太阳能光伏理化基础（第三版）

第1章光资源 
1.1光与光谱1 
1.1.1光的本质1 
1.1.2光波2 
1.1.3光谱2 
1.2太阳光谱能量分布3 
1.2.1大气层外的太阳光谱4 
1.2.2到达地面的太阳辐射4 
1.3太阳辐射4 
1.3.1太阳基本知识4 
1.3.2太阳辐射基本概念5 
1.3.3地面太阳辐射7 
1.4全国光资源分布情况8 
本章小结9 
思考题10 

第2章原子结构 
2.1氢原子光谱与玻尔理论11 
2.1.1氢原子光谱11 
2.1.2玻尔理论13 
2.2微观粒子运动的规律16 
2.2.1波粒二象性16 
2.2.2测不准原理16 
2.2.3波函数与原子轨道17 
2.2.4四个量子数18 
2.3原子核外电子排布20 
2.3.1屏蔽效应21 
2.3.2穿透效应22 
2.3.3能级交错及近似能级图22 
2.3.4核外电子排布24 
本章小结25 
思考题26 

第3章化学键与分子结构 
3.1离子键27 
3.1.1离子键的形成27 
3.1.2离子键的形成条件28 
3.1.3离子键的特点29 
3.1.4离子晶体29 
3.1.5离子晶体的结构30 
3.2共价键32 
3.2.1价键理论32 
3.2.2共价键的类型34 
3.2.3杂化轨道理论35 
3.2.4分子晶体和原子晶体37 
3.3金属键39 
3.3.1金属键的改性共价键理论39 
3.3.2金属键的能带理论39 
3.3.3金属键的本质40 
3.3.4金属晶体41 
本章小结42 
思考题42 

第4章晶体的基本知识 
4.1晶体与非晶体43 
4.2晶体的特性44 
4.2.1晶体的自限性45 
4.2.2晶体的对称性45 
4.2.3晶体固定的熔点46 
4.2.4晶体的均匀性47 
4.2.5晶体的各向异性47 
4.2.6晶体的解理性47 
4.2.7最小内能和稳定性48 
4.2.8X射线衍射特性48 
4.3常见晶体的类型48 
4.3.1晶体的分类49 
4.3.2常见半导体材料49 
4.3.3半导体的掺杂50 
4.4空间点阵和晶胞50 
4.4.1晶体的微观描述50 
4.4.2晶格的周期性52 
4.4.3晶列、晶向、晶面53 
4.4.4晶体结构的分类57 
4.4.5常见的晶体结构59 
4.4.6晶体中原子排列的配位数和致密度64 
本章小结65 
思考题65 

第5章晶体缺陷 
5.1概述66 
5.2晶体缺陷68 
5.2.1点缺陷68 
5.2.2线缺陷70 
5.2.3面缺陷77 
5.2.4体缺陷79 
5.3晶硅中的缺陷及其影响79 
5.3.1氧杂质及其影响79 
5.3.2碳杂质及其影响81 
5.3.3氢杂质及其影响81 
5.3.4金属杂质及其影响82 
5.3.5位错及其影响84 
5.3.6晶界及其影响84 
本章小结85 
思考题85 

第6章半导体材料性能 
6.1半导体的特性86 
6.1.1正格子和倒格子86 
6.1.2波函数87 
6.1.3半导体中的电子状态和能带88 
6.1.4半导体中的杂质和缺陷能级93 
6.2热平衡载流子96 
6.2.1状态密度96 
6.2.2统计规律97 
6.2.3费米分布函数和费米能级98 
6.2.4导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度99 
6.2.5非简并半导体100 
6.2.6本征载流子浓度101 
6.2.7杂质半导体的载流子浓度102 
6.2.8简并半导体105 
6.3非平衡载流子106 
6.3.1准费米能级106 
6.3.2半导体的光吸收107 
6.3.3非平衡载流子的寿命111 
6.3.4复合过程112 
6.4载流子的输运116 
6.4.1漂移运动116 
6.4.2迁移率117 
6.4.3扩散运动118 
6.4.4电流密度方程和爱因斯坦关系式120 
6.4.5泊松方程121 
6.4.6连续性方程121 
6.5PN结及其特性图122 
6.5.1空间电荷区与接触电势差123 
6.5.2PN结的电场强度124 
6.5.3PN结的电势分布125 
6.5.4空间电荷区宽度126 
6.5.5PN结内电荷流动的定性描述126 
6.5.6理想的电流-电压关系127 
6.5.7电流电压关系的非理想因素129 
6.6PIN结131 
6.7金属-半导体接触131 
6.7.1金属-半导体接触132 
6.7.2欧姆接触133 
6.8半导体-半导体异质结135 
本章小结137 
思考题137 

