晶体硅太阳电池（沈辉）（第二版）

本书全面介绍了晶体硅太阳电池全产业链技术，对基础理论知识进行了讲解，从硅片生产技术、太阳电池理论到晶体硅电池的整个生产过程及工艺、电池性能检测及新技术发展等形成一个完整的体系。书中内容与生产实际紧密结合，并大量采用了企业生产实际的实物图片，便于读者直观理解。为方便教学，本书配套电子课件、复习思考题参考答案。
本书可作为高等院校相关专业的教材或教学参考书，也可作为光伏产业技术人员的参考书和培训用书，还可供光伏技术爱好者选用。

沈辉，中山大学，教授，沈辉博士1991年在中国科学院固体物理研究所工作期间获得中国科学院首届留学基金奖学金，留学专题是“纳米材料合成与物性研究”。1992年到德国夫朗霍费应用材料研究所从事纳米贵重金属合金性能研究。1996年获得德国德累斯顿工业大学材料科学博士学位，在攻读博士期间曾经受邀到德国夫朗霍费太阳能系统研究所作学术报告，从此将学术研究重点转向太阳能技术。1998年获得中国科学院“百人计划”项目资助，研究专题为“太阳能功能材料与光电转换”。1999年在中国科学院广州能源研究所建立光伏技术研究团队。2004年在中山大学创建太阳能系统研究所。2010年创建顺德中山大学太阳能研究院。2010年所在的研究机构成为广东省光伏技术重点实验室。2013年顺德研究院获批为广东省分布式光伏发电工程技术研究中心和“广东省新型研发机构”。2016年牵头组建广东省光伏产业技术创新联盟平台。2017年与德国TüV莱茵开展战略合作，共建“光伏电站检测与评估联合研究中心”。
获得2010年广东省科学技术奖励二等奖“采用PVB封装的新型光伏建筑一体化组件及系统的研制、产业化与应用”、2012年国家能源局软科学研究优秀成果奖三等奖“中国光伏发电平价上网路线图”、 2014年广东省科学技术奖励三等奖“高性价比晶体硅太阳电池关键技术研究”、2015年中国石油和化学工业优秀出版物奖（图书奖）二等奖《纳米材料与太阳能利用》、2017年华夏建设科学技术奖三等奖“太阳能光伏屋顶发电集成技术”、2018年中国机械工业科学技术奖二等奖“光伏电池组件环境可靠耐久性技术研发与产业应用”。

第二版前言
对于晶体硅太阳电池而言，基本原理与工艺路线基本形成，但是所用的材料与工艺还是在不断发展之中。经过这几年的发展，我国晶体硅电池的产量已经牢牢占据世界第一位置，而且在整个产业方面形成了一个完整的体系，包括生产装备、关键材料、检测仪器及认证标准体系等，并且形成了很强的创新能力。
晶体硅太阳电池是光伏发电系统的心脏。从本质上来看，太阳电池就是一个可以实现光电直接转换的半导体电力器件。一直以来，对太阳电池的发展要求主要基于三点：高效率，主要取决于电池的材料、结构及工艺水平；稳定性，电池都要封装成组件并要经受室外严酷条件的长期考验，而不出现明显的性能衰减；低成本，电力作为生活与生产必需品，电池生产成本要低，这样才有利于光伏发电推广应用。
本书自第一版出版以来，深受广大院校师生的好评，由于科学技术的发展和教学的需要，本书修订第二版。修订中坚持立德树人的指导思想，注重素质培养。第二版中对涉及过时的技术进行了更新，增加了n型晶体硅电池技术一章。
本书主要内容包括绪论、硅片生产技术、太阳电池物理基础、晶体硅电池的整个生产过程及工艺、电池性能检测、n型晶体硅电池技术及新技术发展等。晶体硅太阳电池发展历史悠久，作为光伏发电的主导产品仍将持续很长时间。晶体硅电池还在不断发展与进步，目前晶体硅电池产业正处于技术提升阶段。预计不久，多种高效晶体硅电池产品将陆续规模化进入应用市场。
本书由沈辉博士组织、策划，并编写第1～3章、第10章部分内容及最终统稿。杨岍女士提供了初稿大部分内容，并编写第4～6章。吴伟梁博士编写第7～10章，并对全书部分图片和文字进行校正。陶龙忠博士主要负责全书的审阅和修改。书中有部分插图加工处理由黄嘉培先生完成。广东省太阳能协会秘书长朱薇桦女士提供了CIGS太阳电池和组件的相关数据。德国Juelich气候与能源研究所邱开富博士，中山大学太阳能系统研究所研究生刘宗涛、谢琦、姚志荣等人及泰州中来光电科技有限公司的包杰、赵影文和东莞南玻光伏科技有限公司的赖海文先生，对本书的编写与内容修正给予了必要的帮助，并提供了部分图片。北京航空航天大学周鹏宇先生，通威股份光伏技术中心资深工程师陈浩、周凡及王志康先生，晋能清洁能源科技股份公司白炎辉先生，提供了本书第二版新增的n型晶体硅电池部分资料，并提出修改建议。本书能够最终成稿与许多人的帮助是分不开的，笔者在此对给予帮助的所有同事与光伏同仁表示诚挚的感谢。
本书可以作为高等院校相关专业的教材或教学参考书，也适合光伏产业技术人员参考，还可供光伏技术爱好者选用。晶体硅太阳电池技术还在不断发展之中。由于笔者学术水平所限，本书一定会存在一些不足之处，笔者将会收集读者反馈的有关意见，在再版时进行修改与完善。

