《新型太阳电池材料与器件》课程教学资源（教案讲义，共八章）

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

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