上时，能量大于硅禁带宽度的光子穿过减反射膜进入硅中，在N区、耗尽区和P区中激发出光生电子空穴对。光生电子空穴对在耗尽区中产生后，立即被内建电场分离，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区，从而使N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴。根据耗尽近似条件，耗尽区边界处的载流子浓度近似为0，即p=n=0。在N区中的光生空穴便向PN结边界扩散，一旦到达PN结边界，便立即受到内建电场作用，被电场力牵引作漂移运动，越过耗尽区进入P区，光生电子（多子）则被留在N区。在P区中的光生电子（少子）同样的先因为扩散、后因为漂移而进入N区，光生空穴（多子）留在P区。因此在P-N结两侧形成正、负电荷的积累，使N区储存过剩的电子，P区有过剩的空穴，从而形成与内建电场方向相反的光生电场。2.2半导体物理基础2.2.1 引言太阳能电池能量转换是基于半导体PN结的光生伏打效应工作，这涉及到半导体中光和载流子之间的相互作用，要深刻理解太阳能电池工作原理和特性必须对半导体中一些基本规律有一定了解。在本小节中，将简要介绍与太阳能电池设计、工作和运行相关的一些重要的半导体特性，包括能带论、半导体掺杂、载流子的输运与复合、pn结、半导体光吸收机制、光生优特效应以及非晶半导体等。表2-1和表2-2给出光伏应用中主要的几种半导体的特性参数，表2-3给出了半导体抗反射膜材料的折射率等参数。表2-1光伏用室温下常见半导体材料特性8
8 图 2-2 PN 结基本结构及其空间电荷区 太阳能电池能量转换基础是半导体 PN 结的光生伏打效应。当光照射到半导体光伏器 件上时，能量大于硅禁带宽度的光子穿过减反射膜进入硅中，在 N 区、耗尽区和 P 区中激 发出光生电子-空穴对。光生电子-空穴对在耗尽区中产生后，立即被内建电场分离，电子 被驱向 N 型区，空穴被驱向 P 型区，从而使 N 区有过剩的电子，P 区有过剩的空穴。根据 耗尽近似条件，耗尽区边界处的载流子浓度近似为 0，即 p=n=0。在 N 区中的光生空穴便 向 PN 结边界扩散，一旦到达 PN 结边界，便立即受到内建电场作用，被电场力牵引作漂 移运动，越过耗尽区进入 P 区，光生电子（多子）则被留在 N 区。在 P 区中的光生电子 （少子）同样的先因为扩散、后因为漂移而进入 N 区，光生空穴（多子）留在 P 区。因此 在 P-N 结两侧形成正、负电荷的积累，使 N 区储存过剩的电子，P 区有过剩的空穴，从而 形成与内建电场方向相反的光生电场。 2.2 半导体物理基础 2.2.1 引言 太阳能电池能量转换是基于半导体 PN 结的光生伏打效应工作，这涉及到半导体中光 和载流子之间的相互作用，要深刻理解太阳能电池工作原理和特性必须对半导体中一些基 本规律有一定了解。在本小节中，将简要介绍与太阳能电池设计、工作和运行相关的一些 重要的半导体特性，包括能带论、半导体掺杂、载流子的输运与复合、pn 结、半导体光吸 收机制、光生伏特效应以及非晶半导体等。表 2-1 和表 2-2 给出光伏应用中主要的几种半 导体的特性参数，表 2-3 给出了半导体抗反射膜材料的折射率等参数。 表 2-1 光伏用室温下常见半导体材料特性
晶体静电介电折射电子亲晶格常密度/热膨胀系数材料带隙Eg/eV熔点/K常数：和势X结构率n数/A(10/K)g°cm-3c-Si1.12dia11.93.974.055.4312.3282.616871.4245.32GaAszb13.183.904.075.6536.031510InP1.35zb12.563.604.5513404.385.8694.7871.8~113.32a-Si-----4.9CdTe1.45-1.5zb10.22.894.286.4776.213650.96-1.04ch4.586.6~1600CulnSn2注：dia表示为金刚石，zb表示闪锌矿，ch表示黄铜矿：折射率是在波长为590nm下获得的。