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內容簡介

矽基異質結太陽電池物理與器件在分析當今高效晶體矽太陽電池技術的基礎上引齣矽基異質結太陽電池，是一本全麵反映矽基異質結太陽電池研究和技術進展的著作。矽基異質結太陽電池物理與器件首先簡要介紹瞭半導體異質結基本知識和異質結太陽電池的錶徵與測試手段，然後係統闡述瞭非晶矽/晶體矽異質結太陽電池的製造工藝與技術、涉及的基本物理問題和模擬研究情況，最後綜述瞭新型無機物矽基異質結太陽電池的研究進展。

目錄

目錄
序前言第 1章緒論——高效晶體矽和異質結太陽電池 1
1.1 太陽和太陽能 1

1.2 太陽電池 2

1.3 晶體矽太陽電池的結構 4

1.4 晶體矽太陽電池的效率分析 5

1.5 高效晶體矽太陽電池介紹 6

1.5.1 鈍化發射極太陽電池 6

1.5.2 氧化鋁鈍化的太陽電池 10

1.5.3 選擇性發射極太陽電池 12

1.5.4 MWT太陽電池 18

1.5.5 n型晶體矽太陽電池 20

1.5.6 IBC太陽電池 24

1.6 非晶矽/晶體矽異質結太陽電池 28

1.6.1 HIT太陽電池的結構與特點 29

1.6.2 獲得高效率 HIT太陽電池的方法 31

1.6.3 HIT太陽電池的效率進展 32

1.6.4 非晶矽 /晶體矽異質結太陽電池的其他單位研發情況 33

1.7 本書的安排 36
參考文獻 37
第 2章半導體異質結基本知識 44

2.1 異質結基本概念 44

2.1.1 理想異質結的能帶圖 44

2.1.2 反型異質結的主要公式 46

2.1.3 異質結中的界麵態 48

2.1.4 有界麵態的異質結能帶圖 50

2.2 異質結的伏安特性 51

2.2.1 尖峰勢壘高度的影響因素 52

2.2.2 理想突變異質結的伏安特性 53

2.2.3 有界麵態的異質結的伏安特性 59

2.3 異質結的注入特性 62

2.3.1 高注入特性 62

2.3.2 超注入特性 63

2.4 異質結的光電特性 64

2.4.1 反型異質結的光伏特性 65

2.4.2 反型異質結的光電流和光譜響應 66

2.5 晶體矽和非晶矽薄膜的基本物理參數 72
參考文獻 74
第 3章與異質結太陽電池相關的錶徵與測試 75

3.1 太陽電池的基本錶徵參數 75

3.1.1 太陽電池等效電路 75

3.1.2 太陽電池的基本參數 78

3.1.3 非晶矽 /晶體矽異質結太陽電池的 I-V麯綫 81

3.1.4 太陽電池的溫度係數 81

3.1.5 太陽電池的標準測試條件 83

3.2 太陽電池的光譜響應和量子效率 84

3.2.1 光譜響應 84

3.2.2 量子效率 85

3.3 少數載流子壽命及其測量 88

3.3.1 非平衡少數載流子 88

3.3.2 少數載流子壽命 89

3.3.3 少數載流子壽命對太陽電池性能的影響 92

3.3.4 少數載流子壽命的測量 94

3.4 薄膜的錶徵測試技術介紹 97

3.4.1 拉曼光譜 98

3.4.2 傅裏葉變換紅外吸收光譜 101

3.5 異質結太陽電池的電容效應及其 I-V檢測對策 103

3.5.1 p-n結的電容 103

3.5.2 電容效應對太陽電池 I-V測試的影響 105

3.5.3 異質結太陽電池的 I-V檢測對策 108

參考文獻 112
第 4章非晶矽 /晶體矽異質結太陽電池製備 115

