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硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池物理與器件 
定 價(jià)：118 元
9 7 4 8 1 7 5 0 1 3 4 0 1 讀者對(duì)象:半導(dǎo)體材料與器件、光電子等相關(guān)專業(yè)師生及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員 
硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池物理與器件在分析當(dāng)今高效晶體硅太陽(yáng)電池技術(shù)的基礎(chǔ)上引出硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，是一本全面反映硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池研究和技術(shù)進(jìn)展的著作。硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池物理與器件首先簡(jiǎn)要介紹了半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)基本知識(shí)和異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的表征與測(cè)試手段，然后系統(tǒng)闡述了非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的制造工藝與技術(shù)、涉及的基本物理問題和模擬研究情況，最后綜述了新型無機(jī)物硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的研究進(jìn)展。
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硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池物理與器件可作為高等院校半導(dǎo)體材料與器件、光電子、光學(xué)工程和光伏科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)專業(yè)師生的參考用書，也可供太陽(yáng)能光伏及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)和工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考。
目錄
序 前言 第1章 緒論——高效晶體硅和異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 1 1.1 太陽(yáng)和太陽(yáng)能 1 1.2 太陽(yáng)電池 2 1.3 晶體硅太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu) 4 1.4 晶體硅太陽(yáng)電池的效率分析 5 1.5 高效晶體硅太陽(yáng)電池介紹 6 1.5.1 鈍化發(fā)射極太陽(yáng)電池 6 1.5.2 氧化鋁鈍化的太陽(yáng)電池 10 1.5.3 選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池 12 1.5.4 MWT太陽(yáng)電池 18 1.5.5 n型晶體硅太陽(yáng)電池 20 1.5.6 IBC太陽(yáng)電池 24 1.6 非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 28 1.6.1 HIT太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 29 1.6.2 獲得高效率HIT太陽(yáng)電池的方法 31 1.6.3 HIT太陽(yáng)電池的效率進(jìn)展 32 1.6.4 非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的其他單位研發(fā)情況 33 1.7 本書的安排 36 參考文獻(xiàn) 37 第2章 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)基本知識(shí) 44 2.1 異質(zhì)結(jié)基本概念 44 2.1.1 理想異質(zhì)結(jié)的能帶圖 44 2.1.2 反型異質(zhì)結(jié)的主要公式 46 2.1.3 異質(zhì)結(jié)中的界面態(tài) 48 2.1.4 有界面態(tài)的異質(zhì)結(jié)能帶圖 50 2.2 異質(zhì)結(jié)的伏安特性 51 2.2.1 尖峰勢(shì)壘高度的影響因素 52 2.2.2 理想突變異質(zhì)結(jié)的伏安特性 53 2.2.3 有界面態(tài)的異質(zhì)結(jié)的伏安特性 59 2.3 異質(zhì)結(jié)的注入特性 62 2.3.1 高注入特性 62 2.3.2 超注入特性 63 2.4 異質(zhì)結(jié)的光電特性 64 2.4.1 反型異質(zhì)結(jié)的光伏特性 65 2.4.2 反型異質(zhì)結(jié)的光電流和光譜響應(yīng) 66 2.5 晶體硅和非晶硅薄膜的基本物理參數(shù) 72 參考文獻(xiàn) 74 第3章 與異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池相關(guān)的表征與測(cè)試 75 3.1 太陽(yáng)電池的基本表征參數(shù) 75 3.1.1 