硅太陽能電池

前言

　　太陽能電池以半導(dǎo)體材料為媒介，實現(xiàn)了光能與電能的直接轉(zhuǎn)換。光伏太陽能電池的研究，是以量子力學(xué)和半導(dǎo)體物理學(xué)為基礎(chǔ)，從理論計算、材料表征到電學(xué)特性等方面人手，不斷創(chuàng)新和完善的過程。硅作為一種蘊藏豐富、無毒害的半導(dǎo)體材料，在商用太陽能電池領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。硅太陽能電池以及硅材料的特性與原理，仍是當(dāng)前科研的重點?！　”緯⑽陌嬖禨ilicon Solar Cells：Advanced Principies and Practice》是由澳大利亞新南威爾士大學(xué)光伏研究中心開設(shè)的、光伏與可再生能源工程系專業(yè)課程“高性能硅太陽能電池”所使用的標(biāo)準(zhǔn)教材。原著早在1995年就已出版，書中所述有關(guān)硅電池的基本材料性質(zhì)、運作機理以及設(shè)計方案等至今仍然具有極其重要的指導(dǎo)意義，為硅太陽能電池的研究奠定了基礎(chǔ)?！　≡髡唏R丁·格林（Martin Green）教授為光伏太陽能學(xué)界之泰斗，他已撰著太陽能電池和半導(dǎo)體物理領(lǐng)域的書籍多部，論文不計其數(shù)，并在國際上獲得多項殊榮。新南威爾士大學(xué)的光伏研究中心，正是在格林教授的領(lǐng)導(dǎo)下取得了輝煌的成就，成功開發(fā)了世界最高效的硅基太陽能電池——PERL太陽能電池，效率高達25％。在過去十年中，該研究中心一直是單晶硅電池效率世界紀(jì)錄的突破者和保持者。除第一代硅晶圓電池以外，中心還致力于第二代太陽能電池（薄膜技術(shù)）和基于納米技術(shù)的第三代太陽能電池（如量子點電池、熱載流子電池）等高新電池技術(shù)的研發(fā)。　　對于高等院校師生以及光伏太陽能器件的研究人員而言，本書是一部優(yōu)秀的教材與參考資料。全書共分15章，主要內(nèi)容包括晶體結(jié)構(gòu)與能帶，聲子、光子和激子，硅的光學(xué)性質(zhì)，產(chǎn)生、復(fù)合與載流子輸運，陷光效應(yīng)，基本效率極限，閾下載流子生成，表面、接觸和體區(qū)的性質(zhì)，硅太陽能電池的進化歷程，絲網(wǎng)印刷與埋柵電池，高性能聚光太陽能電池，多晶硅（me-Si）與帶狀硅，薄膜多晶硅（pc_Si）與多層太陽能電池等。書后提供附錄和索引。本書譯本在忠實于原著的基礎(chǔ)之上，力求邏輯清晰、理論嚴謹、敘述明確，便于讀者理解與掌握。　　參加本書翻譯工作的人員包括：狄大衛(wèi)、歐陽子、韓見殊、張博、沈東東與曹昭陽。其中由狄大衛(wèi)主持了本書的翻譯，進行了前言、第1～4章的翻譯并負責(zé)全書各章節(jié)的審校與修改；歐陽子負責(zé)第5章、第13～15章的翻譯，并參與了附錄A～G的審校與修改；韓見殊負責(zé)第6～9章的翻譯，并參與了第10～12章以及附錄E的審校與修改；張博負責(zé)第10～12章的翻譯，并參與了第5章、第13～15章的審校與修改；沈東東負責(zé)附錄A～G與索引的翻譯，并參與了前言、第1～4章的審校與修改；曹昭陽提供了本書所有圖片的電子掃描版，并參與了審校工作?！　”緯鴤?cè)重于硅電池材料與工作原理的深入探討，全面理解本書則需要半導(dǎo)體物理以及太陽能電池的相關(guān)基礎(chǔ)知識。筆者在此推薦格林教授的另外兩部著作，《應(yīng)用光伏學(xué)》與《太陽能電池：工作原理、技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用》，其簡體中文版已由上海交通大學(xué)出版社出版，繁體版由臺灣五南出版社出版。

內(nèi)容概要

本書英文版原著是由澳大利亞新南威爾士大學(xué)光伏研究中心開設(shè)的專業(yè)課程“高性能硅太陽能電池”所使用的標(biāo)準(zhǔn)教材。全書側(cè)重于硅電池材料與工作原理的深入探討，共分為15章，主要內(nèi)容包括：晶體結(jié)構(gòu)與能帶，聲子、光子和激子，硅的光學(xué)性質(zhì)，產(chǎn)生、復(fù)合與載流子輸運，陷光效應(yīng)，硅太陽能電池的進化歷程，薄膜多晶硅與多層太陽能電池等。并附有附錄和索引。    對于高等院校師生以及光伏太陽能器件的研究人員而言，本書是一部優(yōu)秀的教材與參考資料。