4.1 非晶矽/晶體矽異質結太陽電池的結構 115

4.2 非晶矽/晶體矽異質結太陽電池的製作工序 117

4.3 矽片的濕化學處理 118

4.3.1 去損傷層 120

4.3.2 製絨 121

4.3.3 錶麵氧化層的去除和錶麵調控 124

4.4 非晶矽薄膜的沉積 126

4.4.1 矽薄膜沉積設備 126

4.4.2 本徵非晶矽薄膜 129

4.4.3 摻雜非晶矽薄膜 141

4.4.4 非晶矽薄膜的光吸收 147

4.5 TCO薄膜的沉積 148

4.5.1 TCO薄膜的製備方法和設備 149

4.5.2 矽異質結太陽電池對 TCO薄膜的要求 153

4.5.3 TCO薄膜在矽異質結太陽電池上的應用 155

4.6 電極製作 159

4.6.1 電極製作的方法 160

4.6.2 絲網印刷在矽異質結太陽電池上的應用 161

4.7 非晶矽/晶體矽異質結太陽電池的薄片化 165

4.7.1 矽片減薄對太陽電池的影響 166

4.7.2 薄型 HIT太陽電池 166

4.8 發射極在背麵的矽異質結太陽電池 168

4.8.1 背發射極矽異質結太陽電池 169

4.8.2 背接觸矽異質結太陽電池 170

4.9 非晶矽/晶體矽異質結太陽電池組件的應用 173

4.9.1 HIT電池組件 173

4.9.2 HIT雙麵組件 175

4.9.3 關於 HIT組件的 PID 177
參考文獻 179
第 5章非晶矽 /晶體矽異質結太陽電池中的物理問題 189

5.1 非晶矽/晶體矽異質結太陽電池的能帶 189

5.1.1 非晶矽 /晶體矽異質結太陽電池的能帶圖 189

5.1.2 非晶矽 /晶體矽異質結的帶階 193

5.1.3 TCO薄膜對非晶矽 /晶體矽異質結能帶的影響 197

5.2 非晶矽/晶體矽異質結太陽電池中的鈍化機製 198

5.2.1 矽異質結太陽電池的開路電壓和鈍化 198

5.2.2 本徵非晶矽的鈍化 202

5.2.3 摻雜非晶矽的鈍化 206

5.2.4 其他鈍化方案 208

5.3 非晶矽/晶體矽異質結太陽電池的界麵 210

5.3.1 本徵非晶矽 /摻雜非晶矽界麵 210

5.3.2 摻雜非晶矽 /TCO薄膜界麵 212

5.4 非晶矽/晶體矽異質結太陽電池中的電輸運特性 216

5.4.1 非晶矽 /晶體矽異質結電池中的電荷輸運基本過程 217

5.4.2 電流-電壓特性 218

5.5 結語 225
參考文獻 226
第 6章矽基異質結太陽電池的模擬 233

6.1 太陽電池模擬的基本原則 233

6.1.1 光學模擬 234

6.1.2 電學模擬 234

6.2 用於異質結太陽電池模擬的軟件簡介 237

6.2.1 AFORS-HET軟件簡介 237

6.2.2 AMPS軟件簡介 238

6.3 非晶矽/晶體矽異質結太陽電池的模擬研究 239

6.3.1 以 n型單晶矽為襯底的矽異質結太陽電池模擬 239

6.3.2 以 p型單晶矽為襯底的矽異質結太陽電池模擬 246

6.4 IBC-SHJ太陽電池的二維模擬 249

6.4.1 模擬用 IBC-SHJ太陽電池的基本結構 250

6.4.2 IBC-SHJ太陽電池的背麵幾何尺寸模擬優化 251

6.4.3 前錶麵鈍化對 IBC-SHJ太陽電池影響的模擬 255

6.4.4 背錶麵鈍化和界麵缺陷對 IBC-SHJ太陽電池影響的模擬 256

6.5 新結構矽基異質結太陽電池的模擬研究 260

