太陽能光伏電池及其應用2023/6/91第一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二

◆二、課程簡介

本書對有關太陽能電池及太陽能發電系統的世界最新技術進行了綜述。各章各節的執筆者都選自日本的杰出專家，由他們介紹尖端技術的現狀。具體內容包括太陽能電池的原理及裝置物性、單晶硅太陽能電池和太陽能電池模板、非晶硅及微晶硅薄膜太陽能電池、CIS以及CIGS系太陽能電池、色素增感型太陽能電池等。該書可供各大專院校作為教材使用，也可供從事相關工作的人員作為參考用書使用。

2023/6/92第二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二★

1

總論

★

2

太陽能電池的原理及裝置物性

★

3

單晶硅太陽能電池和太陽能電池模板

★

4

多晶硅太陽能電池

★

5

非晶硅及微晶硅薄膜太陽能電池

★

6

CIS以及CIGS系太陽能電池

★

7

Ⅲ-Ⅴ族太陽能電池

目錄2023/6/93第三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二★

8

色素增感型太陽能電池

★

9

太陽能電池在日常生活中的應用

★

10

住宅用太陽光發電系統

★

11

樓房用太陽光發電模板及其系統

★

12

空間太陽光發電所

★

13

太陽光發電的展望

2023/6/94第四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二第一章

總論

1.1

引言

1.2

能源革命與文明的進步

1.3

能量的需求預測與能源資源

1.4

3E的三重矛盾與解決策略

1.5

太陽能的質和量

1.6

太陽能發電的獨特特點

2023/6/95第五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二

一、填空1.

人們生活所必需的能源可分為

及

兩部門。2.

目前，占現有一次能源45%的電力能源包括

和

。人類文明的進步與人類社會工業化、近代化的變遷，都稱為

和變遷。3、人們生活所需的能源可發分為維持個人生命的

和

、

及生產活動中使用的生活能源兩部分。4、伴隨著能源工業化的進展，人們選擇更方便、更經濟性的能源形態，也就是說，這一技術革新也是基于

而產生的。第一章

2023/6/96第六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二5、不同于化石能源的消費的原子能發電，稱之為

的太陽能發電、風力發電的應用。6、在化學能源枯竭之前找到

的替代能源。7、3E三重矛盾是在

發展的過程中，伴隨著

的消費，以化石能源為主體的資源需求結構會造成對

的破壞。8、到達地球表面的太陽能，是通過幾乎接近真空的宇宙空間，以

的形式輻射過來。9、太陽能到達地球的總輻射能量應該是

與

的乘積。10、太陽能電池的轉換效率幾乎是

的，與其所利用的裝置規模與

無關。11、光發電是對

有在效利用。第一章

2023/6/97第七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二第一章

二、問答題：1.

什么是3E矛盾？2.

人們生活所必需的能源的組成有哪幾部分？3.

什么是生態發電？生態發電的重要意義是什么？4.

什么叫太陽常數？5.

太陽能發電的優點？2023/6/98第八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二

2.1

引言

2.2

半導體的光吸收和光傳導效率

2.3

半導體的光電效應

2.4

太陽能電池的原理及能量轉換效率

2.5

理論極限效率和太陽能電池的損失

2.6

高效率化技術及其裝置物性

第二章

太陽能電池的原理及裝置物性

2023/6/99第九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二一、填空1、光和物質的相互作用有

、

、

、

等現象。引起這些現象的本質過程，可以理解為物質內存在的

和

之間的相互作用。2、光引起的電子躍遷門檻值所需的能量，是由原子規則排列產生的結晶結構中的

所決定的。3、遷移前后電子動量不發生變化，垂直移動叫

;而在躍遷前后動量變化時，所表示的結晶空穴振動能量的移出、移入、稱為

。4、半導體的界面或表面被

產生載流子后，生成的

和

由于載流子的作用向

的方向漂移，引起

極化，從而產生了因光照射引起的

。第二章2023/6/910第十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二5、太陽能電池由于要接收

