晶体硅太阳电池物理

前言
      与所有学科的发展一样，理论与实验相结合、科学与技术相结合是促进太阳电池和光伏技术发展的必然途径。纵观60多年来太阳电池的发展历程，重要的设计思路和技术上的进步都是在半导体理论指导下取得的。理论基础越扎实，重大技术突破的希望就越大。
      光伏发电的核心部分是太阳电池和由其封装而成的光伏组件。本书阐述的是晶体硅太阳电池物理。
      本书作者在阅读国内外相关科技文献资料、了解前人研究成果的基础上，结合自己的研究和思考，应用量子力学基础理论、固体能带理论和半导体载流子运行规律，系统介绍了晶体硅太阳电池的电能产生机理。本书内容分为两大部分：与太阳电池相关的半导体物理基础（前6章）和各类晶体硅太阳电池（后11章）。全书的内容是众多同行智慧的结晶。
      在半导体物理基础部分，本书由浅入深地介绍了半导体的能带与态密度，载流子浓度分布及其输运特性，以及俄歇复合、隧穿效应等与高效晶体硅太阳电池密切相关的物理问题。无论新颖太阳电池的设计，还是从新工艺的实施，半导体物理基础理论都是很重要的。
      在晶体硅太阳电池物理方面，同质pn结晶体硅太阳电池物理是所有太阳电池的理论基础。本书首先详细地讨论了同质结太阳电池在准中性区存在电场的情况下的终端特性，然后讨论了异质结太阳电池。其中，金属-半导体（MS）太阳电池和金属-绝缘体-半导体（MIS）太阳电池虽然发展缓慢，但它们所涉及的一些物理问题，如界面态复合、隧穿效应、欧姆接触等，均与当今的高效太阳电池息息相关。
书中讨论了高效叉指式背接触（IBC）聚光太阳电池。这类太阳电池不仅集多种高效技术于一身，而且是硅基太阳电池中棒的聚光电池，其物理模型和计算方法涉及三维处理，其光电转换效率正在向极限效率推进。
      书中还专题讨论了太阳电池效率极限和一些典型的高效电池设计思路，进一步诠释了太阳电池物理机理。后，还介绍了正在研究中的几种新颖硅基太阳电池，如石墨烯/硅异质结太阳电池、钙钛矿/硅串联太阳电池等。
      太阳电池的专业物理知识固然重要，但作者认为处理复杂物理问题的方法和技巧尤为重要。实际问题往往是很复杂的，如何合理地简化处理是很有讲究的，所以本书特别注重介绍研究实际问题的方法。本书专门设置了一章，系统地介绍了太阳电池物理模型和数值计算方法，其典型软件选用由美国宾夕法尼亚州立大学福纳什（S．Fonash）教授及其团队开发的AMPS。
      当我们在应用或引用重要的理论公式时，往往会有些纠结：未经自己推导,心中不踏实，而推导公式又很费时间，在快节奏的当今，很难实现。为此,本书特别关注公式的推导和演绎，除了一些经验公式外，几乎对所有基本的物理公式都进行了详细的推导。计算物理模型中的所有公式均可从基础理论各章内容中追溯。尽管这将导致本书的撰写显得不够简洁,但可使其更适合众多光伏行业的科研人员和工程师阅读。
      希望本书的出版能对我国光伏科技人才的培养和新颖光伏器件的研究开发有促进作用。
      感谢我多年科研工作的合作伙伴金步平研究员，他细心地校阅了本书的前半部分章节。
      感谢国家科学技术学术著作出版基金的资助。
      需要特别说明的是，书中的公式、符号繁多，全书可能会有前后符号不统一或符号的下标标注不正确之处，请予谅解。
      本书的错误之处，敬请批评指正。
                                                                                           编著者

本书作者在参考国内外相关科技文献资料、了解前人研究成果的基础上，结合自己的研究和思考，应用量子力学基础理论、固体能带理论和半导体载流子运行规律，系统介绍了晶体硅太阳电池的电能产生机理。本书主要内容包括绪论、晶体硅的结构和基本物理化学性质、半导体中的能带与态密度、半导体中的载流子、半导体中载流子的输运、半导体pn结、晶体硅pn结太阳电池、金属-半导体（MS）结构与MS太阳电池、金属-绝缘体-半导体（MIS）结构与MIS太阳电池、晶体硅异质pn结太阳电池、硅基太阳电池的计算物理、太阳电池的光电转换效率、聚光太阳电池与叉指式背接触（IBC）太阳电池、晶体硅太阳电池的优化设计、纳米硅/硅异质结太阳电池、钙钛矿/硅串联太阳电池、太阳电池热物理分析。