書籍目錄

第1章  引言  參考文獻第2章  晶體結(jié)構(gòu)與能帶  2．1  引言  2．2  晶體結(jié)構(gòu)  2．3  薛定諤波動方程  2．4  倒易晶格  2．5  能帶  2．6  電子的態(tài)密度與占有概率  2．7  動量與有效質(zhì)量  參考文獻第3章  聲子、光子與激子  3．1  引言  3．2  聲子  3．3  光子  3．4  拉曼散射  3．5  激子  參考文獻第4章  硅的光學(xué)性質(zhì)  4．1  引言  4．2  純硅對光的吸收    4．2．1  一般情況    4．2．2  聲子輔助的光吸收過程    4．2．3  吸收邊    4．2．4  波長調(diào)制光譜法    4．2．5  多聲子過程    4．2．6  直接吸收    4．2．7  自由載流子與晶格吸收  4．3  折射率  4．4  溫度依從性  4．5  重摻雜硅  4．6  其他吸收過程  參考文獻第5章  產(chǎn)生、復(fù)合與載流子輸運  5．1  一般公式  5．2  產(chǎn)生  5．3  復(fù)合    5．3．1  概述    5．3．2  輻射復(fù)合    5．3．3  帶對帶俄歇復(fù)合    5．3．4  通過缺陷能級的復(fù)合  5．4  載流子輸運    5．4．1  漂移和擴散    5．4．2  玻耳茲曼輸運方程    5．4．3  多數(shù)載流子和少數(shù)載流子遷移率    5．4．4  高注入的遷移率    5．4．5  激子輸運    5．4．6  重摻效應(yīng)  參考文獻第6章  光陷阱  6．1  引言  6．2  隨機陷光  6．3  幾何陷光    6．3．1  介紹    6．3．2  二維幾何結(jié)構(gòu)    6．3．3  三維幾何結(jié)構(gòu)  6．4  實驗結(jié)果  6．5  聚光太陽能電池  6．6  電池封裝中的光陷阱  參考文獻第7章  基礎(chǔ)效率極限  7．1  引言  7．2  光生電流限制  7．3  開路電壓極限    7．3．1  一般情況    7．3．2  低注入條件    7．3．3  狹窄基區(qū)，高注入條件  7．4  填充因子極限  7．5  效率極限    7．5．1  非聚光電池    7．5．2  聚光太陽能電池  7．6  材料要求  7．7  突破效率極限  參考文獻第8章  閾下載流子生成  8．1  引言  8．2  鍺合金  8．3  雜質(zhì)光伏效應(yīng)    8．3．1  簡介    8．3．2  光學(xué)俘獲截面    8．3．3  設(shè)計理念    8．3．4  個例分析——銦    8．3．5  其他摻雜物質(zhì)    8．3．6  細致平衡分析  8．4  其他設(shè)計    8．4．1  植入缺陷層    8．4．2  Delta摻雜  8．5  層疊電池  參考文獻第9章  表面、接觸與體區(qū)性質(zhì)  9．1  引言  9．2  表面復(fù)合    9．2．1  界面態(tài)與氧化層陷阱  9．3  界面態(tài)復(fù)合    9．3．1  獨立離散界面態(tài)    9．3．2  獨立連續(xù)界面態(tài)    9．3．3  等量俘獲截面    9．3．4  恒定俘獲截面比    9．3．5  實驗表面態(tài)密度與俘獲截面  9．4  接觸復(fù)合  9．5  體復(fù)合  9．6  吸除法  9．7  缺陷鈍化  參考文獻第10章  硅太陽能電池的發(fā)展  10．1  緒論  10．2  早期硅太陽能電池  10．3  傳統(tǒng)的空間太陽能電池  10．4  背電場  10．5  紫電池  10．6  黑電池  10．7  氧化物表面鈍化  10．8  電極接觸鈍化  10．9  頂層表面鈍化太陽能電池  10．10  頂面和背面鈍化太陽能電池  10．11  PERL太陽能電池的設(shè)計    10．11．1  光學(xué)特征    10．11．2  電學(xué)特征  10．12  總結(jié)  參考文獻第11章  絲網(wǎng)印刷和埋柵太陽能電池  11．1  緒論  11．2  絲網(wǎng)印刷太陽能電池    11．2．1  結(jié)構(gòu)    11．2．2  典型性能    11．2．3  經(jīng)改良的技術(shù)  11．3  埋柵太陽能電池    11．3．1  結(jié)構(gòu)    11．3．2  性能分析    11．3．3  量產(chǎn)經(jīng)驗    11．3．4  未來工藝發(fā)展  參考文獻第12章  高性能聚光太陽能電池  12．1  緒論  12．2  傳統(tǒng)太陽能電池    12．2．1  低成本設(shè)計    12．2．2  高效率空間太陽能電池技術(shù)    12．2．3  PESC和PERL太陽能電池    12．2．4  V形槽硅電池  12．3  背接觸太陽能電池    12．3．1  叉指形背接觸太陽能電池    12．3．2  前面場電池和疊層太陽能電池    12．3．3  雙面和點光柵太陽能電池  12．4  垂直結(jié)太陽能電池  12．5  點接觸太陽能電池    12．5．1  結(jié)構(gòu)    12．5．2  復(fù)合作用的組成部分    12．5．3  光生電流的收集    12．5．4  實驗結(jié)果    12．5．5  點接觸電池的穩(wěn)定性    12．5．6  近期的發(fā)展  12．6  總結(jié)  參考文獻第13章  mc_Si多晶硅和帶狀硅  13．1  概述  13．2  氫鈍化  13．3  磷處理  13．4  其他鈍化方法  13．5  制絨  13．6  高級電池結(jié)構(gòu)  參考文獻第14章  薄膜pc-Si多晶硅電池和多層電池  14．1  引言  14．2  晶界    14．2．1  物理結(jié)構(gòu)    14．2．2  電子學(xué)性質(zhì)    14．2．3  電阻效應(yīng)    14．2．4  復(fù)合性質(zhì)  14．3  晶內(nèi)性質(zhì)  14．4  單結(jié)太陽能電池  14．5  多層太陽能電池  14．6  小結(jié)  參考文獻第15章  總結(jié)附錄A  希臘字母表附錄B  基本物理常數(shù)附錄C  光譜數(shù)據(jù)表附錄D  硅的光學(xué)性質(zhì)(300K)附錄E  準(zhǔn)費米能級  E．1  引言  E．2  熱平衡  E．3  非平衡態(tài)  E．4  界面  E．5  非平衡態(tài)p-n結(jié)  E．6  準(zhǔn)費米能級的應(yīng)用附錄F  反射控制  F．1  減反膜  F．2  表面制絨    F．2．1  歷史回顧與技術(shù)前景    F．2．2  制絨控制反射的理論  參考文獻附錄G  紅外光譜響應(yīng)參考文獻

