一部全面反映硅基異質結太陽電池研究和技術進展的著作

硅基異質結太陽電池物理與器件

ISBN 978-7-03-041514-1

沈文忠, 李正平編著

北京: 科學出版社, 2014.8

一本全面反映硅基異質結太陽電池研究和技術進展的著作，全書首先簡要介紹了半導體異質結基本知識和異質結太陽電池的表徵與測試手段，然後系統闡述了非晶硅/晶體硅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，最後綜述了新型無機物硅基異質結太陽電池的研究進展。

化石燃料能源的使用促進了人類社會的進步，但是化石燃料的過度消耗也引起了全球氣候變暖和生態環境的惡化，給人類的生存帶來了巨大的威脅。改變能源消費結構，大力發展可再生能源，已成為世界各國的共識。在眾多的可再生能源中，太陽能因其具有取之不盡、用之不竭、清潔安全無污染、應用地域廣闊等特點，因此特別受到人們的重視。太陽能的利用主要包括光熱轉換和光電轉換。光熱轉換是指將太陽散發的能量聚集起來，轉換成熱能，如太陽能熱水器等，也包括將太陽能轉換成熱能，再利用熱能發電的光熱發電。光電轉換是指利用半導體的光生伏特效應，通過太陽電池器件將太陽光轉換成電能，即光伏發電，如太陽能光伏電站和發電系統。

世界太陽能光伏發電科技和應用發展迅猛，到2012 年年底全世界光伏累計裝機容量已突破100 GWp的里程碑節點，預計光伏發電將在2030 年佔到世界能源供給的10%，對世界的能源供給和能源結構調整做出實質性的貢獻。中國光伏迅猛發展，2014年新增光伏裝機容量10.6GWp，單年新增裝機容量全球第一；到2015年底，中國累計光伏裝機容量43GWp，成為全球光伏應用第一大國。光伏發電需要通過太陽電池組件實現能量轉換，目前仍以第一代的晶體硅太陽電池組件為主，其市場份額超過80%，未來10～20 年內仍將是市場主流，因此提高晶體硅太陽電池的轉換效率對於確保其優勢地位特別重要。

隨著技術的進步，晶體硅太陽電池的轉換效率逐年提高。在當前光伏工業界，單晶硅太陽電池的轉換效率已達到20%以上，多晶硅太陽電池的轉換效率已達18%以上。然而大規模生產的、轉換效率達22%以上的硅基太陽電池有美國SunPower公司的背接觸太陽電池和日本松下公司的帶本徵薄層的非晶硅/晶體硅異質結太陽電池。其中，非晶硅/晶體硅異質結太陽電池是以晶體硅為襯底，在其上沉積非晶硅薄膜形成p-n 異質結，其電池結構和工藝與常規晶體硅太陽電池有很大的區別，但是非晶硅/晶體硅異質結太陽電池結合了晶體硅電池和硅基薄膜電池的優點，具有製造流程短、工藝溫度低、適合使用薄型矽片、轉換效率高和發電量多等特點。

在當今眾多的高效晶體硅太陽電池方案中，非晶硅/晶體硅異質結太陽電池無疑是關注度很高的一種。在非晶硅/晶體硅異質結太陽電池的研發和生產領域，日本松下公司可謂一枝獨秀，2013 年其報道的最高電池效率達24.7%，電池面積～100 cm2，達到商用規格大小。隨著松下公司關於帶本徵薄層的非晶硅/晶體硅異質結太陽電池的主體專利在2010 年到期，國內外諸多研究機構和企業都加大了對非晶硅/晶體硅異質結太陽電池的研發與投入。2014年，松下公司報道了效率達25.6%的背接觸異質結太陽電池，打破了保持了20多年的經過太陽電池世界紀錄。2016年，日本KANEKO公司報道了效率達26.33%的背接觸異質結太陽電池，進一步提高了晶硅太陽電池的效率。中國的異質結太陽電池技術近年也獲得較大進展，2016年有近十家企業宣布進軍高效異質結電池的產業化生產，相信在不久的將來中國必將成為高效異質結太陽電池的技術和生產強國。