本书作者在参考国内外相关科技文献资料、了解前人研究成果的基础上，结合自己的研究和思考，应用量子力学基础理论、固体能带理论和半导体载流子运行规律，系统介绍了晶体硅太阳电池的电能产生机理。本书主要内容包括绪论、晶体硅的结构和基本物理化学性质、半导体中的能带与态密度、半导体中的载流子、半导体中载流子的输运、半导体pn结、晶体硅pn结太阳电池、金属-半导体（MS）结构与MS太阳电池、金属-绝缘体-半导体（MIS）结构与MIS太阳电池、晶体硅异质pn结太阳电池、硅基太阳电池的计算物理、太阳电池的光电转换效率、聚光太阳电池与叉指式背接触（IBC）太阳电池、晶体硅太阳电池的优化设计、纳米硅/硅异质结太阳电池、钙钛矿/硅串联太阳电池、太阳电池热物理分析。

陈哲艮，研究员，全国"五一劳动奖章"获得者，有突出贡献的专家、全国优秀科技工作者，曾任中国光电技术发展中心常务副主任，浙江省能源研究所所长，中国化学与物理电源行业协会副理事长兼太阳能光伏行业分会副理事长等，长期从事教学与科研工作，曾获全国科学大会奖、国家科技进步二等奖和省部级科技一、二等奖多项。