，所以具有很大面積的PN結二極管，引起光電效應必要的

，就是利用了PN結的

。6、太陽能電池的能量轉換效率是從太陽能電池的端子

的電力能力與

的太陽能輻射光能量的比。7、以標稱效率為基礎，用于計算太陽能電池的輸出測定法，可以求得實用太陽能電池的

。8、光電流與

有關系，與所加的

無關，是一個

值。9、太陽能電池的輸入光與

有相關性。10、太陽能電池處于開路狀態，與輻射光強度相對應會產生一個電壓，此時的電壓稱為

。11、

是表示太陽能電當好壞的重要指標。第二章2023/6/911第十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二12、結晶硅的理論極限為

，其研究階段為

，大量生產規模為

。13、存在具有最低禁帶寬度εɡ的Hω-QVOC的損失，此損失叫做

。13、目前實用化的太陽能電池中98％使用的是

。14、為了發揮太陽能轉換因子的作用，將光生成的

有效輸出到

的電極配置的設計也是重要的因素，這就是D。15、利用兩種半導體的異質結串聯太陽能電池，稱為

。16.

光的吸收系數a被定義為

。17.

決定半導體光學特性最重要是波段是

到

范圍。18.

標稱效率：太陽光線通過的空氣氣量條件為

，輸入光的功率為

，在負荷變化的最大電力輸出與其的比值。第二章2023/6/912第十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二1、什么是禁帶寬度？2、什么叫半導體的基礎吸收邊緣？3、什么叫光傳導效應？由幾種類型組成的？4、什么叫光生伏特效應？什么是丹倍效應？什么是PEN效應？5、太陽能電池的工作原理是什么？能量轉換效率的表達式是怎樣？什么是標稱效率？6、什么叫短路光電流密度？7、什么叫開路電壓？開路電壓的表達式8、太陽能電池的轉換效率的表達式？9、什么叫太陽能理論極限效率？10、太陽能電池轉換率低下，產生損失的主要原因是什么?二、簡答第二章2023/6/913第十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二11、請畫出太陽能電池作用的四個基本功能圖？其中ABCD的作用各是什么？12、入射到材料的光能的有效封閉的技術有幾種方法？13、光生載泫子的有效收集和光電效果的增大技術有幾種？14、光生成載流子的復合損失的減少技術有幾種？15、直接電阻損失的減少技術有幾種？16、電壓因子損失的有幾種？17、更寬光譜的光能的收集技術有幾種？18、什么是BSF？19.

什么是直接躍遷和間接躍遷？第二章2023/6/914第十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二第三章

單晶硅太陽能電池和太陽能電池模板

3.1

引言

3.2

單晶硅太陽能硅片的制造方法

3.3

HIT太陽能電池片及其制造方法

3.4

大面積太陽能電池模板

3.5

采光型太陽能電池模板

3.6

超高效率太陽能電池

2023/6/915第十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二1、單晶硅太陽能和多晶硅太陽能電池的產量合計約占世界太陽能產量的

左右。2、單晶硅棒和PN結的制造技術等，與

以及

等半導體制造技術有較多共同部分，且歷史悠久，實際業績突出。3、單晶硅太陽能電池制造工程由

和

組成。4、原材料用硅砂，先將其還原為純度為97％-98％的

，為了進一步提高純度，將與

反應，生成

，再將其

，

得到純度為99.99999％以上的多晶硅。5、將得到的多晶硅進行溶解，做成單晶硅，其方法有

和

兩種。6、目前太陽能電池用的鑄模，仍以生產性能高的

為主。一、填空第三章2023/6/916第十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二7、由于線切割面是被機械沖擊過，因此會殘留結晶變形，使電氣特性變壞，因此需用