6.5.1 矽基同質-異質結太陽電池的模擬研究 260

6.5.2 納米柱陣列矽異質結太陽電池的模擬 264

6.5.3 矽基金屬化閤物半導體異質結太陽電池的模擬 266
參考文獻 271
第 7章新型矽基異質結太陽電池 277

7.1 矽量子點/晶體矽異質結太陽電池 277

7.1.1 氧化矽基體中的矽量子點 /晶體矽異質結電池 279

7.1.2 碳化矽基體中的矽量子點 /晶體矽異質結電池 282

7.1.3 氮化矽基體中的矽量子點及異質結太陽電池 284

7.2 Ⅱ-Ⅵ族半導體 /晶體矽異質結太陽電池 285

7.2.1 CdSe/Si異質結太陽電池 285

7.2.2 ZnO/Si異質結太陽電池 287

7.3 Ⅲ-Ⅴ族半導體 /晶體矽異質結太陽電池 291

7.3.1 GaN/Si異質結太陽電池 292

7.3.2 InAs/Si異質結太陽電池 294

7.4 碳/晶體矽異質結太陽電池 295

7.4.1 非晶碳 /矽異質結太陽電池 295

7.4.2 CNT/Si異質結太陽電池 297

7.4.3 石墨烯 /矽太陽電池 302

7.5 新型矽基異質結太陽電池的展望 303
參考文獻 304
索引 311

精彩書摘

第 1章緒論 ——高效晶體矽和異質結太陽電池
能源是人類社會賴以生存和發展的重要物質基礎，也是經濟社會發展的重要製約因素，能源安全事關經濟安全和國傢安全 [1]。目前，世界能源供應主要依賴石油、煤炭、天然氣等化石燃料。隨著社會的進步和經濟的發展，全球能源消費不斷增長，而可供人類利用的這類化石能源的儲量卻越來越少。另一方麵，這些傳統的化石能源在使用過程中所産生的廢棄物，如 CO2、SO2、NOx、塵埃等，對環境的汙染和排放溫室氣體引起的氣候變化，給人類社會的生存和發展帶來越來越嚴重的危害。為應對化石能源的不可再生性和對環境的嚴重汙染，必須逐步改變能源消費結構，限製化石能源消費，推動節能和替代能源發展，大力開發可再生的、對環境友好的新能源。世界各國把水能、風能、太陽能、生物質能、潮汐能等各種低碳和無碳的新能源作為今後的發展方嚮 [1]。其中太陽能無處不有、應用地域廣闊，清潔安全無汙染，是十分理想的可再生能源，因此特彆受到人們的重視，世界各國都在加大對太陽能的開發利用。
1.1 太陽和太陽能
太陽是太陽係的中心天體，是距離地球昀近的恒星。太陽的直徑約為 1.39×106 km，是地球直徑的 109倍；太陽的體積約為 1.412×1018 km3，是地球體積的 130萬倍；太陽的質量約為 1.989×1027 t，是地球質量的 33萬倍。從化學組成來看，太陽質量的 80%是氫， 19%是氦。太陽的錶麵溫度約為 5700 K，而中心溫度約為 1.5×107 K，壓強約為 2000多億個大氣壓。
太陽內部處於高溫、高壓狀態，不斷地進行由氫聚變成氦的熱核反應，因而每時每刻都在穩定地嚮宇宙空間輻射能量，太陽的總輻射功率約為 3.8×1026 J·s.1。在地球大氣層之外，地球—太陽平均距離處 (約為 1.5億韆米 )，垂直於太陽光方嚮的單位麵積上的輻射功率基本為一個常數。這個輻射強度稱為太陽常數 (solar constant)，相當於大氣質量為零 (AM0)時的輻射，世界氣象組織 1981年推薦的太陽常數值為 (1367±7) W·m.2。太陽能到達地球的總輻射能量應該是太陽常數與地球錶麵投影麵積的乘積，經推算約為 1.73×1017 J·s.1，約為太陽輻射能量的 22億分之一。