第7章光伏电池性能 
7.1光伏发电原理138 
7.1.1光伏行为来源139 
7.1.2光生伏特效应140 
7.1.3光伏电池的I-V特性142 
7.2光伏电池性能表征142 
7.3光伏电池的效率143 
7.4光伏电池效率分析145 
7.4.1禁带宽度的影响145 
7.4.2温度的影响145 
7.4.3寿命和扩散长度的影响146 
7.4.4寄生电阻的影响147 
7.5晶硅光伏产业链概述148 
7.5.1硅材料的冶炼149 
7.5.2高纯度多晶硅的提纯149 
7.5.3直拉单晶硅棒149 
7.5.4铸造多晶硅锭151 
7.5.5硅片加工151 
7.5.6晶硅电池及组件制备152 
7.5.7光伏发电系统152 
本章小结154 
思考题154 

第8章光伏电池的化学反应 
8.1酸反应155 
8.1.1硅锭（棒）材料清洗过程中的酸腐蚀反应155 
8.1.2硅片清洗过程的酸反应156 
8.1.3光伏电池制备工艺中的酸反应156 
8.2碱反应157 
8.2.1硅锭（棒）材料清洗过程中的碱腐蚀反应157 
8.2.2硅片清洗过程的碱反应157 
8.2.3光伏电池制备工艺中的碱反应157 
8.3其他化学反应158 
8.3.1多晶硅原料制备中的化学反应158 
8.3.2晶硅电池扩散工序中的化学反应159 
8.3.3晶硅电池PECVD工序中的化学反应160 
本章小结160 
思考题161 

第9章其他新型太阳电池的理论知识 
9.1GaAs电池162 
9.1.1GaAs的晶体结构162 
9.1.2GaAs的能带结构163 
9.1.3GaAs的迁移率与饱和漂移速度164 
9.1.4GaAs晶体的缺陷和位错165 
9.1.5GaAs晶体的杂质165 
9.1.6砷化镓太阳电池的结构和制备方法166 
9.2CdTe电池168 
9.2.1CdTe材料的基本性质168 
9.2.2CdTe太阳电池的结构和工作原理169 
9.2.3CdTe太阳电池制备工艺170 
9.3CIGS电池171 
9.3.1CIGS材料的基本性质171 
9.3.2CIGS太阳电池的结构和工作原理173 
9.3.3CIGS太阳电池制备工艺174 
9.4有机太阳电池174 
9.4.1有机高分子太阳电池174 
9.4.2染料敏化太阳电池176 
9.4.3钙钛矿太阳电池178 
本章小结181 
思考题181 

参考文献182 

本书是“十三五”职业教育国家规划教材的修订版。本书内容主要包括：光资源、原子结构、化学键与分子结构、晶体的基本知识、晶体缺陷、半导体材料性能、光伏电池性能、光伏电池的化学反应、其他新型太阳电池的理论知识。本次修订增加了第1~7章的配套视频资源，扫描二维码即可进行在线学习，丰富了教材内容和学习形式，促进学习者自学能力持续提升。另外，新设知识拓展环节，以二维码形式呈现，可以根据产业发展进行实时更新。此次修订还增设了思政与职业素养目标，引导学习者掌握知识技能的同时，注重道德品质和职业素养的提升，争做德技兼修的复合型技能型人才。本书可以作为高职高专光伏类专业学生的教材，同时可作为企业员工的岗位培训教材，也可以作为相关专业的工程技术人员参考书。

第1章光资源 
1.1光与光谱1 
1.1.1光的本质1 
1.1.2光波2 
1.1.3光谱2 
1.2太阳光谱能量分布3 
1.2.1大气层外的太阳光谱4 
1.2.2到达地面的太阳辐射4 
1.3太阳辐射4 
1.3.1太阳基本知识4 
1.3.2太阳辐射基本概念5 
1.3.3地面太阳辐射7 
1.4全国光资源分布情况8 
本章小结9 
思考题10 

第2章原子结构 
2.1氢原子光谱与玻尔理论11 
2.1.1氢原子光谱11 
2.1.2玻尔理论13 
2.2微观粒子运动的规律16 
2.2.1波粒二象性16 
2.2.2测不准原理16 
2.2.3波函数与原子轨道17 
2.2.4四个量子数18 
2.3原子核外电子排布20 
2.3.1屏蔽效应21 
2.3.2穿透效应22 
2.3.3能级交错及近似能级图22 
2.3.4核外电子排布24 
本章小结25 
思考题26 

第3章化学键与分子结构 
3.1离子键27 
3.1.1离子键的形成27 
3.1.2离子键的形成条件28 
3.1.3离子键的特点29 
3.1.4离子晶体29 
3.1.5离子晶体的结构30 
3.2共价键32 
3.2.1价键理论32 
3.2.2共价键的类型34 
3.2.3杂化轨道理论35 
3.2.4分子晶体和原子晶体37 
3.3金属键39 
3.3.1金属键的改性共价键理论39 
3.3.2金属键的能带理论39 
3.3.3金属键的本质40 
3.3.4金属晶体41 
本章小结42 
思考题42 

第4章晶体的基本知识 
4.1晶体与非晶体43 
4.2晶体的特性44 
4.2.1晶体的自限性45 
4.2.2晶体的对称性45 
4.2.3晶体固定的熔点46 
4.2.4晶体的均匀性47 
4.2.5晶体的各向异性47 
4.2.6晶体的解理性47 
4.2.7最小内能和稳定性48 
4.2.8X射线衍射特性48 
4.3常见晶体的类型48 
4.3.1晶体的分类49 
4.3.2常见半导体材料49 
4.3.3半导体的掺杂50 
4.4空间点阵和晶胞50 
4.4.1晶体的微观描述50 
4.4.2晶格的周期性52 
4.4.3晶列、晶向、晶面53 
4.4.4晶体结构的分类57 
4.4.5常见的晶体结构59 
4.4.6晶体中原子排列的配位数和致密度64 
本章小结65 
思考题65 