太陽(yáng)電池等效電路 75 3.1.2 太陽(yáng)電池的基本參數(shù) 78 3.1.3 非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的I-V曲線 81 3.1.4 太陽(yáng)電池的溫度系數(shù) 81 3.1.5 太陽(yáng)電池的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件 83 3.2 太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)和量子效率 84 3.2.1 光譜響應(yīng) 84 3.2.2 量子效率 85 3.3 少數(shù)載流子壽命及其測(cè)量 88 3.3.1 非平衡少數(shù)載流子 88 3.3.2 少數(shù)載流子壽命 89 3.3.3 少數(shù)載流子壽命對(duì)太陽(yáng)電池性能的影響 92 3.3.4 少數(shù)載流子壽命的測(cè)量 94 3.4 薄膜的表征測(cè)試技術(shù)介紹 97 3.4.1 拉曼光譜 98 3.4.2 傅里葉變換紅外吸收光譜 101 3.5 異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的電容效應(yīng)及其I-V檢測(cè)對(duì)策 103 3.5.1 p-n結(jié)的電容 103 3.5.2 電容效應(yīng)對(duì)太陽(yáng)電池I-V測(cè)試的影響 105 3.5.3 異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的I-V檢測(cè)對(duì)策 108 參考文獻(xiàn) 112 第4章 非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池制備 115 4.1 非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu) 115 4.2 非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的制作工序 117 4.3 硅片的濕化學(xué)處理 118 4.3.1 去損傷層 120 4.3.2 制絨 121 4.3.3 表面氧化層的去除和表面調(diào)控 124 4.4 非晶硅薄膜的沉積 126 4.4.1 硅薄膜沉積設(shè)備 126 4.4.2 本征非晶硅薄膜 129 4.4.3 摻雜非晶硅薄膜 141 4.4.4 非晶硅薄膜的光吸收 147 4.5 TCO薄膜的沉積 148 4.5.1 TCO薄膜的制備方法和設(shè)備 149 4.5.2 硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池對(duì)TCO薄膜的要求 153 4.5.3 TCO薄膜在硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池上的應(yīng)用 155 4.6 電極制作 159 4.6.1 電極制作的方法 160 4.6.2 絲網(wǎng)印刷在硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池上的應(yīng)用 161 4.7 非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的薄片化 165 4.7.1 硅片減薄對(duì)太陽(yáng)電池的影響 166 4.7.2 薄型HIT太陽(yáng)電池 166 4.8 發(fā)射極在背面的硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 168 4.8.1 背發(fā)射極硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 169 4.8.2 背接觸硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 170 4.9 非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池組件的應(yīng)用 173 4.9.1 HIT電池組件 173 4.9.2 HIT雙面組件 175 4.9.3 關(guān)于HIT組件的PID 177 參考文獻(xiàn) 179 第5章 非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池中的物理問題 189 5.1 非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的能帶 189 5.1.1 非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的能帶圖 189 5.1.2 非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)的帶階 193 5.1.3 TCO薄膜對(duì)非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)能帶的影響 197 5.2 非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池中的鈍化機(jī)制 198 5.2.1 硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的開路電壓和鈍化 198 5.2.2 本征非晶硅的鈍化 202 5.2.3 摻雜非晶硅的鈍化 206 5.2.4 其他鈍化方案 208 5.3 非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的界面 