第1章 绪论 
第2章 晶体硅的结构和基本物理化学性质 
2.1 硅的晶体结构 
2.1.1 化学键 
2.1.2 晶体结构 
2.1.3 表面与界面结构 
2.2 晶体硅的基本物理化学性质 
第3章 半导体中的能带与态密度 
3.1 自由电子的运动状态 
3.2 半导体的能带 
3.2.1 晶体能带的形成 
3.2.2 k空间的量子态分布 
3.2.3 硅晶体的能带结构 
3.3 半导体中的量子态 
3.3.1 自由电子的能量与动量之间的关系 
3.3.2 半导体中电子的能量与动量之间的关系 
3.3.3 半导体中电子的平均速度和加速度 
3.3.4 间接带隙材料与直接带隙材料 
3.3.5 半导体能带中的量子态密度 
第4章 半导体中的载流子 
4.1 波矢空间半导体载流子 
4.1.1 波矢空间半导体载流子的统计分布 
4.1.2 波矢空间半导体的载流子浓度和电流密度 
4.2 平衡状态下的载流子 
4.2.1 本征半导体硅与非本征半导体硅 
4.2.2 本征半导体中载流子浓度的统计分布 
4.2.3 掺杂半导体的能带结构 
4.2.4 n型半导体硅和p型半导体硅 
4.2.5 掺杂半导体的多子浓度 
4.2.6 掺杂半导体的少子浓度 
4.2.7 重掺杂简并半导体及其载流子浓度 
4.3 准平衡状态下的载流子 
4.3.1 准费米能级 
4.3.2 准平衡状态下载流子的统计分布 
4.3.3 准平衡状态下载流子浓度 
4.3.4 准平衡状态下电流密度 
4.3.5 存在温度梯度时的电流密度 
第5章 半导体中载流子的输运 
5.1 载流子的迁移率和漂移电流 
5.2 半导体的电阻率 
5.3 载流子的扩散和扩散电流 
5.4 载流子的总电流密度 
5.5 载流子的产生 
5.5.1 热平衡状态下载流子的产生 
5.5.2 光作用下载流子的产生 
5.6 半导体中载流子的复合 
5.6.1 直接复合 
5.6.2 俄歇复合 
5.6.3 缺陷复合 
5.6.4 表面复合和晶界复合 
5.6.5 辐照损伤导致的复合 
5.6.6 半导体的总复合率 
5.7 半导体内载流子的输运方程 
5.8 表面复合引起的界面电流 
5.9 半导体隧穿效应与隧穿电流 
第6章 半导体pn结 
6.1 半导体pn结的形成 
6.1.1 pn结的形成和杂质分布 
6.1.2 pn结的能带结构 
6.2 热平衡状态下的pn结 
6.2.1 热平衡状态下pn结的费米能级 
6.2.2 pn结的内建电势 
6.2.3 空间电荷区的宽度 
6.2.4 突变结和单边突变pn结 
6.3 准平衡状态下的pn结 
6.3.1 外加偏压下pn结能带结构和耗尽层宽度 
6.3.2 外加偏压时pn结的电流-电压特性 
6.3.3 温度对pn结电流的影响 
6.4 pn结的结电容 
6.5 浓度结 
6.6 半导体pn结击穿 
6.6.1 半导体中规则形状势垒的隧穿效应 
6.6.2 半导体pn结的隧穿效应击穿 
6.6.3 pn结的雪崩击穿 
6.6.4 热电击穿 
第7章 晶体硅pn结太阳电池 
7.1 晶体硅太阳电池的光伏效应 
7.2 基于等效电路的理想太阳电池的输出特性 
7.2.1 电流-电压特性 
7.2.2 输出功率、填充因子和光电转换效率 
7.3 基于微观机理的理想太阳电池输出特性 
7.3.1 太阳电池n型区和p型区电场强度为恒定值时的光谱电流-电压特性 
7.3.2 太阳电池n型区和p型区电场强度为恒定值时的全光谱电流-电压特性 
7.3.3 太阳电池n型区和p型区的电场强度为零时的电流-电压特性 
7.3.4太阳电池n型区和p型区的电场强度随位置变化时的电流-电压特性 
7.4 表面复合对太阳电池输出特性的影响 
7.5 准实际太阳电池的特性 
7.5.1 影响理想太阳电池性能的主要因素 
7.5.2 准实际太阳电池的输出特性 
第8章 金属-半导体（MS）结构与MS太阳电池 
8.1 金属-半导体接触 
8.1.1 金属和半导体的功函数 
8.1.2 肖特基势垒 
8.1.3 金属-半导体接触的电荷和电场分布 
8.2 金属-半导体接触的整流特性 
8.2.1 整流特性 
8.2.2 热电子发射机理 
8.2.3 镜像力引起的势垒降低 
8.3 金属-半导体欧姆接触 
8.3.1 粒子隧穿非矩形势垒的隧穿效应 
8.3.2 肖特基势垒的隧穿电流 
8.3.3 金属-半导体的欧姆接触 
8.4 少子的扩散电流 
8.5 MS肖特基结太阳电池 
8.5.1 肖特基结太阳电池的光伏效应 
8.5.2 光电流和光电压 
第9章 金属-绝缘体-半导体（MIS）结构与MIS太阳电池 
9.1 理想MIS结构的能带图 
9.1.1 理想晶体的表面态 
9.1.2 MIS结构 
9.1.3 理想MIS结构的能带图 
9.2 理想MIS结构的表面空间电荷 
9.2.1 表面层的空间电荷密度与表面势的关系 
9.2.2 耗尽层宽度 
9.2.3 深耗尽状态 
9.3 理想MIS结构的电容特性 
9.4 MIS结构中的载流子输运 
9.5 半导体表面层的电导和场效应 
9.5.1 半导体表面层的电导 
9.5.2 表面载流子的有效迁移率 
9.6 金属-氧化物-半导体(MOS)结构 
9.6.1 MOS结构的功函数差 
9.6.2 硅MOS结构中的空间电荷 
9.6.3 Si-SiO2界面处的界面态 
9.6.4 氧化物电荷和功函数差对C-V曲线的影响 
9.7 MIS结构的隧穿效应 
9.7.1 粒子隧穿势垒的量子传输系数 
9.7.2 界面态及其模型 
9.7.3 通过绝缘体势垒和界面态的量子传输系数 
9.7.4 隧穿俘获截面和捕获概率 
9.8 界面态复合隧穿电流 
9.8.1 半导体中电子的表面复合 
9.8.2 金属中电子的陷阱复合 
9.8.3 界面态的占据率和隧穿电流 
9.9 载流子通过绝缘体势垒的隧穿电流 
9.9.1 MIS结构中的绝缘层 
9.9.2 从半导体到金属的隧穿电流 
9.9.3 通过绝缘体的净隧穿电流 
9.10 MIS太阳电池 
9.10.1 MIS太阳电池的能带结构 
9.10.2 MIS太阳电池绝缘体中的电压降和电荷分布 
9.10.3 MIS太阳电池中的电流分量 
9.10.4 MIS太阳电池中的总电流 
9.10.5 MIS太阳电池的开路电压 
第10章 晶体硅异质pn结太阳电池 
10.1 半导体异质结及其能带图结构 
10.2 突变异质结的输出特性 
10.2.1 内建电势和势垒宽度 
10.2.2 结电容 
10.2.3 异质结的电流-电压特性 
10.3 异质结太阳电池 
10.3.1 异质结太阳电池的结构 
10.3.2 异质结太阳电池的光伏效应 
10.4 异质结太阳电池n型区和p型区电场强度为恒定值时的输出特性 
10.4.1 光谱短路电流密度 
10.4.2 光谱复合电流密度 
10.4.3 异质结太阳电池的总电流-电压特性 
10.5 异质结太阳电池n型区和p型区电场强度为零时的电流-电压特性 
10.6 异质结太阳电池的效率 
10.7 硅基异质结太阳电池 
10.7.1 HIT硅基异质结太阳电池 
10.7.2 非晶硅和纳米硅材料 
10.7.3 n型晶体硅基底和p型晶体硅基底HIT太阳电池 
第11章 硅基太阳电池的计算物理 
11.1 太阳电池数值计算的物理模型 
11.2 泊松方程 
11.2.1 泊松方程中的静电势 
11.2.2 泊松方程中的空间电荷密度 
11.3 载流子的连续性方程 
11.3.1 电子电流密度和空穴电流密度 
11.3.2 光生载流子的产生率 
11.3.3 载流子复合率 
11.4 太阳电池数值模拟方法 
11.4.1 数值模拟计算的一般概念 
11.4.2 太阳电池基本方程和边界条件 
11.4.3 数值计算方法的求解 
11.4.4 数值模拟计算实例 
11.4.5 改进的模拟软件wxAMPS 
第12章 太阳电池的光电转换效率 
12.1 太阳电池光电转换效率的极限 
12.2 晶体硅太阳电池光电转换效率的极限 
12.2.1 晶体硅pn结太阳电池光电转换效率的极限 
12.2.2 硅基叠层太阳电池光电转换效率的极限 
12.3 影响太阳电池光电转换效率的因素 
12.3.1 光电转换过程的能量损耗 
12.3.2 影响太阳电池性能参数的因素分析 
12.3.3 高掺杂效应对太阳电池光电转换效率的影响 
12.4 高效晶体硅太阳电池实例 
12.4.1 选择性发射极(SE)太阳电池 
12.4.2 硅基异质结（SHJ）太阳电池 
12.4.3 叉指式背接触（IBC）太阳电池 
12.4.4 隧穿氧化层钝化接触（TOP-Con）太阳电池 
12.4.5 双面太阳电池及组件 
12.4.6 发射极钝化及背面局部扩散(PERL)太阳电池 
12.4.7 黑硅太阳电池 
12.4.8 多种高效技术相结合的太阳电池 
12.4.9 叠瓦太阳电池组件 
第13章 聚光太阳电池与叉指式背接触（IBC）太阳电池 
13.1 聚光太阳电池的特性 
13.1.1 低聚光率的聚光太阳电池 
13.1.2 高聚光率的聚光太阳电池 
13.2 叉指式背接触(IBC)太阳电池 
13.3 IBC 聚光太阳电池一维模拟 
13.3.1 太阳电池的终端电流方程 
13.3.2 高注入下的复合电流密度 
13.3.3 高注入下的太阳电池输出特性 
13.4 IBC 聚光太阳电池三维模拟 
13.4.1 太阳电池的基本方程 
13.4.2 终端电流的求解方法 
13.4.3 终端电压的求解方法 
13.4.4 高注入下基区的输运方程 
13.4.5 载流子复合电流的计算 
13.4.6 基区载流子浓度的变分解 
13.4.7 载流子浓度的计算 
13.4.8 终端输出电流的计算 
13.4.9 终端电压的计算 
13.4.10 数值模拟计算 
13.5 太阳电池边角部位的复合和边缘距离 
第14章 晶体硅太阳电池的优化设计 
14.1 晶体硅太阳电池优化设计的几项基础