表2-2常用半导体窗口层材料的特性参数材料电子亲和势X带隙Eg/eV折射率nCds2.54.52.42Zns3.582.43.9Zno.3Cdo.7S2.84.3-3.34.35ZnO2.02In2O::Sn3.7~4.44.54.8SnO2:F3.9~4.6表2-3常用光伏抗反射薄膜材料的折射率材料折射率nMgF21.38SiO21.46AlO31.76SiN42.052.2Ta20s2.36ZnSSiox1.8~1.9TiO22.62本节对于已经熟悉半导体特性的读者来说可以作为简捷的复习，而对半导体知识了解较少的读者可作为理解后面各章节内容的基础。为了进一步加深理解，可参考一些专门讨论半导体特性的专著作为参考。2.2.2 能带能带理论是研究固体中电子运动的一个主要理论基础。在二十世纪二十年代末和三十年代初期，在量子力学运动规律确定以后，它是在用量子力学研究金属电导理论的过程中开展起来的。最初的成就在于定性地阐明了晶体中电子运动的普遍性的特点。例如，在这个理论基础上，说明了固体为什么会有导体、非导体的区别：晶体中电子的平均自由程为什么会远大于原子的间距等。在这个时候半导体开始在技术上应用，能带理论正好提供了分析半导体理论问题的基础，有利地推动了半导体技术的发展。后来由于电子计算机的发9
9 材料 带隙 Eg/eV 晶体 结构 静电介电 常数 折射 率 n 电子亲 和势 晶格常 数/Å 密度/ g·cm-3 热膨胀系数 /(10-6 /K) 熔点/K c-Si GaAs InP a-Si CdTe CuInSn2 1.12 1.424 1.35 1.8 1.45-1.5 0.96-1.04 dia zb zb - zb ch 11.9 13.18 12.56 ~11 10.2 - 3.97 3.90 3.60 3.32 2.89 - 4.05 4.07 4.38 - 4.28 4.58 5.431 5.653 5.869 - 6.477 - 2.328 5.32 4.787 - 6.2 - 2.6 6.03 4.55 - 4.9 6.6 1687 1510 1340 - 1365 ~1600 注：dia 表示为金刚石，zb 表示闪锌矿，ch 表示黄铜矿；折射率是在波长为 590nm 下获得的。 表 2-2 常用半导体窗口层材料的特性参数 材料 带隙 Eg/eV 折射率 n 电子亲和势 CdS ZnS Zn0.3Cd0.7S ZnO In2O3:Sn SnO2:F 2.42 3.58 2.8 3.3 3.7~4.4 3.9~4.6 2.5 2.4 - 2.02 - - 4.5 3.9 4.3 4.35 4.5 4.8 表 2-3 常用光伏抗反射薄膜材料的折射率 材料 折射率 n MgF2 SiO2 Al2O3 Si3N4 Ta2O5 ZnS SiOx TiO2 1.38 1.46 1.76 2.05 2.2 2.36 1.8~1.9 2.62 本节对于已经熟悉半导体特性的读者来说可以作为简捷的复习，而对半导体知识了解 较少的读者可作为理解后面各章节内容的基础。为了进一步加深理解，可参考一些专门讨 论半导体特性的专著作为参考。 2.2.2 能带 能带理论是研究固体中电子运动的一个主要理论基础。在二十世纪二十年代末和三十 年代初期，在量子力学运动规律确定以后，它是在用量子力学研究金属电导理论的过程中 开展起来的。最初的成就在于定性地阐明了晶体中电子运动的普遍性的特点。例如，在这 个理论基础上，说明了固体为什么会有导体、非导体的区别；晶体中电子的平均自由程为 什么会远大于原子的间距等。在这个时候半导体开始在技术上应用，能带理论正好提供了 分析半导体理论问题的基础，有利地推动了半导体技术的发展。后来由于电子计算机的发