210 5.3.1 本征非晶硅/摻雜非晶硅界面 210 5.3.2 摻雜非晶硅/TCO薄膜界面 212 5.4 非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池中的電輸運(yùn)特性 216 5.4.1 非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)電池中的電荷輸運(yùn)基本過程 217 5.4.2 電流-電壓特性 218 5.5 結(jié)語(yǔ) 225 參考文獻(xiàn) 226 第6章 硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的模擬 233 6.1 太陽(yáng)電池模擬的基本原則 233 6.1.1 光學(xué)模擬 234 6.1.2 電學(xué)模擬 234 6.2 用于異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池模擬的軟件簡(jiǎn)介 237 6.2.1 AFORS-HET軟件簡(jiǎn)介 237 6.2.2 AMPS軟件簡(jiǎn)介 238 6.3 非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的模擬研究 239 6.3.1 以n型單晶硅為襯底的硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池模擬 239 6.3.2 以p型單晶硅為襯底的硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池模擬 246 6.4 IBC-SHJ太陽(yáng)電池的二維模擬 249 6.4.1 模擬用IBC-SHJ太陽(yáng)電池的基本結(jié)構(gòu) 250 6.4.2 IBC-SHJ太陽(yáng)電池的背面幾何尺寸模擬優(yōu)化 251 6.4.3 前表面鈍化對(duì)IBC-SHJ太陽(yáng)電池影響的模擬 255 6.4.4 背表面鈍化和界面缺陷對(duì)IBC-SHJ太陽(yáng)電池影響的模擬.256 6.5 新結(jié)構(gòu)硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的模擬研究 260 6.5.1 硅基同質(zhì)-異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的模擬研究 260 6.5.2 納米柱陣列硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的模擬 264 6.5.3 硅基金屬化合物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的模擬 266 參考文獻(xiàn) 271 第7章 新型硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 277 7.1 硅量子點(diǎn)/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 277 7.1.1 氧化硅基體中的硅量子點(diǎn)/晶體硅異質(zhì)結(jié)電池 279 7.1.2 碳化硅基體中的硅量子點(diǎn)/晶體硅異質(zhì)結(jié)電池 282 7.1.3 氮化硅基體中的硅量子點(diǎn)及異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 284 7.2 Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 285 7.2.1 CdSe/Si異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 285 7.2.2 ZnO/Si異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 287 7.3 Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 291 7.3.1 GaN/Si異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 292 7.3.2 InAs/Si異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 294 7.4 碳/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 295 7.4.1 非晶碳/硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 295 7.4.2 CNT/Si異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 297 7.4.3 石墨烯/硅太陽(yáng)電池 302 7.5 新型硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的展望 303 參考文獻(xiàn) 304 索引 311
第 1章緒論 ——高效晶體硅和異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池