章節(jié)摘錄

　　4.2.2聲子輔助的光吸收過程　　當(dāng)電子從價帶最頂端（價帶最高能量）躍遷到導(dǎo)帶的最底端（導(dǎo)帶最低能量）時，電子實現(xiàn)了在價帶導(dǎo)帶之間最小的能量轉(zhuǎn)移。由于價帶最大能量點和導(dǎo)帶最低能量點具有不同的波矢量七，在躍遷時電子的準(zhǔn)動量和能量必須改變。因為光子本身的動量很小，幾乎可以忽略不計，所以還需要聲子來參與光的吸收過程，以滿足準(zhǔn)動量的改變。　　圖4.2（a）顯示了上述躍遷時電子的兩條可能路徑。用量子理論研究這種躍遷的能量守恒時，通常僅需要研究其初態(tài)（狀態(tài)以）和終態(tài)（狀態(tài)c）的情況；然而所有中間的躍遷過程還必須滿足波矢量守恒。因此，沿著路徑，電子先通過吸收一個能量低于直接帶隙的光子進行一個虛躍遷而進入禁帶，然后通過吸收或釋放具有合適波矢量的聲子的方式躍遷至終態(tài)。則是另一種可能的路徑。在abc路徑中，聲子的吸收或釋放發(fā)生在光子的吸收之前，隨后電子被光子激發(fā)穿越禁帶，從狀態(tài)6躍遷到狀態(tài)c。　　圖4.2（b）描繪了在躍遷過程中能量和波矢量守恒的條件。圖中顯示了聲子色散曲線（縱軸尺度經(jīng)放大處理，另見圖3.1以及能帶圖。在此聲子色散曲線和能帶圖所描述的都是K空間的方向，也就是導(dǎo)帶最小值所在之處。對于由單個聲子參與的過程而言，滿足波矢量條件的聲子能量總共有4個。如果具有其中一個能量的聲子被吸收，那么所需的最小光子能量就比帶隙能量小，兩者的能量差等于吸收的聲子能量；反之，如果具有其中一個能量的聲子被釋放，那么所需的最小光子能量就比帶隙能量大，兩者的能量差等于釋放的聲子能量。

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