進行腐蝕，使表面

的程度。8、氣體擴散法是將含

的氣體在

下向硅片進行

，形成

，一般都用這一方法。9、

擴散法是用含有磷的溶液代替

進行

和

，使磷向硅片中擴散形成

，具有簡單易于大型化生產的優點。10、電池高效率化技術說明已被規模生產所采用的

及

。11、用堿性溶液，利用

的差異性，可以對

表面進行

凹凸加工處理。第三章2023/6/917第十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二12、單晶硅太陽能電池的基本結構是

，在背場將不純物進行

，形成

，可以改善收集效率。13、BSF型電池片的收集效率，

形成，可以在更長

范圍內改善收集效率。14、太陽能電池是由于

和

進行疊層得到的新型太陽能電池。15、HIT電池片是在

的兩面形成

制造的。16、由于入射光也可以發電，具有兩面發電的可能性是

和

。17、一般的太陽能電池模板只有電池片的表面一側是

，而HIT太陽能電池在背面也采用

，可以利用

和從地面來反射光進行發電。第三章2023/6/918第十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二18、兩面發電型最特別的有效應用

安裝。19、太陽能電池模板有

、

、

三種結構。20、壓?？煞譃閮刹糠?，

和

裝置。21、一般的太陽能電池的模板，為了提高填充率，需盡量減少電池片和

之間的

，而采光型太陽能電池的模板卻

，在電池片和模板周圍開數CM的

，由此處讓太陽光透過。22、由于單晶硅基片的制造技術和

等的半導體技術有很多的共同點，因此新技術從半導休整上導入是有右能的，最近引人注目的技術之一是

技術。23、在多晶硅薄膜制造裝置中可使用RTP，將得到的燈光用

，然后緩慢地

，使多晶硅薄膜再

。第三章2023/6/919第十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二1、單晶硅太陽能電池的特點是什么？2、電池片工程分哪三部分？3、什么是集麥斯法？4、什么是CZ法？5、單晶硅硅片的制造過程？6、電池片高效率化的技術方法有哪些？7、硅片表面的材料蝕刻目的是什么？8、什么叫BSF結構？二、簡答第三章2023/6/920第二十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二

9、HIT電陽能電池的結構及制造方法？特點是什么？10、太陽能電池模板的種類？各種類的作用？11、太陽能電池構成的原素有哪些？各無素的作用是什么？12、太陽能電池模板的制造過程是什么樣的？13、壓模過程的順序步驟如何？14、高效率太陽能電池的種類及各種類的結構是什么？15、簡述PERL、OECO電池片的特點。16、什么是理論極限效率？17、太陽電池能量損失部分大致可分為哪些？第三章2023/6/921第二十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二第四章

多晶硅太陽能電池

4.1

引言

4.2

多晶硅鑄模的制造技術

4.3

多晶硅太陽能電池的高效率化技術

4.4

多晶硅薄膜太陽能電池的開發

4.5

結束語

2023/6/922第二十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二一、填空1、大部分的多晶硅基片都是用所謂的

生產的。基片廣泛使用

的角。目前是用眾所周知的

的溫度分布、

等許多知識的累積來生產鑄模。2、電解液的高度微細噴射到

上，噴射流中夾有

。噴射流到了

的作用，激光束在鑄模上與

一同被切照射。3、目前世界上，用鑄造法制造基片得到的小面積電池片的最高轉換效率可達到

。4、由于有漏電電流流動，使所謂的反向飽和電流密度

，從而減少了

。第四章2023/6/923第二十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二5、多晶硅表面的結晶面是多重的，因此不能像單晶硅基片那樣，使用

的不同方向腐蝕的化學蝕刻方法。6、干式法由于應力自由，因此即可以適用于

基片，又可以適用于

的過程。7、結晶硅具有

型能帶結構，因此吸收系數較小，有必要進行

，活性層的厚度為數

的薄膜太陽能電池也可得到高的轉換效率。8.