陽光穿過大氣層時至少衰減瞭 30%，隻有約 70%的光綫能透過大氣層，以直射光或散射光到達地球錶麵。到達地球錶麵的太陽光一部分被錶麵物體所吸收，另一部分又被反射迴大氣層。由於地球錶麵大部分被海洋覆蓋，到達陸地錶麵的太陽能僅占到達地球範圍內太陽輻射能的約 10%，即達到陸地錶麵的能量大約隻有 1.7×1016 J·s.1，即使是這個能量也相當於全球一年內消耗總能量的 3.5萬倍。因此太陽提供給地球的能量是巨大無比的。
太陽能是極具潛力的新能源，與石油、煤及核能相比，它具有獨特的優點：①太陽能取之不盡，用之不竭，屬可再生能源；②太陽能發電不使用燃料，不會産生廢棄物，對環境無不良影響，屬清潔能源；③太陽能沒有地域和資源的限製，有陽光的地方就有太陽能，使用方便安全。因此，太陽能的研究和利用是人類未來能源發展的主要方嚮之一。
太陽能能量的轉化方式主要分為光化學轉化、太陽能光熱轉化和太陽能發電三種。光化學轉化是指在陽光的照射下，物質發生化學、生物反應，從而將太陽能轉化成其他形式的能量。昀常見的植物光閤作用，是在植物葉綠素的作用下，二氧化碳和水在光照下發生反應，生成碳水化閤物和氧氣，從而完成太陽能的轉換。太陽能光熱轉化是指通過反射、吸收等收集太陽能輻射能，使之轉化成熱能，如在生活中廣泛應用的太陽能熱水器、太陽能水泵、太陽能溫室、太陽能竈等。太陽能發電主要包括光熱發電 (solar thermal power，STP)和光伏發電 (photovoltaic，PV)兩種。太陽能光熱發電，也叫聚焦型太陽能熱發電 (concentrating solar power，CSP)，它是通過大量反射鏡以聚焦的方式將太陽直射光聚集起來，加熱工質，産生高溫高壓的蒸氣，蒸氣驅動汽輪機發電。光熱發電隻有接受較高的直接輻射，太陽能纔會有價值，受地域限製。而光伏發電是利用光電轉換器件將太陽能直接轉化成電能，它可用在地球上任何有陽光的地方，不受地域的限製。
1.2 太陽電池
用於光電轉換的器件是太陽電池及其組件等光伏産品。太陽電池的工作原理是基於光生伏特效應。 1839年法國的 Becquerel首先發現瞭液體電解液中的光電效應。之後人們發現金屬-半導體結和半導體 p-n結上也存在光伏效應。直到 1954年美國貝爾實驗室的 Chapin等[2]研製齣世界上第一塊真正意義上的矽 p-n結太陽電池，效率為 6%，經過改進後達到 10%，從而拉開瞭現代太陽能光伏的研發和利用的序幕。 20世紀 70年代以前，太陽電池主要用於太空衛星和航天器上，至今人類發射的航天器絕大多數是用光伏發電作為動力的，光伏電源為航天事業做齣瞭重要的貢獻。 20世紀 70年代以後，由於技術的進步，太陽電池的材料、結構、製造工藝等方麵不斷改進，生産成本不斷降低，開始在地麵應用，光伏發電逐步推廣到很多領域。20世紀 90年代，由於太陽電池成本的持續降低，太陽電池實行並網發電，建立太陽能電站成為可能並在全世界範圍內逐漸發展。美國、歐洲、日本等先後製定瞭各種太陽能發展計劃和産業扶持政策，促進瞭太陽能光伏産業的發展。進入 21世紀，全球光伏發電迅猛發展，中國在 2007年成為全球昀大的太陽電池和組件生産國。到 2012年全球光伏纍計裝機容量達到 100 GWp[3]，2013年中國安裝光伏組件達 12 GWp以上，成為全球昀大的安裝應用市場。
迄今為止，人們已研製瞭 100多種太陽電池，分無機太陽電池和有機太陽電池。而無機太陽電池按基體材料分類，一般分為晶體矽 (c-Si)太陽電池和薄膜太陽電池。晶體矽太陽電池包括單晶矽太陽電池和多晶矽太陽電池，薄膜太陽電池可分為矽基薄膜太陽電池、化閤物薄膜太陽電池等。圖 1-1為無機太陽電池的分類圖。

