1、高效晶硅太阳电池技术 设计、制造、测试、发电段光复著机 械 工 业 出 版 社本书系统地介绍高效晶硅太阳电池技术。着重介绍单晶硅太阳电池在非聚光条件下，产业化效率达到 20%以上的技术，内容包含设计、制造、测试、发电四方面。设计方面系统地论述了高效晶硅太阳电池原理，太阳电池光学，高效晶硅太阳电池设计，首次提出了太阳电池光学这一概念。制造方面包括从工业硅的制造到晶硅太阳电池组件的制造的整个过程及控制要点，其中谈到了光致衰减问题并提出解决方法。测试方面介绍晶体缺陷、氧、碳、基硼、基磷、少子寿命等测试技术。发电方面着重介绍清洁微电网，微电网完全摒弃了传统电力，以高效晶硅太阳电池作为主力能源为工业企业
2、供电。本书可作为从事晶硅太阳电池行业的技术人员的学习培训资料；可供大专院校固体物理、动力与能源、材料、太阳能、光电子信息、新能源等专业的师生参考。图书在版编目（CIP）数据高效晶硅太阳电池技术：设计、制造、测试、发电/段光复著.北京：机械工业出版社，2013.10ISBN 978-7-111-44730-6.高.段 .硅太阳能电池-研究 .TM914.4中国版本图书馆 CIP 数据核字（2013）第 267766 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：曲彩云 责任编辑：曲彩云 蒋有彩版式设计：霍永明 责任印制：北京机工印刷厂印刷（三河市南杨庄国丰装订厂
3、装订）2014 年 2 月第 1 版第 1 次印刷184mm 260mm 30.5 印张1 插页758 千字0 0013000册标准书号：ISBN 978-7-111-44730-6定价：凡购本书、，如有缺页 倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务社 服 务 中 心：（010）88361066销 售 一 部：（010）68326294销 售 二 部：（010）88379649读者购书热线：（010）88379203网络服务教 材 网：http：/机工官网：http：/机工官博：http：/ 元乔 宇前言近几年世界光伏产业飞速发展，晶硅太阳电池处于主流地位，占据 78%的市场份额，未来 10 15
4、 年晶硅太阳电池仍将占据市场主导地位。晶硅太阳电池经过几十年不懈研发，已积累了丰富的经验。就单晶硅太阳电池来说，在AM1.5 太阳光辐射条件下，晶体硅电池的理论极限效率为 33%（称之为 Shockley-Queisser极限，S-Q 极限），实验室效率已达 25.4%，产业化率已达 19%。多晶硅太阳电池比单晶硅太阳电池的效率低 2%4%。选定了太阳电池所用的半导体材料，禁带宽度就确定，所能接受的阳光波长范围也就确定。如何大幅度地提高阳光的利用率，使光电转换效率接近 S-Q极限，是世界上光伏研究和产业界十分关注的热点研究方向，对众多科学家有极大的吸引力。因此，系统地对晶硅太阳电池进行总结，在
5、实践-认识-再实践-再认识的基础上，将晶硅太阳电池光电转换效率提升，使其接近 33%。如果开路电压达到 750mV 以上，短路电流达到 65mV 以上，填充因子达到 0.8 以上，单元转换效率就能达到 27%。要想达到这个效率，不需要从根本上、大量地改变电池的设计，只是从整体入手，制定解决方案，即对原材料杂质、电子寿命、受光面的构造、电极、钝化膜的膜质、电极周围的接触电阻、背接触及异质结等元器件构造等，进行一次彻底的改进。在激烈的市场竞争中，性价比高、质量好的电池将胜出。高效晶硅太阳电池将在市场中胜出，即产业化硅单晶电池（平均效率为 23%）将在市场中胜出。效率的提高是产业链的全过程竞争。本书