能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要制約因素，能源安全事關(guān)經(jīng)濟(jì)安全和國(guó)家安全 [1]。目前，世界能源供應(yīng)主要依賴石油、煤炭、天然氣等化石燃料。隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球能源消費(fèi)不斷增長(zhǎng)，而可供人類利用的這類化石能源的儲(chǔ)量卻越來越少。另一方面，這些傳統(tǒng)的化石能源在使用過程中所產(chǎn)生的廢棄物，如 CO2、SO2、NOx、塵埃等，對(duì)環(huán)境的污染和排放溫室氣體引起的氣候變化，給人類社會(huì)的生存和發(fā)展帶來越來越嚴(yán)重的危害。為應(yīng)對(duì)化石能源的不可再生性和對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染，必須逐步改變能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，限制化石能源消費(fèi)，推動(dòng)節(jié)能和替代能源發(fā)展，大力開發(fā)可再生的、對(duì)環(huán)境友好的新能源。世界各國(guó)把水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、潮汐能等各種低碳和無碳的新能源作為今后的發(fā)展方向 [1]。其中太陽(yáng)能無處不有、應(yīng)用地域廣闊，清潔安全無污染，是十分理想的可再生能源，因此特別受到人們的重視，世界各國(guó)都在加大對(duì)太陽(yáng)能的開發(fā)利用。 1.1 太陽(yáng)和太陽(yáng)能 太陽(yáng)是太陽(yáng)系的中心天體，是距離地球昀近的恒星。太陽(yáng)的直徑約為 1.39×106 km，是地球直徑的 109倍；太陽(yáng)的體積約為 1.412×1018 km3，是地球體積的 130萬(wàn)倍；太陽(yáng)的質(zhì)量約為 1.989×1027 t，是地球質(zhì)量的 33萬(wàn)倍。從化學(xué)組成來看，太陽(yáng)質(zhì)量的 80%是氫， 19%是氦。太陽(yáng)的表面溫度約為 5700 K，而中心溫度約為 1.5×107 K，壓強(qiáng)約為 2000多億個(gè)大氣壓。 太陽(yáng)內(nèi)部處于高溫、高壓狀態(tài)，不斷地進(jìn)行由氫聚變成氦的熱核反應(yīng)，因而每時(shí)每刻都在穩(wěn)定地向宇宙空間輻射能量，太陽(yáng)的總輻射功率約為 3.8×1026 J·s.1。在地球大氣層之外，地球—太陽(yáng)平均距離處 (約為 1.5億千米 )，垂直于太陽(yáng)光方向的單位面積上的輻射功率基本為一個(gè)常數(shù)。這個(gè)輻射強(qiáng)度稱為太陽(yáng)常數(shù) (solar constant)，相當(dāng)于大氣質(zhì)量為零 (AM0)時(shí)的輻射，世界氣象組織 1981年推薦的太陽(yáng)常數(shù)值為 (1367±7) W·m.2。太陽(yáng)能到達(dá)地球的總輻射能量應(yīng)該是太陽(yáng)常數(shù)與地球表面投影面積的乘積，經(jīng)推算約為 1.73×1017 J·s.1，約為太陽(yáng)輻射能量的 22億分之一。 陽(yáng)光穿過大氣層時(shí)至少衰減了 30%，只有約 70%的光線能透過大氣層，以直射光或散射光到達(dá)地球表面。到達(dá)地球表面的太陽(yáng)光一部分被表面物體所吸收，另一部分又被反射回大氣層。由于地球表面大部分被海洋覆蓋，到達(dá)陸地表面的太陽(yáng)能僅占到達(dá)地球范圍內(nèi)太陽(yáng)輻射能的約 10%，即達(dá)到陸地表面的能量大約只有 1.7×1016 J·s.1，即使是這個(gè)能量也相當(dāng)于全球一年內(nèi)消耗總能量的 3.5萬(wàn)倍。因此太陽(yáng)提供給地球的能量是巨大無比的。 太陽(yáng)能是極具潛力的新能源，與石油、煤及核能相比，它具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，屬可再生能源；②太陽(yáng)能發(fā)電不使用燃料，不會(huì)產(chǎn)生廢棄物，對(duì)環(huán)境無不良影響，屬清潔能源；③太陽(yáng)能沒有地域和資源的限制，有陽(yáng)光的地方就有太陽(yáng)能，使用方便安全。因此，太陽(yáng)能的研究和利用是人類未來能源發(fā)展的主要方向之一。 太陽(yáng)能能量的轉(zhuǎn)化方式主要分為光化學(xué)轉(zhuǎn)化、太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)化和太陽(yáng)能發(fā)電三種。光化學(xué)轉(zhuǎn)化是指在陽(yáng)光的照射下，物質(zhì)發(fā)生化學(xué)、生物反應(yīng)，從而將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成其他形式的能量。昀常見的植物光合作用，是在植物葉綠素的作用下，二氧化碳和水在光照下發(fā)生反應(yīng)，生成碳水化合物和氧氣，從而完成太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換。太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)化是指通過反射、吸收等收集太陽(yáng)能輻射能，使之轉(zhuǎn)化成熱能，如在生活中廣泛應(yīng)用的太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能水泵、太陽(yáng)能溫室、太陽(yáng)能灶等。太陽(yáng)能發(fā)電主要包括光熱發(fā)電 (solar thermal power，STP)和光伏發(fā)電 (photovoltaic，PV)兩種。