硅太阳能电池光伏材料(种法力)（第2版）

煤、石油、天然气等资源不可再生，储量越来越少，消耗量却越来越多，传统能源供给捉襟见肘，在生产和消费过程中也会有大量污染物排放，破坏生态和环境。太阳能、风能、水能、潮汐能等被认为是无污染的清洁能源，在一些国家很大程度上缓解了能源压力，其中太阳能取之不尽、用之不竭，成为一种重要的可再生能源。太阳能光伏发电得到世界普遍的应用和推广，该发电系统建设周期短、使用寿命长、维护简单、安全可靠、对环境污染小、规模大小可自由控制，而且光伏建筑一体化集建筑材料的功能与发电于一体，提升了建筑物的美感，节约了安装空间。
我国有丰富的太阳能资源，光伏发电具有巨大的潜力，已经形成了完整的光伏产业链，在世界光伏产业上占据非常重要的地位。从太阳能电池产量来看，晶体硅太阳能电池仍然占据主导地位，市场占有量一直在90%以上。晶体硅太阳能电池具有较为成熟的制作工艺和显著的优点，转化效率不断升高，成本大幅度降低，在今后较长的一段时间内，这种主导地位将不会改变。
本书贴合最新的工业工艺、紧跟当前科技前沿，内容涵盖了多晶硅原料工艺、切片技术、电池片工艺技术，以及光伏发电系统等内容。本书在编写过程中重视理论与实践的结合，在理论阐述上浅显易懂，知识量达到够用、实用即可，在实践上注重实践技能的可操作性，力求读者能够顺利掌握实际生产操作技能。本书第1版由编著者多年的授课讲义和生产实践总结整理而成，第2版增加了新工艺、新技术，如连续加料直拉技术、磁控直拉技术、多栅技术、无主栅技术、多晶黑硅技术以及高效PERC、PERL、IBC等电池，对陈旧内容做了删减。
本书由种法力、滕道祥进行第1版编著和第2版修订。另外，对在本书编写过程中提出宝贵意见的老师和朋友，表示衷心感谢。
由于编著者知识面和水平以及掌握的文献资料有限，并考虑到科学技术的快速发展，知识在不断地更新，书中不妥之处在所难免，敬请读者批评指正。

编著者
2020年11月

种法力，徐州工程学院，教授，主编种法力从事新能源相关课程教学10余年，多次深入光伏企业进行调研和相关技术研讨、参加光伏相关学术会议，每年带领学生到企业进行实践教学，具备实践经验

《硅太阳能电池光伏材料》（第2版）内容包括半导体基础、太阳能电池基本原理、多晶硅原料制造工艺、单晶硅棒制造工艺、多晶硅锭铸造工艺、晶体硅切片工艺、硅电池片制造工艺、光伏发电系统。本书主要工艺原理、生产技术等内容来源于真实企业生产实际以及科研单位最新研究成果。本书相对第1版增加了新工艺、新技术，如连续加料直拉技术、磁控直拉技术、多栅技术、无主栅技术、多晶黑硅技术以及高效PERC、PERL、IBC等电池，对陈旧内容做了删减。
本书入选“‘十三五’江苏省高等学校重点教材”(编号2017-1-139)，可供光伏工程、新能源科学与工程、材料科学与工程等相关专业教学使用，也可供相关专业研究、开发技术人员参考。

第1章绪论/001
1.1能源和经济001
1.23E问题004
1.3温室效应006
1.3.1地球温度估算006
1.3.2温室效应本质006
1.4臭氧层空洞007
1.5酸雨008
1.6其他污染008
1.7太阳辐射009
1.8大气质量012
1.9太阳能的利用013
1.10太阳能的优缺点015
1.11太阳能电池的发展史016
1.12中国太阳能电池历史及产业现状与未来017

第2章半导体基础/020
2.1半导体020
2.1.1半导体分类和特征021
2.1.2电阻率、电导率021
2.2半导体晶体结构022
2.2.1晶体特征023
2.2.2晶体结构024
2.2.3晶向与晶面025
2.2.4晶向与晶面的关系028
2.2.5结晶过程031
2.2.6晶核形成032
2.2.7晶体缺陷033
2.3固体能带理论038
2.3.1能级038
2.3.2能带038
2.3.3半导体导电能力能带解释040
2.3.4费米能级041
2.4半导体纯度041
2.5半导体导电原理042
2.5.1电子、空穴042
2.5.2载流子043
2.6本征半导体045
2.7杂质半导体046
2.7.1半导体中杂质填充046
2.7.2深/浅能级杂质047
2.7.3电活性/电中性杂质047
2.7.4N型半导体047
2.7.5P型半导体049
2.7.6杂质对电阻率的影响050
2.8P-N结050
2.8.1P-N结形成050
2.8.2P-N结单向导通性052
2.8.3P-N结击穿053
2.8.4P-N结伏安特性054
2.8.5P-N结电场和电势055
2.8.6P-N结电容特性058
2.8.7P-N结应用060

第3章太阳能电池基本原理/061
3.1太阳能电池061
3.1.1光电效应061
3.1.2光伏效应062
3.2太阳能电池基本结构063
3.3太阳能电池表征参数064
3.4太阳能电池电路模型066
3.5半导体光吸收067
3.6量子效率070
3.7太阳能电池的光谱响应071
3.8太阳能电池转换效率影响因素072
3.8.1光损失072
3.8.2载流子复合损失073
3.8.3电流输出损失074
3.9太阳能电池转换效率η极限075
3.9.1短路电流Isc极限075
3.9.2开路电压Voc极限076
3.9.3填充因子FF极限076
3.9.4转换效率η极限076
3.10温度对太阳能电池的影响077
3.11太阳能电池组件的“热斑效应”079