廣泛采用光電導率

測定少數載流子在基片內的壽命分布，以此來對該過程進行評價。9.

基本技術中最引人注目的是基片的

。10.

結晶硅具有

能帶結構，因此吸收系數較小。11.

異質基片上高品質疊層的多晶硅型薄膜技術有：

、

和

。第四章2023/6/924第二十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二二、簡答1、多晶三太陽能電池的高效率化技術有哪些？2、請簡述表面鈍化常用的方法有哪些？3、請簡述非晶硅薄膜太陽電池為什么用pin結構？4、多晶硅鑄模的制造成技術有哪些？5、在多晶硅電池片上用等離子體進行的化學氣相沉積法生產的氮化硅膜會產生哪兩種效果？6、異質基片上高品質疊層的多晶硅型薄膜技術有幾種方法？第四章2023/6/925第二十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二第五章

非晶硅及微晶硅薄膜太陽能電池

5.1

引言

5.2

Si系薄膜的制作、基礎物性和太陽能電池的裝置

5.3

無結晶硅太陽能電池及其性能

5.4

薄膜微晶硅(μc-Si)太陽能電池及其性能

5.5

非晶硅／微晶硅型串聯太陽能電池

2023/6/926第二十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二第五章1.

清潔且無限的

將成為支撐21世紀社會文明的重要能源技術之一。2.

目前太陽能電池的主流是

以及

，占世界太陽能電池總產量的70%。3.a-Si：H以及合金材料，用

、

、

、

等氣相生長法可以制造薄膜。4.

薄膜化是通過彌補

較差的載流子輸送特性，得到太陽能電池的性能，同時也有利于

、

。5.

非晶半導體材料，是失去了像結晶型那樣的長距離晶格結構的材料，可以認為其原子周圍的

與

時保持相同的狀態。6.

由于不純物的摻入，可能將p、n控制在導電率為

。一、填空2023/6/927第二十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二7.a-Si是

結合的非晶體，a-Si系薄膜的制作方法有：

、

、

、

等。8.

c-Si是由

+

+

組成的。9.

關于載流子移動速度，目前使用由

以及

進行評價的方法。10.

作為太陽電池的特性因素的短路電流Jsc可視為

，曲線因子FF可視為

，開路電壓Voc與

的比值。11.

轉換效率和與擴散有關的膜厚度有最大值，這是由于伴隨膜厚度的增加而增加的

與由于偏壓電壓的下降引起的

共同作用的結果。12.MIS型a-Si太陽能電池的問題是，光的入射一側由于有

，所以有競價的光被吸收掉了，從而限制了

。第五章2023/6/928第二十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二13.

為了降低太陽能電池的成本，必須盡可能地

。14.a-Si太陽能電池是大面積制膜，但透明電層的阻力引起的損失使電池無法得到

。15.a-Si太陽能電池是由形成

和

的二個導電層、作為

這三層基本結構構成的，為了實現大面積、高效率化，能夠使a-Si層

、

、

的制膜技術，對大面積化是非常重要的。16.

光照所引起的大部分特性的變化是在

，以后其特性是穩定的。這時的光電轉換效率叫做

。17.

用

法得到的微晶硅，在1980年前后就有報道，由于微晶化帶來的低電阻，主要用于a-Si太陽能電池是

。第五章2023/6/929第二十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二18.

在帶邊緣附近的光吸收系數是間接吸收形式，在很上的薄膜c-Si電池片中，

技術是c-Si太陽能電池

的核心技術。1.p-i-n結合型a-Si太陽能電池與受金屬薄膜制膜條件等敏感特性所左右的短鍵壘位型相比較，具有哪些優點？（P86）2．什么叫誘導光導率新現象？（P88）3.

薄膜微晶硅（c-Si）太陽能電池的主要特點有哪些？（P96-97）4.

非晶硅、微晶硅型串聯太陽能電池制造疊層結構有哪些優點？（P103）二、簡答第五章2023/6/930第三十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二第五章三、論述1.