除了關注太陽電池轉換效率的提高，其低成本製造更顯重要，這是關係到太陽能光伏發電能否與其他能源技術相競爭的關鍵問題。我國為實現高效率、低成本的硅基異質結太陽電池，在「十二五」期間啟動了兩個「MW 級薄膜硅/晶體硅異質結太陽電池產業化關鍵技術」863 計劃課題，力圖能夠深入理解薄膜硅/晶體硅異質結太陽電池高效機理，開發出高性能薄膜硅/晶體硅異質結太陽電池成套製備技術，實現薄膜硅/晶體硅異質結太陽電池中試，建成MW 級產能的中試示範線，使我國具有高效薄膜硅/晶體硅異質結太陽電池產業化的能力。

本書作者有幸參加上述863 計劃課題之一，在非晶硅/晶體硅異質結太陽電池的理論研究和實際研發方面做了大量的工作，總結課題研究成果，得以形成本書。我們旨在深入論述非晶硅/晶體硅異質結太陽電池的結構特徵、製造工藝與技術、涉及的基本物理問題和相關模擬研究的情況，同時還涉及其他新型無機物硅基異質結太陽電池的研究進展。本書是國內第一部全面介紹硅基異質結太陽電池研究和技術進展的學術專著，在編著本書時作者希望儘可能反映當前硅基異質結太陽電池的科研和生產最先進水平和技術，同時力求寫成一本既具有基礎理論闡述，又具有實際指導意義和實用價值的參考用書。

全書共7 章，從內容上可以分為三個層面：高效晶體硅太陽電池、異質結基本知識和相關表徵測試技術的介紹(第1、2、3 章)；非晶硅/晶體硅異質結太陽電池的製造工藝與技術、涉及的物理問題和模擬研究(第4、5、6 章)；新型無機物硅基異質結太陽電池的介紹(第7 章)。其中，第1 章為緒論，全面介紹了當今高效晶體硅太陽電池技術，並引出非晶硅/晶體硅異質結太陽電池，闡述了硅基異質結太陽電池的歷史、結構與特點、效率進展情況等，通過本章的介紹，讀者能基本了解當今晶體硅電池的前沿技術和硅基異質結太陽電池的進展。第2 章概括了半導體異質結的基本知識，為讀者能夠理解非晶硅/晶體硅異質結太陽電池作必要的鋪墊。第3 章介紹了與異質結太陽電池相關的表徵與測試。第4 章則按照非晶硅/晶體硅異質結太陽電池的製作工序，逐一敘述每一步工藝過程中的科學與技術問題，並簡單介紹了異質結太陽電池組件的應用。第5 章論述了非晶硅/晶體硅異質結太陽電池中涉及的物理問題，力圖從理論上描述異質結太陽電池。第6 章對硅基異質結太陽電池的計算機模擬研究進行介紹。第7 章介紹新型無機物硅基異質結太陽電池的研究狀況。

本書的出版得到了國家科學技術學術著作出版基金的資助，特別感謝我國半導體物理和半導體器件物理專家、中國科學院上海技術物理研究所沈學礎院士欣然為本書作序。作者同時感謝國家863 計劃項目組(2011AA050502)成員的幫助和鼓勵；感謝項目承擔單位協鑫集成科技股份有限公司的大力支持；感謝上海交通大學太陽能研究所曾洋、華夏、鍾思華等博士生幫助收集資料，並在本書成稿後仔細閱讀和校核。

雖然作者在寫作過程中精益求精，力求介紹全面、表述清晰、敘述流暢，但是限於作者學識和水平，加之時間倉促、收集的資料有限，因此本書錯誤和遺漏在所難免，懇請讀者和同行批評指正。

該書（《硅基異質結太陽電池物理與器件》）重點講述的非晶硅/晶體硅異質結太陽電池是將半導體能帶工程應用於硅基材料和結構實現高效電池的典型成功範例。該書具有科學的深度又兼顧實際研發應用，同時指明了該種電池可能的完善途徑和技術問題。

——沈學礎

2014 年4 月

（責編：劉四旦）

本文由劉四旦摘編自沈文忠、李正平編著《硅基異質結太陽電池物理與器件》（北京: 科學出版社, 2014.8）一書「前言」，作者補充更新了數據。

ISBN 978-7-03-041514-1

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