6、介绍了产业链的全过程，从硅料硅片电池片组件发电，系统地讲述高效晶硅太阳电池技术。每一项中间产品都有不同的技术路线。例如：工业硅的制备方法有单相电炉冶炼、三相电炉冶炼；多晶硅的制备方法有氯硅法、硅烷法、流化床法、改良西门子法等；单晶硅的制备方法有直拉法、区熔法、基座法、片状生长法、气相生长法、外延法等。各种方法都在发展、变化，本书突出高效，因此只介绍效率最高的技术，仅对能使晶硅太阳电池达到高效率的设计、工艺作介绍。太阳电池要做强，要强大到阴雨天也可发电，要强大到一半可以存起来晚上用，要强大到太空电站投入商业化运行。提高效率要有扎实的知识作为基础，包括光子学、光电子学、集成电路制造、固体物理学、纳
7、米材料学、材料学。要有综合的、跨学科的、扎实的基础知识，广泛吸收、借鉴相关学科技术，积累知识、融会贯通、灵活应用，才能将太阳电池的效率一步步地提上去。本书提供了这方面的知识。我国厂家众多，技术平平，在竞争激烈的形势下，必须凭借领先一步的尖端技术，才能以大气魄率先建立起新的行业格局。这个格局就是以高效太阳电池为主角，顶起供电大梁的清洁微型智能电网，即与大规模储能技术结合在一起，二十四小时都可供给高质量的电能，并能保证负荷的需求。本书的目的是在理清晶硅太阳电池脉络的基础上，从结构上、制造工艺上作出改进，在非聚光条件下，明确地能使单晶硅太阳电池的产业化率达到 23%，多晶硅太阳电池的产业化率达到 2
8、0%。五年内使单晶硅太阳电池转换效率超过 25%。本书总结了作者十多年来从事太阳电池的多项研究成果。从 1998 年以来，不停地办电池厂、建光伏电站、钻研课题，将产业化中存在的问题，归纳、总结，解决。希望本书能为“十二五”新能源计划的实现作技术上的微薄奉献。本书分为四篇，共有十三章。第一篇为高效晶硅太阳电池设计，系统地论述了太阳电池光学，高效晶硅太阳电池工作原理，高效晶硅太阳电池设计。其特点是理论正确，叙述简明易懂。其中，第二章太阳电池光学，系统、完善地叙述了太阳光的特性，首次提出了太阳电池光学这一概念。太阳电池就是太阳光的利用，为建立完善的太阳电池光学理论奠定基础，这是太阳电池设计的依据。提
9、高太阳电池的效率主要有两个途径：一是尽可能多地吸收太阳光子，并在电池空间合理分布；二是吸收的光子要能产生电子-空穴对，并能被电极所收集。设计围绕这两个途径展开。第二篇为高效晶硅太阳电池制造，介绍工业硅、多晶硅、单晶硅、晶硅太阳电池及其组件的制造，产业化中存在的问题，整个产业链制程。每道工序力求容易掌握，易于操作。制造中谈到了光致衰减问题，并提出可行的解决方法。第三篇为高效晶硅太阳电池测试。研发、设计、制造都与测试密切相关。研发、设计的数据来自于测试结果，设计是否合理，也要由测试检验；电池质量的保证要由中间测试加以控制；电池组件是否合格也要由测试来把关。测试内容不但重要，而且丰富，因此将测试单独
10、成为一篇。第四篇为发电，介绍清洁智能微电网与分布式发电。微电网完全摒弃了传统电力，以晶硅太阳电池作为独立的能源供电。分布式发电与电网成为一体，瞬间可以轻松地做到自动地、准确地、可靠地切换与计量。本书“第三章高效晶硅太阳电池工作原理”由广东粤电集团段伦先生撰写。本书可作为从事晶硅太阳电池行业的技术人员的学习培训资料，大专院校新能源专业师生的参考书；可供大专院校物理、动力与能源、材料、太阳能、光电子信息等专业的师生参考；可供风险投资、政府官员、涉足太阳能的人员开拓视野，还可提供给欲投资晶硅太阳电池的商家，作可行性研究报告的参考资料。本书在编写过程中，得到太阳电池应用专家彭立斌先生指导，在此表示诚挚
11、的感谢。向参考文献的作者表示衷心的感谢。由于本人水平所限，书中存在欠缺、疏漏之处，恳请广大读者批评指正，不吝赐教。段光复（13825191998）于湖南株洲高效晶硅太阳电池技术 设计、制造、测试、发电目录前言第一章 概述1 第一节 高效晶硅太阳电池技术现状1 一、晶硅太阳电池主流技术1 二、晶硅太阳电池设备2 三、相关技术2 四、国内技术现状3 第二节 光伏市场现状5 一、国外市场现状6 二、国内市场现状7 第三节 晶硅太阳电池发展方向14 一、晶硅太阳电池组件14 二、高转换技术用材15 三、过渡技术15 第四节 光伏产业战略设计16 一、我国能源基本情况16 二、战略设计16第一篇 高效晶