第4章多晶硅原料制造工艺/084
4.1太阳能电池材料选择084
4.2硅材料特征085
4.2.1硅材料物理属性085
4.2.2硅材料化学属性087
4.3硅的用途087
4.4金属硅制造088
4.4.1金属硅制造原理088
4.4.2金属硅制造流程090
4.4.3金属硅生产影响因素093
4.4.4工业硅烟气处理095
4.4.5金属硅现状095
4.5改良西门子法制造多晶硅097
4.5.1三氯硅烷制备098
4.5.2SiHCl3氢气还原制备多晶硅原料102
4.5.3西门子多晶硅原料106
4.5.4硅芯107
4.5.5氢气制备与净化107
4.5.6氯化氢合成107
4.5.7废气、废液、废渣处理108
4.6硅烷法制造多晶硅109
4.6.1硅烷性质109
4.6.2流化床法110
4.6.3硅烷热分解法114
4.7多晶硅其他制备方法115

第5章单晶硅棒制造工艺/117
5.1直拉法制造单晶硅棒117
5.1.1直拉单晶炉117
5.1.2热场121
5.1.3热场温度梯度124
5.1.4拆炉127
5.1.5热场安装和煅烧129
5.1.6石英坩埚131
5.1.7籽晶133
5.1.8直拉单晶硅料133
5.1.9直拉单晶流程135
5.1.10熔体对流142
5.1.11杂质分凝143
5.1.12硅中杂质144
5.1.13电阻率均匀性控制149
5.1.14晶体杂质条纹151
5.1.15掺杂151
5.1.16单晶硅良率控制153
5.1.17单晶车间生产事故及处理154
5.2连续加料直拉法155
5.3磁控直拉法156
5.3.1磁控直拉法原理157
5.3.2磁控直拉法磁场157
5.4悬浮区熔法制造单晶硅棒159
5.4.1悬浮区熔原理159
5.4.2熔硅稳定问题159
5.4.3中子嬗变掺杂160
5.4.4悬浮区熔单晶炉161
5.5无接触坩埚技术162
5.6液体覆盖直拉技术162

第6章多晶硅锭铸造工艺/163
6.1多晶硅发展163
6.2多晶硅锭铸造原理163
6.3定向凝固传热分析164
6.4布里曼法165
6.5热交换法165
6.5.1热交换炉166
6.5.2铸造硅锭工艺流程168
6.6浇铸法171
6.7电磁铸造法172
6.8多晶硅锭掺杂173
6.9多晶硅锭温度影响174
6.10多晶硅锭杂质174
6.10.1非金属杂质174
6.10.2金属杂质176
6.11多晶硅锭缺陷176

第7章晶体硅切片工艺/178
7.1硅片分类178
7.2硅片切片流程179
7.2.1光伏硅切片179
7.2.2晶圆单晶硅切片184
7.3砂浆线切割188
7.4金刚石线切割190
7.5少子寿命192
7.5.1微波光电导衰减法193
7.5.2高频光电导衰减法195
7.6体电阻率196
7.6.1半无穷大样品体电阻率196
7.6.2薄层样品电阻率197
7.7硅片等级标准198
7.8硅带制造技术200
7.9直拉硅片技术202

第8章硅电池片制造工艺/204
8.1晶体硅太阳能电池204
8.2基板材料205
8.3表面制绒206
8.3.1硅片清洗206
8.3.2制绒意义和原理206
8.3.3单晶硅制绒207
8.3.4单晶硅制绒设备和流程211
8.3.5多晶硅制绒212
8.3.6多晶硅制绒设备和流程213
8.3.7绒面检测216
8.4扩散制P-N结217
8.4.1扩散机制217
8.4.2扩散方程219
8.4.3扩散系数219
8.4.4扩散分类220
8.4.5磷扩散制结223
8.4.6磷扩散工艺224
8.4.7硅片检验226
8.4.8等离子体刻蚀229
8.4.9去除磷硅玻璃230
8.5减反射膜α-SiNx∶H230
8.5.1减反射膜原理230
8.5.2减反射膜材料232
8.5.3α-SiNx∶H性质233
8.5.4α-SiNx∶H制备235
8.5.5α-SiNx∶H 检验239
8.6SiNx表面钝化239
8.6.1钝化原理239
8.6.2氢钝化作用241
8.6.3SiNx厚度与少子寿命关系241
8.7丝网印刷及烧结工艺242
8.7.1丝网印刷原理242
8.7.2印刷设备及参数243
8.7.3丝网印刷步骤246
8.7.4丝网印刷检验247
8.7.5烧结248
8.7.6烧结检验249
8.8栅线技术249
8.9多晶黑硅技术253
8.10高效硅电池254
8.10.1P型PERC电池255
8.10.2PERT和PERL电池256
8.10.3HIT电池259
8.10.4IBC电池260
8.10.5HJBC电池261
8.10.6HJBC-POLO电池262
8.10.7TOPCon电池263

第9章光伏发电系统/265
9.1光伏发电系统组成要素265
9.2太阳能电池组件268
9.2.1封装材料269
9.2.2组件制造过程273
9.3光伏阵列279
9.3.1光伏阵列输出特性279
9.3.2光伏阵列尺寸279
9.3.3最大功率点跟踪控制280
9.4并网发电系统283
9.4.1并网发电分类283
9.4.2并网发电优缺点285
9.4.3孤岛效应286
9.4.4光伏建筑一体化286
9.5独立系统289
9.6混合系统289
9.7太阳能光伏发电系统设计291
9.7.1独立系统容量设计292
9.7.2混合系统设计295
9.7.3并网系统设计296
9.7.4光伏组件倾角296
9.7.5太阳能电池方阵间距298

参考文献/300

附录/301