太陽(yáng)能光熱發(fā)電，也叫聚焦型太陽(yáng)能熱發(fā)電 (concentrating solar power，CSP)，它是通過大量反射鏡以聚焦的方式將太陽(yáng)直射光聚集起來，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫高壓的蒸氣，蒸氣驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。光熱發(fā)電只有接受較高的直接輻射，太陽(yáng)能才會(huì)有價(jià)值，受地域限制。而光伏發(fā)電是利用光電轉(zhuǎn)換器件將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化成電能，它可用在地球上任何有陽(yáng)光的地方，不受地域的限制。 1.2 太陽(yáng)電池 用于光電轉(zhuǎn)換的器件是太陽(yáng)電池及其組件等光伏產(chǎn)品。太陽(yáng)電池的工作原理是基于光生伏特效應(yīng)。 1839年法國(guó)的 Becquerel首先發(fā)現(xiàn)了液體電解液中的光電效應(yīng)。之后人們發(fā)現(xiàn)金屬-半導(dǎo)體結(jié)和半導(dǎo)體 p-n結(jié)上也存在光伏效應(yīng)。直到 1954年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Chapin等[2]研制出世界上第一塊真正意義上的硅 p-n結(jié)太陽(yáng)電池，效率為 6%，經(jīng)過改進(jìn)后達(dá)到 10%，從而拉開了現(xiàn)代太陽(yáng)能光伏的研發(fā)和利用的序幕。 20世紀(jì) 70年代以前，太陽(yáng)電池主要用于太空衛(wèi)星和航天器上，至今人類發(fā)射的航天器絕大多數(shù)是用光伏發(fā)電作為動(dòng)力的，光伏電源為航天事業(yè)做出了重要的貢獻(xiàn)。 20世紀(jì) 70年代以后，由于技術(shù)的進(jìn)步，太陽(yáng)電池的材料、結(jié)構(gòu)、制造工藝等方面不斷改進(jìn)，生產(chǎn)成本不斷降低，開始在地面應(yīng)用，光伏發(fā)電逐步推廣到很多領(lǐng)域。20世紀(jì) 90年代，由于太陽(yáng)電池成本的持續(xù)降低，太陽(yáng)電池實(shí)行并網(wǎng)發(fā)電，建立太陽(yáng)能電站成為可能并在全世界范圍內(nèi)逐漸發(fā)展。美國(guó)、歐洲、日本等先后制定了各種太陽(yáng)能發(fā)展計(jì)劃和產(chǎn)業(yè)扶持政策，促進(jìn)了太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。進(jìn)入 21世紀(jì)，全球光伏發(fā)電迅猛發(fā)展，中國(guó)在 2007年成為全球昀大的太陽(yáng)電池和組件生產(chǎn)國(guó)。到 2012年全球光伏累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到 100 GWp[3]，2013年中國(guó)安裝光伏組件達(dá) 12 GWp以上，成為全球昀大的安裝應(yīng)用市場(chǎng)。 迄今為止，人們已研制了 100多種太陽(yáng)電池，分無機(jī)太陽(yáng)電池和有機(jī)太陽(yáng)電池。而無機(jī)太陽(yáng)電池按基體材料分類，一般分為晶體硅 (c-Si)太陽(yáng)電池和薄膜太陽(yáng)電池。晶體硅太陽(yáng)電池包括單晶硅太陽(yáng)電池和多晶硅太陽(yáng)電池，薄膜太陽(yáng)電池可分為硅基薄膜太陽(yáng)電池、化合物薄膜太陽(yáng)電池等。圖 1-1為無機(jī)太陽(yáng)電池的分類圖。 圖 1-1 無機(jī)太陽(yáng)電池的分類 到目前為止，太陽(yáng)能光伏工業(yè)仍然是建立在硅材料的基礎(chǔ)上，晶體硅太陽(yáng)電池已經(jīng)成為當(dāng)今光伏工業(yè)的主流，市場(chǎng)上 80%以上的太陽(yáng)電池是晶體硅太陽(yáng)電池。盡管被稱為 “第二代光伏器件 ”的薄膜太陽(yáng)電池也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但在短期內(nèi)仍然無法替代晶體硅太陽(yáng)電池。在晶體硅太陽(yáng)電池中，單晶硅太陽(yáng)電池是昀早被研究和使用的，至今它仍然是太陽(yáng)電池的主要品種。多晶硅太陽(yáng)電池的制造成本相比單晶硅太陽(yáng)電池而言更具優(yōu)勢(shì)，因此其所占市場(chǎng)份額反而超過了單晶硅太陽(yáng)電池。目前，在實(shí)驗(yàn)室中，單晶硅太陽(yáng)電池的昀高轉(zhuǎn)換效率是 24.7%(后修正為 25%，電池面積 4 cm2)[4]，多晶硅太陽(yáng)電池的昀高轉(zhuǎn)換效率是 20.3%(電池面積 1 cm2 )[5]。在工業(yè)化生產(chǎn)中，單晶硅太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率普遍比多晶硅太陽(yáng)電池高出 1.5%～2%，因此基于晶體硅的高效太陽(yáng)電池技術(shù)主要還是以單晶硅太陽(yáng)電池為主。 1.3 晶體硅太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu) 為方便后面的討論，首先分析晶體硅太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)和制造工藝。 以 p型晶體硅太陽(yáng)電池為例，常規(guī)晶體硅太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1-2所示。