第1章 緒論

太陽電池指的是將太陽輻射能直接轉換為電能的半導體光電器件。

早在1939年，法國物理學家亞歷山大·埃德蒙·貝克勒爾（Alexander-Edmond Becquerel）就發現了光生伏打效應。所謂光生伏打效應，是指當光照射到設置有兩個電極的固態或液態系統時，電極之間能產生光生電壓。光生伏打效應簡稱光伏效應。基于晶體硅光生伏打效應的太陽電池稱為晶體硅太陽電池。當光量子被半導體晶體硅吸收后，將產生電子-空穴對。這些電子-空穴對到達由p型晶體硅和n型晶體硅組成的pn結時，被結電場分離到pn結的兩側。當其外接負載時，就形成光電流，輸出電能。實際使用太陽電池時，需要將它們串/并聯后封裝在一起，制成太陽電池組件。

1954年，貝爾（Bell）實驗室的達里爾·沙潘（Daryl Chapin）、加爾文·富勒（Calvin Fuller）和吉拉德·皮爾森（Gerald Pearson）利用光伏效應研制成光電轉換效率為6%的太陽電池^[1，2]。而后，太陽電池的光電轉換效率很快就增加到10%，并成功應用到人造衛星上作為衛星電源，然后逐步擴展到地面上的應用。現在，晶體硅太陽電池/組件的光電轉換效率為19%～23%。目前，實驗室中的最高光電轉換效率為26.7%，已接近太陽電池光電轉換效率的理論極限——29%。

利用太陽電池發電的一次能源是太陽輻射能，它遍布全球，取之不盡，用之不竭。太陽電池無噪聲、無污染、不產生高溫，而且使用壽命很長。它還是一種靈活性很強的能源，其發電功率范圍可以小到數毫瓦，大到數千兆瓦。我國擁有豐富的太陽能資源，特別是在大西北地區，那里陽光資源極其豐富，有著巨大的開發潛力^[3]。若有朝一日能實現世界各國太陽能電力聯網，全球互補發電，將極其有利于世界各國和平相處、共同發展。

制造晶體硅太陽電池時，硅片所占的成本比較高。為了降低硅片制造成本，20世紀70年代出現了一種先澆鑄制造硅錠再將其切割成硅片的技術。所以晶體硅電池主要有兩類，即采用單晶硅片制造的單晶硅太陽電池和采用多晶硅片制造的多晶硅太陽電池。

除了晶體硅，人們還找到一些其他太陽電池材料，但至今硅基太陽電池仍然以絕對優勢占據著太陽電池市場，約占各種形式太陽電池總量的90%以上。這主要是由于地球上硅的儲量豐富，晶體結構穩定，硅半導體器件工藝成熟，對環境的影響很小，而且有希望進一步提高光電轉換效率，降低生產成本。

進一步提高晶體硅太陽電池光電轉換效率的有效措施是提高太陽電池對太陽光能的利用率，同時降低太陽電池在光能轉換過程中的下述各類損失。

電池前表面光反射損失；

由電極柵線遮擋引起的光學損失；

能量小于半導體材料的禁帶寬度長波長入射光子的透射損失；

能量超過硅禁帶寬度（hv＞E_g）的光子，其大于禁帶寬度的那部分能量通過與晶格碰撞的熱弛豫而損失；

電池的硅片表面及內部的光生載流子復合損失；

由金屬柵線接觸電阻引起的電能損失等。

在成本有效的前提下，提高太陽電池光電轉換效率成為主要研究方向。在光伏理論指導下，通過材料、結構及工藝的改進，現在已有多種晶體硅太陽電池的實驗室光電轉換效率超過了25%，如鈍化發射極與背部局域擴散（PERL）太陽電池、具有本征非晶硅層的異質結（HIT）太陽電池、叉指式背接觸（IBC）太陽電池、TOP-Con太陽電池、異質結背接觸（HIBC）太陽電池。

1.PERL太陽電池

PERL太陽電池是澳大利亞新南威爾士大學最先研制的，其核心技術是鈍化發射極與背部局域擴散。圖1-1所示的是PERL太陽電池結構示意圖。

PERL太陽電池的技術特點如下所述。

通過光刻和堿溶液腐蝕技術，制備倒金字塔絨面后，再覆蓋雙層減反射膜，降低電池表面光反射損失。

電池前表面采用了密細柵線技術，可降低電池表面柵線遮光面積。

采用選擇性發射極技術，通過熱生長的SiO₂薄膜鈍化電池的前表面和背面，并利用點接觸背面金屬結構和金屬接觸孔的重摻雜擴散（n⁺或p⁺）鈍化，降低電池的表面復合速率。結合雙面電池技術，在背面采用氧化層鈍化隧道接觸，從而獲得了較高的實驗室光電轉換效率^[4]。

2.HIT太陽電池

HIT太陽電池是由晶體硅和非晶硅組成的異質結太陽電池^[5]。HIT太陽電池的技術特點是：采用異質結結構，使電池具有較高的開路電壓；在異質結界面插入本征非晶硅薄層，從而有效地鈍化了電池的表面，降低了表面載流子復合；發射極采用寬帶隙的非晶硅薄膜，在它上面再覆蓋透明導電氧化物（TCO）薄膜，提高了電池的光透過率和電池表面的導電性；電池制造在200℃以下進行，使得硅片的載流子壽命不會因電池制造過程中的高溫燒結而降低。圖1-2所示的是HIT太陽電池結構示意圖。

3.IBC太陽電池

IBC太陽電池的結構特點是，為了避免由電池前表面柵線造成的遮光損失，在前表面不設置電極柵線，pn結與正、負電極采用叉指形狀排列于電池的背面。IBC太陽電池結構示意圖如圖1-3所示。在電池背面采用擴散法形成p⁺和n⁺交叉間隔電極接觸處的高摻雜區，通過在SiO₂隔離鈍化膜上開孔，實現金屬電極與發射區或基區的點接觸連接，SiO₂膜兼具鈍化作用，顯著降低了光生載流子的背表面復合速率；背接觸結構還降低了太陽電池的串聯電阻，改善了電池的填充因子，提高了電池的光電轉換效率。

4.TOP-Con太陽電池

TOP-Con（Tunnel Oxide Passivated Contact）太陽電池的背面借助隧穿效應，采用薄氧化膜鈍化接觸，有效降低了表面復合速率。TOP-Con太陽電池以高摻雜硅薄膜實現選擇性接觸，從而獲得了較高的光電轉換效率，同時避免了背面氧化物鈍化層的開孔工藝，降低了制造成本。TOP-Con太陽電池結構示意圖如圖1-4所示。

5.HIBC太陽電池

HIBC太陽電池是一種異質結背接觸太陽電池。電池的結構特點是將背接觸（IBC）和異質結（HIT）電池技術結合，形成高效的電池結構，如圖1-5所示。這種電池兼具IBC電池和HIT電池的優點，在電池前表面沒有柵線，并利用具有高開路電壓的異質結結構，得到了接近27%的光電轉換效率。

上述這些高效晶體硅太陽電池正在不斷發展中，其光電轉換效率紀錄也不斷被刷新^[4]。

這些高效太陽電池的設計思路將在第12章中討論，其制造方法參見《晶體硅太陽電池制造工藝原理》^[5]。

本書以下各章將系統討論太陽電池將光能轉換為電能的工作機理，為進一步設計新穎的太陽電池和改進現有的太陽電池提供理論基礎。