請從材料、性能及制造結構等方面，闡述單晶硅、多晶硅、非硅硅及微晶硅薄膜太陽能電池的相同點和不同點，并簡單地介紹一下硅太陽能電池的現狀及發展前景。5.

什么叫微晶硅？6.

光封閉技術在什么條件下才能達到？（P99）2023/6/931第三十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二第六章CIS以及CIGS系太陽能

6.1

引言

6.2

CIS以及CIGS系半導體的基礎物性及其特性

6.3

CIS以及CIGS系太陽能電池的結合形式與制法

6.4

模板制造法及其規模生產技術

6.5

R&D領域的新進展

6.6

結束語2023/6/932第三十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二一、填空1.

CIS：

，CIGS：

。2.

隨著太陽能電池片逐漸向薄膜化發展，目前正在研究開發的是

。CIS的禁帶寬度為

，與太陽能電池最適宜的禁帶寬度

偏小的值。3.CIGS系太陽電池的特點是

和

。4.

在一般的半導體中，通過不純物添加，進行p型、n型的控制，CIS系用

進行控制，也就是固有缺陷控制，才有可能

。5.Mo和Se的反應活性高，Mo/CIS界面狀態對膜的

有很大影響。6.

在CIGS光吸收層上，用

可以產生CdS。第六章2023/6/933第三十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二7．硒化法主要用于

的制造。8.

與硅系薄膜不同，由于CIGS是軟材料，因此不能用

，可以用

。9.CIGS系太陽能電池，小面積電池片的轉換效率已經達到

的程度，而大面積模板的轉換效率為

。10.

為了實現串聯太陽能電池，有必要對開發遲緩的

的材料的高品質化加快進程。11.

為了實現串聯結構，有必要在部開發禁帶寬度更廣的

。12.CIGS系太陽能電池的制造方法中，廣泛使用

、

，除此之外，還有

、

。第六章2023/6/934第三十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二13.

多晶薄膜太陽電池中，開路電壓（Voc）是禁帶寬度（Eg）的函數，通常經驗性地表示為

。14.CIGS系太陽能電池是以

為特征的。15.

不使用青板玻璃時，也可以使用、、、等Na的化合物進行Na參加。二、簡答1.CIGS系半導體的特點有哪些？2.CIGS系太陽能電池的基本結構如何？可用圖表進行說明。3.

在CIGS系太陽能電池的制造方法中，請介紹什么是蒸鍍法？什么是硒化法？4.

在CIGS系太陽能電池中，請說明添加Na好處有哪些？第六章2023/6/935第三十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二5.

什么叫光照射效應？6.

簡述CIS和CIGS系太陽能電池的新進展表現在哪些地方。三、論述1.

請從材料、性能以及制造方法上，比較說明Si系太陽能電池和CIS、CIGS系太陽能電池有哪些異同。2.

請從材料開發及制造技術方面分析，如何才能提高CIGS系太陽能電池的效率？第六章2023/6/936第三十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二第七章Ⅲ-Ⅴ族太陽能電池

7.1

引言

7.2

Ⅲ-Ⅴ族半導體太陽能電池所用材料的特點

7.3

GaAs系太陽能電池片的結構及其制法

7.4

超高效率多結太陽能電池及其構成

7.5

聚光型太陽能電池技術及其現狀

7.6

R&D領域的新進展2023/6/937第三十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二一、填空1.

太陽能電池材料是由元素周期表中的Ⅲ族元素

、

和Ⅴ族

、

元素組成的半導體，如用、等由Ⅲ-Ⅴ族化合物組成的半導體所構成的太陽能電池。2.GaAs或InP太陽能電池由于

且

，作為空間太陽能電池已經被實用化。3.

太陽能電池材料的禁帶寬度Eg為

左右，認為是最合適的，Eg為

的GaAs及

的InP等應該是合適的。4.

