太阳能光伏理化基础（第二版）(黄建华)

《太阳能光伏理化基础》在*版的基础上进行修订，根据光伏产业发展的实际需求和教学实践，优化已有的知识点，添加了光资源、光伏电池的化学反应等内容，并在章节编排上进行了调整。《太阳能光伏理化基础》从光资源介绍与分析入手，系统阐述了原子及分子结构、价键理论、晶体及材料缺陷、PN结特性、光伏电池的化学反应以及其他新型光伏电池的理论知识。《太阳能光伏理化基础》可作为高等院校及职业院校光伏发电技术及应用等相关专业学生的教材，同时可作为光伏生产企业对员工的岗位培训教材，也可以作为相关专业的工程技术人员参考书。

第1章光资源1

1.1光与光谱1

1.1.1光的本质1

1.1.2光波1

1.1.3光谱2

1.2太阳光谱能量分布3

1.2.1大气层外的太阳光谱4

1.2.2到达地面的太阳辐射4

1.3太阳辐射4

1.3.1太阳基本知识4

1.3.2太阳辐射基本概念5

1.3.3地面太阳辐射6

1.4全国光资源分布情况8

本章小结9

思考题9

第2章原子结构10

2.1氢原子光谱与玻尔理论10

2.1.1氢原子光谱10

2.1.2玻尔理论12

2.2微观粒子运动的规律14

2.2.1波粒二象性14

2.2.2测不准原理15

2.2.3波函数与原子轨道16

2.2.4四个量子数17

2.3原子核外电子排布19

2.3.1屏蔽效应19

2.3.2穿透效应20

2.3.3能级交错及近似能级图20

2.3.4核外电子排布23

本章小结24

思考题24

第3章化学键与分子结构25

3.1离子键25

3.1.1离子键的形成25

3.1.2离子键的形成条件26

3.1.3离子键的特点26

3.1.4离子晶体27

3.1.5离子晶体的结构27

3.2共价键30

3.2.1价键理论30

3.2.2共价键的类型31

3.2.3杂化轨道理论32

3.2.4分子晶体和原子晶体35

3.3金属键36

3.3.1金属键的改性共价理论37

3.3.2金属键的能带理论37

3.3.3金属键的本质38

3.3.4金属晶体38

本章小结40

思考题40

第4章晶体的基本知识41

4.1晶体与非晶体41

4.2晶体的特性42

4.2.1晶体的自限性42

4.2.2晶体的对称性43

4.2.3晶体固定的熔点44

4.2.4晶体的均匀性44

4.2.5晶体的各向异性45

4.2.6晶体的解理性45

4.2.7小内能和稳定性46

4.2.8X射线衍射特性46

4.3常见晶体的类型46

4.3.1晶体的分类46

4.3.2常见半导体材料47

4.3.3半导体的掺杂47

4.4空间点阵和晶胞48

4.4.1晶体的微观描述48

4.4.2晶格的周期性50

4.4.3晶列晶向晶面51

4.4.4晶体结构的分类54

4.4.5常见的晶体结构57

4.4.6晶体中原子排列的配位数和致密度62

本章小结63

思考题63

第5章晶体缺陷64

5.1概述64

5.2晶体缺陷65

5.2.1点缺陷66

5.2.2线缺陷68

5.2.3面缺陷74

5.2.4体缺陷76

5.3晶硅中的缺陷及其影响77

5.3.1氧杂质及其影响77

5.3.2碳杂质及其影响79

5.3.3氢杂质及其影响79

5.3.4金属杂质及其影响80

5.3.5位错及其影响81

5.3.6晶界及其影响81

本章小结82

思考题82

第6章半导体材料性能84

6.1半导体的特性84

6.1.1正格子和倒格子84

6.1.2波函数85

6.1.3半导体中的电子状态和能带86

6.1.4半导体中的杂质和缺陷能级91

6.2热平衡载流子94

6.2.1状态密度94

6.2.2统计规律95

6.2.3费米分布函数和费米能级95

6.2.4导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度97

6.2.5非简并半导体98

6.2.6本征载流子浓度99

6.2.7杂质半导体的载流子浓度100

6.2.8简并半导体103

6.3非平衡载流子104

6.3.1准费米能级104

6.3.2半导体的光吸收105

6.3.3非平衡载流子的寿命109

6.3.4复合过程110

6.4载流子的输运113

6.4.1漂移运动114

6.4.2迁移率115

6.4.3扩散运动115

6.4.4电流密度方程，爱因斯坦关系式117

6.4.5泊松方程118

6.4.6连续性方程119

6.5PN结及其特性图120

6.5.1空间电荷区与接触电势差120

6.5.2PN结的电场强度122

6.5.3PN结的电势分布123

6.5.4空间电荷区宽度123

6.5.5PN结内电荷流动的定性描述124

6.5.6理想的电流-电压关系124

6.5.7电流电压关系的非理想因素127

6.6PIN结128

6.7金属-半导体接触129

6.7.1金属-半导体接触130

6.7.2欧姆接触131

6.8半导体-半导体异质结132

本章小结134

思考题134

第7章光伏电池性能135

7.1光伏发电原理135

7.1.1光伏行为来源135

7.1.2光生伏特效应137

7.1.3光伏电池的I-V特性138

7.2光伏电池性能表征139

7.3光伏电池的效率140

7.4光伏电池效率分析142

7.4.1禁带宽度的影响142

7.4.2温度的影响142

7.4.3寿命和扩散长度的影响143

7.4.4寄生电阻的影响143