本书作者在参考国内外相关科技文献资料、了解前人研究成果的基础上，结合自己的研究和思考，应用量子力学基础理论、固体能带理论和半导体载流子运行规律，系统介绍了晶体硅太阳电池的电能产生机理。本书主要内容包括绪论、晶体硅的结构和基本物理化学性质、半导体中的能带与态密度、半导体中的载流子、半导体中载流子的输运、半导体pn结、晶体硅pn结太阳电池、金属-半导体（MS）结构与MS太阳电池、金属-绝缘体-半导体（MIS）结构与MIS太阳电池、晶体硅异质pn结太阳电池、硅基太阳电池的计算物理、太阳电池的光电转换效率、聚光太阳电池与叉指式背接触（IBC）太阳电池、晶体硅太阳电池的优化设计、纳米硅/硅异质结太阳电池、钙钛矿/硅串联太阳电池、太阳电池热物理分析。

陈哲艮，研究员，全国"五一劳动奖章"获得者，有突出贡献的专家、全国优秀科技工作者，曾任中国光电技术发展中心常务副主任，浙江省能源研究所所长，中国化学与物理电源行业协会副理事长兼太阳能光伏行业分会副理事长等，长期从事教学与科研工作，曾获全国科学大会奖、国家科技进步二等奖和省部级科技一、二等奖多项。