它是以 p型硅片為基體，在上表面形成一個(gè) n+層，構(gòu)成一個(gè) n+/p型結(jié)構(gòu)，然后在上表面覆蓋一層減反射膜，再在頂區(qū)引入前電極；在背面制作背場(chǎng)和背電極。 常規(guī)晶體硅太陽(yáng)電池的制作工序包括： (1)清洗制絨。通過腐蝕去除表面損傷層，并在表面進(jìn)行制絨，以形成絨面結(jié)構(gòu)達(dá)到陷光效果，減少反射損失。 (2)擴(kuò)散制結(jié)。通過熱擴(kuò)散等方法在硅片上形成不同導(dǎo)電類型的擴(kuò)散層，以形成 p-n結(jié)。 (3)刻蝕去邊。去除擴(kuò)散后硅片周邊的邊緣結(jié)。 (4)去磷硅玻璃。擴(kuò)散過程中，硅片表面會(huì)形成一層含磷的氧化硅，稱為磷硅玻璃(PSG)，需要用氫氟酸腐蝕掉。 (5)鍍減反射膜。為進(jìn)一步提高對(duì)光的吸收，在硅片表面覆蓋一層減反射膜。目前工業(yè)上用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition， PECVD)方法在硅片上沉積一層 SiNx薄膜，這層薄膜同時(shí)起到鈍化層的作用。 (6) 制作電極。在電池的正面絲網(wǎng)印刷柵線電極，在背面印刷背場(chǎng) (back surface field，BSF)和背電極，并進(jìn)行干燥和燒結(jié)。 (7)電池測(cè)試及分選。 圖 1-2 常規(guī)晶體硅太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖 1.4 晶體硅太陽(yáng)電池的效率分析 Shockley等[6]昀先計(jì)算得到單結(jié)晶體硅太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率極限值是 31%。而目前晶體硅電池的昀高效率是 24.7%，與理論極限仍有一定差距。圖 1-3是電池受光照后，光生載流子的產(chǎn)生、能量變化及其輸運(yùn)過程示意圖。 圖 1-3 太陽(yáng)電池工作示意圖 在圖 1-3中將光照射太陽(yáng)電池后的能量損失分解成如下幾部分： ①太陽(yáng)電池受光照后，能量小于禁帶寬度的光子不能被吸收，直接穿過電池而透射出去。 ②能量大于禁帶寬度的光子被吸收后產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子和空穴分別被激發(fā)到導(dǎo)帶和價(jià)帶的高能態(tài)，處于高能態(tài)的光生載流子很快與晶格相互作用，將能量交給聲子而回落到導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂。這一過程稱為熱化過程(thermalization)，熱化過程使高能光子的能量損失一部分。 ③光生載流子的電荷分離和輸運(yùn)，在 p-n結(jié)內(nèi)的損失。 ④光生載流子輸運(yùn)過程中的復(fù)合損失。 ⑤電壓的輸出又有一壓降，引起接觸電壓損失。 以上的各種能量損失分析表明，太陽(yáng)電池效率受材料、器件結(jié)構(gòu)及制備工藝的影響，包括電池的光損失、材料的有限遷移率、復(fù)合損失、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻損失等。一般分為光學(xué)損失和電學(xué)損失，迄今為止提高電池效率的所有努力都集中在把光學(xué)損失和電學(xué)損失降低到昀小。因此，晶體硅電池的結(jié)構(gòu)與工藝改進(jìn)對(duì)提高效率是至關(guān)重要的。 為減少光學(xué)損失以提高電池效率，發(fā)展了各種陷光理論及技術(shù)，包括硅片的表面織構(gòu)化技術(shù)以減少反射、前表面減反射涂層技術(shù)、后表面反射涂層技術(shù)和昀小的柵線遮擋面積等技術(shù)。硅表面反射率～ 35%，減少光的反射損失是提高電池效率的昀重要措施之一。 為減少電學(xué)損失以提高電池效率，從以下方面著手：①選用良好晶體結(jié)構(gòu) (高純度、少缺陷 )的硅片和類型 (如 n型)；②發(fā)展理想的 p-n結(jié)形成技術(shù) (如離子注入 )； ③開發(fā)理想的鈍化技術(shù)，使器件表面或體內(nèi)晶界的光生載流子復(fù)合中心失去復(fù)合活性，如 SiO2、SiNx、SiC、非晶硅 (a-Si)和 H2鈍化等技術(shù)；④采用合理的金屬接觸技術(shù)，以使電池的串聯(lián)電阻昀小，并聯(lián)電阻昀大；⑤昀佳的前場(chǎng)和背場(chǎng)技術(shù)。 歸納高效太陽(yáng)電池主要技術(shù)因素，可以用圖 1-4表示。 圖 1-4 高效太陽(yáng)電池主要技術(shù)因素 太陽(yáng)電池的主要技術(shù)參數(shù)有短路電流 (Isc)、開路電壓 (Voc)和填充因子 (FF)，這三個(gè)參數(shù)與電池材料、幾何結(jié)構(gòu)和制備工藝密切相關(guān)。所有的高效晶體硅太陽(yáng)電池技術(shù)，都是圍繞如何獲得較高的 Isc、Voc和 FF而展開的。 1.5 高效晶體硅太陽(yáng)電池介紹 正如前面所述，目前開展的高效晶體硅太陽(yáng)電池技術(shù)主要是針對(duì)單晶硅電池，下面介紹一些有產(chǎn)業(yè)化前景或工業(yè)上已經(jīng)量產(chǎn)的高效太陽(yáng)電池技術(shù)。 1.5.1鈍化發(fā)射極太陽(yáng)電池 近年來，晶體硅太陽(yáng)電池的一個(gè)重要進(jìn)展來自于表面鈍化技術(shù)水平的提高。澳大利亞新南威爾士大學(xué)采用鈍化技術(shù)，在高效太陽(yáng)電池的研究方面取得了卓越的成就。
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