沈辉
广州南国奥园

第1章绪论1
1.1太阳辐射概述1
1.2太阳电池概述2
1.2.1国外发展历程2
1.2.2国内发展历程4
1.3晶体硅太阳电池5
1.3.1单晶硅电池5
1.3.2多晶硅电池6
1.3.3硅带电池7
1.3.4典型的高效晶体硅电池8
1.4硅基薄膜太阳电池9
1.4.1非晶硅薄膜电池9
1.4.2多晶硅薄膜电池10
1.4.3硅基叠层太阳电池11
1.5化合物半导体太阳电池12
1.5.1碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池12
1.5.2铜铟镓硒（CuInGaSe2）薄膜太阳电池13
1.5.3砷化镓（GaAs）太阳电池13
1.6新型太阳电池研发进展14
复习思考题15
参考文献15

第2章硅片生产技术17
2.1概述17
2.2硅的性能18
2.3硅的制备19
2.3.1高纯硅材料生产19
2.3.2单晶硅的制备22
2.3.3多晶硅锭生产24
2.4硅片生产技术25
2.4.1单晶硅片的加工25
2.4.2多晶硅片的加工28
2.4.3硅片的检验29
复习思考题30
参考文献30

第3章太阳电池物理基础32
3.1概述32
3.2基本结构与原理34
3.2.1太阳电池结构34
3.2.2太阳电池发电过程34
3.3太阳电池的I-V特性与主要技术参数35
3.3.1I-V曲线主要性能参数35
3.3.2其他参数38
3.4太阳电池的损失分析39
3.4.1光学损失39
3.4.2电学损失41
3.4.3极限效率44
复习思考题45
参考文献45

第4章硅片制绒工艺47
4.1概述47
4.2制绒工艺目的48
4.2.1硅片清洗48
4.2.2表面制绒49
4.3工艺原理49
4.3.1单晶硅制绒原理49
4.3.2影响因素分析50
4.3.3多晶硅制绒原理53
4.3.4影响因素分析54
4.4生产设备与工艺57
4.4.1单晶硅制绒生产设备57
4.4.2多晶硅制绒生产设备59
4.5检测方法63
4.5.1正常片生产过程控制63
4.5.2常见异常及解决办法63
复习思考题64
参考文献64

第5章硅片掺杂工艺66
5.1工艺目的66
5.2工艺原理67
5.2.1热扩散机制67
5.2.2磷掺杂67
5.3扩散设备与工艺69
5.3.1扩散设备69
5.3.2扩散工艺流程70
5.3.3扩散工艺注意事项72
5.4刻蚀工艺72
5.4.1刻蚀技术分类72
5.4.2干法刻蚀设备与工艺74
5.4.3湿法刻蚀设备与工艺76
5.5相关检测78
5.5.1方块电阻测量78
5.5.2扩散分布与结深79
5.5.3导电类型测量79
复习思考题80
参考文献81

第6章减反射膜工艺82
6.1工艺目的82
6.2减反射原理与材料83
6.2.1减反射原理83
6.2.2减反射膜基本参数及减反射材料84
6.3减反射膜制备工艺与设备85
6.3.1PECVD镀膜技术85
6.3.2ALD镀膜技术86
6.3.3减反射膜生产工艺与设备87
6.4减反射膜生产流程89
6.5相关检测90
6.5.1SiNx膜外观的检验91
6.5.2SiNx膜的厚度及折射率检验92
复习思考题93
参考文献93

第7章电极制备工艺94
7.1工艺目的94
7.2工艺原理94
7.2.1前电极图形设计94
7.2.2丝网印刷原理96
7.2.3烧结原理97
7.2.4烧结工艺对电池性能的影响98
7.3丝网印刷设备与生产99
7.3.1丝网印刷基本工具与浆料99
7.3.2丝网印刷工艺流程与生产线设备104
7.3.3设备参数对印刷的影响106
7.4烧结工艺107
7.5相关检测108
7.5.1外观检测108
7.5.2栅线高宽比108
7.5.3接触电阻率108
复习思考题110
参考文献111

第8章电池测试、分档及修复112
8.1光电性能测试112
8.1.1电流-电压（I-V）特性曲线测试112
8.1.2量子效率测试114
8.1.3电致发光测试114
8.1.4光致发光测试115
8.2电池分档117
8.2.1效率/功率分档117
8.2.2颜色及外观分档118
8.3电池缺陷分析与修复118
8.3.1缺陷检测119
8.3.2修复技术121
复习思考题121
参考文献122

第9章n型晶体硅电池技术123
9.1TOPCon电池123
9.1.1概述123
9.1.2电池结构与原理124
9.1.3设备与工艺125
9.1.4电池生产流程135
9.1.5相关检测138
9.2HIT电池138
9.2.1概述138
9.2.2电池结构与原理139
9.2.3设备与工艺140
9.2.4电池生产流程145
9.2.5相关检测146
复习思考题147
参考文献147

第10章太阳电池技术发展149
10.1概述149
10.2新工艺发展149
10.2.1制绒工艺149
10.2.2掺杂新工艺155
10.2.3钝化新工艺158
10.2.4电极新工艺160
10.2.5薄硅片电池170
10.3高效晶体硅电池发展171
10.3.1PERC及TOPCon太阳电池171
10.3.2IBC与HBC电池177
10.3.3MWT电池179
复习思考题180
参考文献180

附录183
附录1AM1.5G太阳辐射光谱数据183
附录2晶体硅太阳电池分类186
附录32023年太阳电池最高效率记录表187
附录4国际著名太阳电池研究机构187
附录5太阳电池生产安全与防护——化学用品使用的急救措施188
附录6太阳能级多晶硅片合格产品规格书（企业标准）189
附录7单晶硅片A级品合格产品规格书（江苏润阳悦达光伏标准）191
附录8n型单晶硅片A级品合格产品规格书192