第1章 绪论

太阳电池指的是将太阳辐射能直接转换为电能的半导体光电器件。

早在1939年，法国物理学家亚历山大·埃德蒙·贝克勒尔（Alexander-Edmond Becquerel）就发现了光生伏打效应。所谓光生伏打效应，是指当光照射到设置有两个电极的固态或液态系统时，电极之间能产生光生电压。光生伏打效应简称光伏效应。基于晶体硅光生伏打效应的太阳电池称为晶体硅太阳电池。当光量子被半导体晶体硅吸收后，将产生电子-空穴对。这些电子-空穴对到达由p型晶体硅和n型晶体硅组成的pn结时，被结电场分离到pn结的两侧。当其外接负载时，就形成光电流，输出电能。实际使用太阳电池时，需要将它们串/并联后封装在一起，制成太阳电池组件。

1954年，贝尔（Bell）实验室的达里尔·沙潘（Daryl Chapin）、加尔文·富勒（Calvin Fuller）和吉拉德·皮尔森（Gerald Pearson）利用光伏效应研制成光电转换效率为6%的太阳电池^[1，2]。而后，太阳电池的光电转换效率很快就增加到10%，并成功应用到人造卫星上作为卫星电源，然后逐步扩展到地面上的应用。现在，晶体硅太阳电池/组件的光电转换效率为19%～23%。目前，实验室中的最高光电转换效率为26.7%，已接近太阳电池光电转换效率的理论极限——29%。

利用太阳电池发电的一次能源是太阳辐射能，它遍布全球，取之不尽，用之不竭。太阳电池无噪声、无污染、不产生高温，而且使用寿命很长。它还是一种灵活性很强的能源，其发电功率范围可以小到数毫瓦，大到数千兆瓦。我国拥有丰富的太阳能资源，特别是在大西北地区，那里阳光资源极其丰富，有着巨大的开发潜力^[3]。若有朝一日能实现世界各国太阳能电力联网，全球互补发电，将极其有利于世界各国和平相处、共同发展。

制造晶体硅太阳电池时，硅片所占的成本比较高。为了降低硅片制造成本，20世纪70年代出现了一种先浇铸制造硅锭再将其切割成硅片的技术。所以晶体硅电池主要有两类，即采用单晶硅片制造的单晶硅太阳电池和采用多晶硅片制造的多晶硅太阳电池。

除了晶体硅，人们还找到一些其他太阳电池材料，但至今硅基太阳电池仍然以绝对优势占据着太阳电池市场，约占各种形式太阳电池总量的90%以上。这主要是由于地球上硅的储量丰富，晶体结构稳定，硅半导体器件工艺成熟，对环境的影响很小，而且有希望进一步提高光电转换效率，降低生产成本。

进一步提高晶体硅太阳电池光电转换效率的有效措施是提高太阳电池对太阳光能的利用率，同时降低太阳电池在光能转换过程中的下述各类损失。

电池前表面光反射损失；

由电极栅线遮挡引起的光学损失；

能量小于半导体材料的禁带宽度长波长入射光子的透射损失；

能量超过硅禁带宽度（hv＞E_g）的光子，其大于禁带宽度的那部分能量通过与晶格碰撞的热弛豫而损失；

电池的硅片表面及内部的光生载流子复合损失；

由金属栅线接触电阻引起的电能损失等。

在成本有效的前提下，提高太阳电池光电转换效率成为主要研究方向。在光伏理论指导下，通过材料、结构及工艺的改进，现在已有多种晶体硅太阳电池的实验室光电转换效率超过了25%，如钝化发射极与背部局域扩散（PERL）太阳电池、具有本征非晶硅层的异质结（HIT）太阳电池、叉指式背接触（IBC）太阳电池、TOP-Con太阳电池、异质结背接触（HIBC）太阳电池。

1.PERL太阳电池

PERL太阳电池是澳大利亚新南威尔士大学最先研制的，其核心技术是钝化发射极与背部局域扩散。图1-1所示的是PERL太阳电池结构示意图。

PERL太阳电池的技术特点如下所述。

通过光刻和碱溶液腐蚀技术，制备倒金字塔绒面后，再覆盖双层减反射膜，降低电池表面光反射损失。

电池前表面采用了密细栅线技术，可降低电池表面栅线遮光面积。

采用选择性发射极技术，通过热生长的SiO₂薄膜钝化电池的前表面和背面，并利用点接触背面金属结构和金属接触孔的重掺杂扩散（n⁺或p⁺）钝化，降低电池的表面复合速率。结合双面电池技术，在背面采用氧化层钝化隧道接触，从而获得了较高的实验室光电转换效率^[4]。

2.HIT太阳电池

HIT太阳电池是由晶体硅和非晶硅组成的异质结太阳电池^[5]。HIT太阳电池的技术特点是：采用异质结结构，使电池具有较高的开路电压；在异质结界面插入本征非晶硅薄层，从而有效地钝化了电池的表面，降低了表面载流子复合；发射极采用宽带隙的非晶硅薄膜，在它上面再覆盖透明导电氧化物（TCO）薄膜，提高了电池的光透过率和电池表面的导电性；电池制造在200℃以下进行，使得硅片的载流子寿命不会因电池制造过程中的高温烧结而降低。图1-2所示的是HIT太阳电池结构示意图。

3.IBC太阳电池

IBC太阳电池的结构特点是，为了避免由电池前表面栅线造成的遮光损失，在前表面不设置电极栅线，pn结与正、负电极采用叉指形状排列于电池的背面。IBC太阳电池结构示意图如图1-3所示。在电池背面采用扩散法形成p⁺和n⁺交叉间隔电极接触处的高掺杂区，通过在SiO₂隔离钝化膜上开孔，实现金属电极与发射区或基区的点接触连接，SiO₂膜兼具钝化作用，显著降低了光生载流子的背表面复合速率；背接触结构还降低了太阳电池的串联电阻，改善了电池的填充因子，提高了电池的光电转换效率。

4.TOP-Con太阳电池

TOP-Con（Tunnel Oxide Passivated Contact）太阳电池的背面借助隧穿效应，采用薄氧化膜钝化接触，有效降低了表面复合速率。TOP-Con太阳电池以高掺杂硅薄膜实现选择性接触，从而获得了较高的光电转换效率，同时避免了背面氧化物钝化层的开孔工艺，降低了制造成本。TOP-Con太阳电池结构示意图如图1-4所示。

5.HIBC太阳电池

HIBC太阳电池是一种异质结背接触太阳电池。电池的结构特点是将背接触（IBC）和异质结（HIT）电池技术结合，形成高效的电池结构，如图1-5所示。这种电池兼具IBC电池和HIT电池的优点，在电池前表面没有栅线，并利用具有高开路电压的异质结结构，得到了接近27%的光电转换效率。

上述这些高效晶体硅太阳电池正在不断发展中，其光电转换效率纪录也不断被刷新^[4]。

这些高效太阳电池的设计思路将在第12章中讨论，其制造方法参见《晶体硅太阳电池制造工艺原理》^[5]。

本书以下各章将系统讨论太阳电池将光能转换为电能的工作机理，为进一步设计新颖的太阳电池和改进现有的太阳电池提供理论基础。