7.5晶硅光伏产业链概述145

7.5.1硅材料的冶炼145

7.5.2高纯度多晶硅的提纯146

7.5.3直拉单晶硅棒146

7.5.4铸造多晶硅锭147

7.5.5硅片加工148

7.5.6晶硅电池及组件制备148

7.5.7光伏发电系统149

本章小结150

思考题150

第8章光伏电池的化学反应151

8.1酸反应151

8.1.1硅锭（棒）材料清洗过程中的酸腐蚀反应151

8.1.2硅片清洗过程的酸反应151

8.1.3光伏电池制备工艺中的酸反应152

8.2碱反应153

8.2.1硅锭（棒）材料清洗过程中的碱腐蚀反应153

8.2.2硅片清洗过程的碱反应153

8.2.3光伏电池制备工艺中的碱反应153

8.3其他化学反应153

8.3.1多晶硅原料制备中的化学反应153

8.3.2晶硅电池扩散工序中的化学反应155

8.3.3晶硅电池PECVD工序中的化学反应156

本章小结156

思考题156

第9章其他新型太阳电池的理论知识157

9.1GaAs电池157

9.1.1GaAs的晶体结构157

9.1.2GaAs的能带结构158

9.1.3GaAs的迁移率和饱和漂移速度159

9.1.4GaAs晶体的缺陷和位错159

9.1.5GaAs晶体的杂质160

9.1.6砷化镓太阳电池的结构和制备方法161

9.2CdTe电池162

9.2.1CdTe材料的基本性质162

9.2.2CdTe太阳电池的结构和工作原理163

9.2.3CdTe太阳电池制备工艺165

9.3CIGS电池166

9.3.1CIGS材料的基本性质166

9.3.2CIGS太阳电池的结构和工作原理167

9.3.3CIGS太阳电池制备工艺168

9.4有机太阳电池169

9.4.1有机高分子太阳电池169

9.4.2染料敏化太阳电池171

9.4.3钙钛矿太阳电池173

本章小结175

思考题175

参考文献176

近年来，我国对能源的需求量日益增加，环保压力增大。优化能源结构，实现清洁低碳发展，是我国经济社会转型发展的迫切需要，因此国家在节约能源的同时也在积极开发新能源。太阳能是取之不尽、用之不竭的能源，而且能量巨大、安全无污染，是人类的理想能源。中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤，太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。2000年以来，中国光伏产业发展迅速，产业结构也发生了很大的变化，光伏市场已经从专注于电池及组件产品出口逐步转向国内光伏发电市场的开发。目前，光伏产业已经实现了规模化发展，领跑者计划的实施，有利于通过市场化竞争引导光伏技术进步和产业升级，从而使光伏企业在保持产量的基础上更加注重产品的质量提升。当前，光伏材料领域，太阳能电池材料的应用可以分为以硅材料为主体的太阳能电池和薄膜太阳能电池两类。在晶体硅太阳能电池技术开发方面，“金刚线切片 黑硅技术”的多晶硅生产线和“PERC技术”的单晶硅生产线齐头并进。在薄膜电池领域，碲化镉和钙钛矿薄膜电池发展迅速；在光电转化效率方面，碲化镉、钙钛矿薄膜太阳能电池分别达到17%和21%，与晶硅电池的差距在逐步缩小。总体而言，光伏产业在历经了多年的高速发展后，已经成为中国能源系统不可或缺的组成部分。

促进光伏产业的可持续发展，人才培养是关键。当前光伏产业的快速发展与人才培养相对落后的矛盾日益凸显，越来越多的光伏企业人力资源紧张。光伏产业相关技术更新较快，教材也需要根据光伏材料的新技术和新工艺进行实时更新，才能培养出满足产业发展需要的专业人才。

《太阳能光伏理化基础》版已出版六年，几年时间让我们对行业产生了新的理解，也收集了一些新的技术和案例，因此我们对本书进行了再版增修。我们优化了已有的知识点，添加了光资源、光伏电池的化学反应等内容，并对章节编排进行了调整。在此感谢浙江瑞亚能源科技有限公司董事长易潮、衢州职业技术学院廖东进等对本书提出宝贵的建议，感谢杭州瑞亚教育科技有限公司对本书再版提供的设备支持和技术支持，希望捧卷的各位读者能够在书中收获新的知识！

本教材基于光伏电池工艺中所涉及的固体物理、半导体物理、无机化学等理论知识，首先系统阐述了中国太阳能光资源的主要分布情况；然后从原子结构、化学键和分子结构讲述了波尔理论、离子键、共价键、金属键等跟硅材料相关的物理知识，从晶体特性和晶体缺陷方面详细讲解晶体的相关知识，从半导体PN结特性阐述了光伏电池的关键结构；接着讲述了光伏产业链各个环节发生的化学反应以及光伏电池发电的基本原理；后对其他新型太阳电池的结构及工作原理进行了系统性的介绍。本教材在编写中，理论知识方面涉及较多，读者可选择性地学习。

本书可以作为高职高专光伏类专业学生的教材，同时可作为企业员工的岗位培训教材，也可以作为相关专业的工程技术人员参考书。

本书由黄建华、向钠、齐锴亮任主编。全书由黄建华拟定提纲、黄建华与齐锴亮统稿。第1章由陕西工业职业技术学院齐锴亮编写，第2章、第3章由南昌大学材料科学与工程学院陈楠编写，第4章由济南工程职业技术学院张培明编写，第5章由湖南理工职业技术学院曾礼丽编写，第6章由江西科技学院肖友鹏编写，第7章由湖南理工职业技术学院黄建华编写，第8章、第9章由湖南理工职业技术学院向钠编写。全书由杭州瑞亚教育科技有限公司教学研究院院长桑宁如主审。

教材的开发是一个循序渐进的过程，限于编者水平有限，经验不足，在编写过程中难免会有疏漏之处，竭诚欢迎广大师生和读者提出宝贵意见，使本书不断改进、不断完善。

编者

2017年8月