第5章晶体缺陷 
5.1概述66 
5.2晶体缺陷68 
5.2.1点缺陷68 
5.2.2线缺陷70 
5.2.3面缺陷77 
5.2.4体缺陷79 
5.3晶硅中的缺陷及其影响79 
5.3.1氧杂质及其影响79 
5.3.2碳杂质及其影响81 
5.3.3氢杂质及其影响81 
5.3.4金属杂质及其影响82 
5.3.5位错及其影响84 
5.3.6晶界及其影响84 
本章小结85 
思考题85 

第6章半导体材料性能 
6.1半导体的特性86 
6.1.1正格子和倒格子86 
6.1.2波函数87 
6.1.3半导体中的电子状态和能带88 
6.1.4半导体中的杂质和缺陷能级93 
6.2热平衡载流子96 
6.2.1状态密度96 
6.2.2统计规律97 
6.2.3费米分布函数和费米能级98 
6.2.4导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度99 
6.2.5非简并半导体100 
6.2.6本征载流子浓度101 
6.2.7杂质半导体的载流子浓度102 
6.2.8简并半导体105 
6.3非平衡载流子106 
6.3.1准费米能级106 
6.3.2半导体的光吸收107 
6.3.3非平衡载流子的寿命111 
6.3.4复合过程112 
6.4载流子的输运116 
6.4.1漂移运动116 
6.4.2迁移率117 
6.4.3扩散运动118 
6.4.4电流密度方程和爱因斯坦关系式120 
6.4.5泊松方程121 
6.4.6连续性方程121 
6.5PN结及其特性图122 
6.5.1空间电荷区与接触电势差123 
6.5.2PN结的电场强度124 
6.5.3PN结的电势分布125 
6.5.4空间电荷区宽度126 
6.5.5PN结内电荷流动的定性描述126 
6.5.6理想的电流-电压关系127 
6.5.7电流电压关系的非理想因素129 
6.6PIN结131 
6.7金属-半导体接触131 
6.7.1金属-半导体接触132 
6.7.2欧姆接触133 
6.8半导体-半导体异质结135 
本章小结137 
思考题137 

第7章光伏电池性能 
7.1光伏发电原理138 
7.1.1光伏行为来源139 
7.1.2光生伏特效应140 
7.1.3光伏电池的I-V特性142 
7.2光伏电池性能表征142 
7.3光伏电池的效率143 
7.4光伏电池效率分析145 
7.4.1禁带宽度的影响145 
7.4.2温度的影响145 
7.4.3寿命和扩散长度的影响146 
7.4.4寄生电阻的影响147 
7.5晶硅光伏产业链概述148 
7.5.1硅材料的冶炼149 
7.5.2高纯度多晶硅的提纯149 
7.5.3直拉单晶硅棒149 
7.5.4铸造多晶硅锭151 
7.5.5硅片加工151 
7.5.6晶硅电池及组件制备152 
7.5.7光伏发电系统152 
本章小结154 
思考题154 

第8章光伏电池的化学反应 
8.1酸反应155 
8.1.1硅锭（棒）材料清洗过程中的酸腐蚀反应155 
8.1.2硅片清洗过程的酸反应156 
8.1.3光伏电池制备工艺中的酸反应156 
8.2碱反应157 
8.2.1硅锭（棒）材料清洗过程中的碱腐蚀反应157 
8.2.2硅片清洗过程的碱反应157 
8.2.3光伏电池制备工艺中的碱反应157 
8.3其他化学反应158 
8.3.1多晶硅原料制备中的化学反应158 
8.3.2晶硅电池扩散工序中的化学反应159 
8.3.3晶硅电池PECVD工序中的化学反应160 
本章小结160 
思考题161 

第9章其他新型太阳电池的理论知识 
9.1GaAs电池162 
9.1.1GaAs的晶体结构162 
9.1.2GaAs的能带结构163 
9.1.3GaAs的迁移率与饱和漂移速度164 
9.1.4GaAs晶体的缺陷和位错165 
9.1.5GaAs晶体的杂质165 
9.1.6砷化镓太阳电池的结构和制备方法166 
9.2CdTe电池168 
9.2.1CdTe材料的基本性质168 
9.2.2CdTe太阳电池的结构和工作原理169 
9.2.3CdTe太阳电池制备工艺170 
9.3CIGS电池171 
9.3.1CIGS材料的基本性质171 
9.3.2CIGS太阳电池的结构和工作原理173 
9.3.3CIGS太阳电池制备工艺174 
9.4有机太阳电池174 
9.4.1有机高分子太阳电池174 
9.4.2染料敏化太阳电池176 
9.4.3钙钛矿太阳电池178 
本章小结181 
思考题181 

参考文献182