化合物半導體太陽能電池有、、的種種優點，對于電池片結構，也在進行許多嘗試。第七章2023/6/938第三十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二5.

對于太陽能電池的制作，歷來都是用常用的

，但現在有可能多層生長的大面積化、規模生產化的

已成為主流。6.

由于大多數化合物半導體的能帶結構都是

型的，因此不像間接躍遷型的Si那樣容易產生太陽能電池特性的

現象。7.

化合物半導體由于有

能帶結構，且

，因此作為薄膜太陽能電池顯示出了可用性。8.Ⅲ-Ⅴ族在Si結構上的第二課題是，由兩者的熱膨脹系數的差別引起的

的裂縫的發生，因此試圖降低

的方法是必要的。9.外延生長技術，也從

到

、

逐漸進行著變遷。第七章2023/6/939第三十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二10.GaAs以及

InP的禁帶寬度分別為

，與高效率最適合的1.4eV～1.5eV相近，故具有高效率的特點。11.

化合物半導體太陽能電池具有

、

、

等優點。12.

寫出以下縮寫的中文全稱：MOCVD

，LED

，LPE

，Jsc

，Voc

。二、簡答1.

請例舉幾種Ⅲ-Ⅴ族半導體太陽能電池，并說明該太陽能電池所用的材料有哪些特點？（P125-129）2.

什么是LPE法？并對該法作簡單描述。3.

什么是MOCVD法？并對該法作簡單描述。第七章2023/6/940第四十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二4.

什么是阿尼爾現象？(P131)5.Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體太陽能電池主要分為哪幾類？（P130）6.

請寫出短路光電流Jsc以及開放電壓Voc，與少數載流子擴散長度L或者壽命的關系式，并指出各物理量所表示的意義。7.

什么是聚光型太陽能電池技術。三、論述1.

從Ⅲ-Ⅴ族半導體太陽能電池的材料成本、性能等，請闡述色素增感薄膜太陽電池和聚光型太陽電池的目前發展現狀及未來發展方向。（P126-138）第七章2023/6/941第四十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二第八章色素增感型太陽能電池8.1

引言

8.2

色素增感型太陽能電池的特征

8.3

基本原理和理論可達到的效率

8.4

色素增感型太陽能電池的結構和制造方法

8.5

色素增感型太陽能電池技術的現狀和性能

8.6

R&D領域的新進展

2023/6/942第四十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二一、填空1.自

年瑞士EPFL的Graetael教授開發出轉換效率為

的新型色素增感型太陽電池問世以來，色素增感型太陽能電池在全世界開始研究和應用起來，這種電池又叫

電池。2.

色素增感型太陽電池就是所謂的

，很早以前就已開始研究。3.

色素增感型太陽電池的理論可達到效率為

。4.

構成色素增感型太陽電池的

等無機氧化物及色素的

原材料硅等比金屬價格便宜。5.

目前報道的色素增感型太陽能電池的最高轉換效率的使用

、

及

的TiO2色素增感型太陽能電池。2023/6/943第四十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二6.

由氧化物半導體和色素進行組合,可以制造出

不同的多種多樣的色素增感型太陽能電池。7.

由于使用有機色素增感型太陽能電池可通過

及

除去,幫氧化物半導體光電極是有可能實現資源再利用的。8.

為了將增感色素上的躍遷電子有效地注入TiO2,層中,增感色素激發態的能極必須不小于

的能級。9.TiO2光電極的準能級,相對于NHE為

，I-/I3的氧化還原電位相對于NHE被評價為

，因此，將其組合起來得到0.9的最大電位。10.GreatzelCell的一個特點就是根據選擇

可以制造各種不同的

太陽能電池。GreatzelCell是由于2個

和由電極包圍的

所構成的。2023/6/944第四十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二11.

為了提高光吸收效率,通過將更大的TiO2微粒子作為

,或者為使微孔的容積增大從而使