#荐书#硅基异质结太阳电池研究“宝典”

化石燃料能源的使用促进了人类社会的进步，但是化石燃料的过度消耗也引起了全球气候变暖和生态环境的恶化，给人类的生存带来了巨大的威胁。改变能源消费结构，大力发展可再生能源，已成为世界各国的共识。在众多的可再生能源中，太阳能因其具有取之不尽、用之不竭、清洁安全无污染、应用地域广阔等特点，因此特别受到人们的重视。太阳能的利用主要包括光热转换和光电转换。光热转换是指将太阳散发的能量聚集起来，转换成热能，如太阳能热水器等，也包括将太阳能转换成热能，再利用热能发电的光热发电。光电转换是指利用半导体的光生伏特效应，通过太阳电池器件将太阳光转换成电能，即光伏发电，如太阳能光伏电站和发电系统。

世界太阳能光伏发电滚球体育 和应用发展迅猛，到2012年年底全世界光伏累计装机容量已突破100GW_p的里程碑节点，预计光伏发电将在2030年占到世界能源供给的10%，对世界的能源供给和能源结构调整做出实质性的贡献。中国光伏迅猛发展，2014年新增光伏装机容量10.6GW_p，单年新增装机容量全球第一；到2015年底，中国累计光伏装机容量43GW_p，成为全球光伏应用第一大国。光伏发电需要通过太阳电池组件实现能量转换，目前仍以第一代的晶体硅太阳电池组件为主，其市场份额超过80%，未来10～20年内仍将是市场主流，因此提高晶体硅太阳电池的转换效率对于确保其优势地位特别重要。

随着技术的进步，晶体硅太阳电池的转换效率逐年提高。在当前光伏工业界，单晶硅太阳电池的转换效率已达到20%以上，多晶硅太阳电池的转换效率已达18%以上。然而大规模生产的、转换效率达22%以上的硅基太阳电池有美国SunPower公司的背接触太阳电池和日本松下公司的带本征薄层的非晶硅/晶体硅异质结太阳电池。其中，非晶硅/晶体硅异质结太阳电池是以晶体硅为衬底，在其上沉积非晶硅薄膜形成p-n 异质结，其电池结构和工艺与常规晶体硅太阳电池有很大的区别，但是非晶硅/晶体硅异质结太阳电池结合了晶体硅电池和硅基薄膜电池的优点，具有制造流程短、工艺温度低、适合使用薄型硅片、转换效率高和发电量多等特点。

在当今众多的高效晶体硅太阳电池方案中，非晶硅/晶体硅异质结太阳电池无疑是关注度很高的一种。在非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的研发和生产领域，日本松下公司可谓一枝独秀，2013年其报道的最高电池效率达24.7%，电池面积～100cm²，达到商用规格大小。随着松下公司关于带本征薄层的非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的主体专利在2010年到期，国内外诸多研究机构和企业都加大了对非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的研发与投入。2014年，松下公司报道了效率达25.6%的背接触异质结太阳电池，打破了保持了20多年的经过太阳电池世界纪录。2016年，日本KANEKO公司报道了效率达26.33%的背接触异质结太阳电池，进一步提高了晶硅太阳电池的效率。中国的异质结太阳电池技术近年也获得较大进展，2016年有近十家企业宣布进军高效异质结电池的产业化生产，相信在不久的将来中国必将成为高效异质结太阳电池的技术和生产强国。

除了关注太阳电池转换效率的提高，其低成本制造更显重要，这是关系到太阳能光伏发电能否与其他能源技术相竞争的关键问题。我国为实现高效率、低成本的硅基异质结太阳电池，在“十二五”期间启动了两个“MW级薄膜硅/晶体硅异质结太阳电池产业化关键技术”863计划课题，力图能够深入理解薄膜硅/晶体硅异质结太阳电池高效机理，开发出高性能薄膜硅/晶体硅异质结太阳电池成套制备技术，实现薄膜硅/晶体硅异质结太阳电池中试，建成MW 级产能的中试示范线，使我国具有高效薄膜硅/晶体硅异质结太阳电池产业化的能力。

本书作者有幸参加上述863计划课题之一，在非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的理论研究和实际研发方面做了大量的工作，总结课题研究成果，得以形成本书。我们旨在深入论述非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的结构特征、制造工艺与技术、涉及的基本物理问题和相关模拟研究的情况，同时还涉及其他新型无机物硅基异质结太阳电池的研究进展。本书是国内第一部全面介绍硅基异质结太阳电池研究和技术进展的学术专著，在编著本书时作者希望尽可能反映当前硅基异质结太阳电池的科研和生产最先进水平和技术，同时力求写成一本既具有基础理论阐述，又具有实际指导意义和实用价值的参考用书。

全书共7章，从内容上可以分为三个层面：①高效晶体硅太阳电池、异质结基本知识和相关表征测试技术的介绍(第1、2、3章)；②非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的制造工艺与技术、涉及的物理问题和模拟研究(第4、5、6章)；③新型无机物硅基异质结太阳电池的介绍(第7章)。其中，第1章为绪论，全面介绍了当今高效晶体硅太阳电池技术，并引出非晶硅/晶体硅异质结太阳电池，阐述了硅基异质结太阳电池的历史、结构与特点、效率进展情况等，通过本章的介绍，读者能基本了解当今晶体硅电池的前沿技术和硅基异质结太阳电池的进展。第2章概括了半导体异质结的基本知识，为读者能够理解非晶硅/晶体硅异质结太阳电池作必要的铺垫。第3章介绍了与异质结太阳电池相关的表征与测试。第4章则按照非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的制作工序，逐一叙述每一步工艺过程中的科学与技术问题，并简单介绍了异质结太阳电池组件的应用。第5章论述了非晶硅/晶体硅异质结太阳电池中涉及的物理问题，力图从理论上描述异质结太阳电池。第6章对硅基异质结太阳电池的计算机模拟研究进行介绍。第7 章介绍新型无机物硅基异质结太阳电池的研究状况。

本书的出版得到了国家科学技术学术著作出版基金的资助，特别感谢我国半导体物理和半导体器件物理专家、中国科学院上海技术物理研究所沈学础院士欣然为本书作序。作者同时感谢国家863 计划项目组(2011AA050502)成员的帮助和鼓励；感谢项目承担单位协鑫集成滚球体育 股份有限公司的大力支持；感谢上海交通大学太阳能研究所曾洋、华夏、钟思华等博士生帮助收集资料，并在本书成稿后仔细阅读和校核。

虽然作者在写作过程中精益求精，力求介绍全面、表述清晰、叙述流畅，但是限于作者学识和水平，加之时间仓促、收集的资料有限，因此本书错误和遗漏在所难免，恳请读者和同行批评指正。

该书（《硅基异质结太阳电池物理与器件》）重点讲述的非晶硅/晶体硅异质结太阳电池是将半导体能带工程应用于硅基材料和结构实现高效电池的典型成功范例。该书具有科学的深度又兼顾实际研发应用，同时指明了该种电池可能的完善途径和技术问题。

——沈学础

2014年4月

本文由刘四旦摘编自沈文忠、李正平编著《硅基异质结太阳电池物理与器件》（北京: 科学出版社, 2014.8）一书“前言”，作者补充更新了数据。

硅基异质结太阳电池物理与器件

一本全面反映硅基异质结太阳电池研究和技术进展的著作，全书首先简要介绍了半导体异质结基本知识和异质结太阳电池的表征与测试手段，然后系统阐述了非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的制造工艺与技术、涉及的基本物理问题和模拟研究情况，最后综述了新型无机物硅基异质结太阳电池的研究进展。

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