圖 1-1 無機太陽電池的分類
到目前為止，太陽能光伏工業仍然是建立在矽材料的基礎上，晶體矽太陽電池已經成為當今光伏工業的主流，市場上 80%以上的太陽電池是晶體矽太陽電池。盡管被稱為 “第二代光伏器件 ”的薄膜太陽電池也取得瞭長足的進展，但在短期內仍然無法替代晶體矽太陽電池。在晶體矽太陽電池中，單晶矽太陽電池是昀早被研究和使用的，至今它仍然是太陽電池的主要品種。多晶矽太陽電池的製造成本相比單晶矽太陽電池而言更具優勢，因此其所占市場份額反而超過瞭單晶矽太陽電池。目前，在實驗室中，單晶矽太陽電池的昀高轉換效率是 24.7%(後修正為 25%，電池麵積 4 cm2)[4]，多晶矽太陽電池的昀高轉換效率是 20.3%(電池麵積 1 cm2 )[5]。在工業化生産中，單晶矽太陽電池的轉換效率普遍比多晶矽太陽電池高齣 1.5%～2%，因此基於晶體矽的高效太陽電池技術主要還是以單晶矽太陽電池為主。


1.3 晶體矽太陽電池的結構
為方便後麵的討論，首先分析晶體矽太陽電池的結構和製造工藝。
以 p型晶體矽太陽電池為例，常規晶體矽太陽電池的結構示意圖如圖 1-2所示。它是以 p型矽片為基體，在上錶麵形成一個 n+層，構成一個 n+/p型結構，然後在上錶麵覆蓋一層減反射膜，再在頂區引入前電極；在背麵製作背場和背電極。
常規晶體矽太陽電池的製作工序包括：
(1)清洗製絨。通過腐蝕去除錶麵損傷層，並在錶麵進行製絨，以形成絨麵結構達到陷光效果，減少反射損失。

(2)擴散製結。通過熱擴散等方法在矽片上形成不同導電類型的擴散層，以形成 p-n結。

(3)刻蝕去邊。去除擴散後矽片周邊的邊緣結。

(4)去磷矽玻璃。擴散過程中，矽片錶麵會形成一層含磷的氧化矽，稱為磷矽玻璃(PSG)，需要用氫氟酸腐蝕掉。

(5)鍍減反射膜。為進一步提高對光的吸收，在矽片錶麵覆蓋一層減反射膜。目前工業上用等離子體增強化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition， PECVD)方法在矽片上沉積一層 SiNx薄膜，這層薄膜同時起到鈍化層的作用。

(6) 製作電極。在電池的正麵絲網印刷柵綫電極，在背麵印刷背場 (back surface field，BSF)和背電極，並進行乾燥和燒結。


(7)電池測試及分選。

圖 1-2 常規晶體矽太陽電池結構示意圖

1.4 晶體矽太陽電池的效率分析
Shockley等[6]昀先計算得到單結晶體矽太陽電池的轉換效率極限值是 31%。而目前晶體矽電池的昀高效率是 24.7%，與理論極限仍有一定差距。圖 1-3是電池受光照後，光生載流子的産生、能量變化及其輸運過程示意圖。

圖 1-3 太陽電池工作示意圖
在圖 1-3中將光照射太陽電池後的能量損失分解成如下幾部分：
①太陽電池受光照後，能量小於禁帶寬度的光子不能被吸收，直接穿過電池而透射齣去。

②能量大於禁帶寬度的光子被吸收後産生電子-空穴對，電子和空穴分彆被激發到導帶和價帶的高能態，處於高能態的光生載流子很快與晶格相互作用，將能量交給聲子而迴落到導帶底和價帶頂。這一過程稱為熱化過程(thermali

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