12、硅太阳电池设计第二章 太阳电池光学18 第一节 太阳电池光学基础知识18 一、原子结构18 二、几何光学21 三、波粒二象性22 第二节 光学历史及其体系31 一、光的历史31 二、光学体系33 第三节 太阳光34 一、电磁波34 二、太阳辐射能35 三、影响接收太阳辐射能的因素38 第四节 量子光学38 一、量子光学定义及研究内容39 二、辐射39 三、黑体辐射44 四、能量假设46 五、光的波粒二象性48 第五节 光电子学49 一、光在半导体薄片上的反射、折射和透射49 二、半导体中的光吸收50 三、光电效应53 四、光热效应60 第六节 光谱学63 一、光谱学基本器件63 二、光学表征方
13、法76 第七节 薄膜光学81 一、透明导电薄膜81 二、太阳能光热转换薄膜84 三、光学薄膜特性测试85第三章 高效晶硅太阳电池工作原理106 第一节 太阳电池基础 半导体106 一、半导体能带106 二、本征半导体和掺杂半导体107 三、费米能级108 四、载流子浓度109 五、载流子的输送111 六、载流子的产生与复合114 七、半导体 p-n 结及其能带图116 第二节 高效晶硅太阳电池工作原理及性能119 一、高效晶硅太阳电池工作原理119 二、高效晶硅太阳电池外特性121 第三节 高效晶硅太阳电池结构及能量损失123 一、高效晶硅太阳电池结构123 二、高效晶硅太阳电池能量损失124
14、第四章 高效晶硅太阳电池设计126 第一节 高效晶硅太阳电池总体设计126 一、总体设计要求126 二、材料和结构选择128 三、系统设计128 四、掺杂设计129 五、组件要求129 第二节 光学设计129 一、硅的光学性质129 二、高效晶硅太阳电池光学设计要求134 三、高效晶硅太阳电池光学设计134 第三节 电学设计137 一、上电极设计137 二、下电极设计138 第四节 掺杂设计139 一、掺杂基本要求及基本概念139 二、掺杂设计141 三、理想化的高效率电池模型142 第五节 组件设计142 一、组件结构要求142 二、组件设计143 三、组件测试要求146第二篇 高效晶硅太阳
15、电池制造第五章 多晶硅制备147 第一节 概述147 一、硅的特性147 二、多晶硅的制造155 第二节 工业硅制备155 一、工业硅制备工艺155 二、工业硅制备设备163 三、生产操作及存在的问题165 四、烟气净化及硅粉利用169 第三节 改良西门子法制备多晶硅173 一、氢气的制备173 二、液氯的汽化176 三、氯化氢的合成177 四、三氯氢硅的合成179 五、精馏法提纯三氯化硅185 六、三氯氢硅还原制备多晶硅209 七、还原尾气干法回收工艺213 八、硅芯的制备218 第四节 铸锭法制备多晶硅223 一、铸锭法制备多晶硅生产工艺223 二、铸锭法制备多晶硅工艺的优缺点224 第五
16、节 硅烷法制备多晶硅224 一、硅烷的制备225 二、硅烷的提纯225 三、硅烷热分解225 四、硅烷法的优缺点225第六章 单晶硅制备227 第一节 单晶硅直拉制备技术227 一、直拉单晶硅工艺227 二、长度拉速温校曲线的设定234 三、坩埚上升随动速度确定236 四、异常情况及处理237 第二节 原辅材料239 一、硅原料239 二、石英坩埚240 三、掺杂剂241 四、籽晶、钼丝、氩气242 五、原辅材料的腐蚀及清洗243 第三节 单晶硅掺杂技术244 一、杂质作用及杂质效应245 二、杂质分布规律249 三、掺杂250 第四节 直拉单晶炉253 一、机械部分254 二、电气部分256 三、工作环境258 第五节 直拉单晶炉的热系统及热场258 一、热系统258 二、热场260 第六节 晶体生长控制器263 一、主要功能及控制原理263 二、设定曲线265 三、内部参数的设置266 四、晶体生长控制器的使用266第七章 高效晶硅太阳电池制备268 第一节 切割硅片268 一、多线切割原理269 二、切割工艺270 三、线切割系统组成273 四、国内外切割设备状况及发展趋势274
