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| 編輯推薦： |
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本书全面介绍太阳电池技术，为从业人员提供切实可靠的帮助。本书初版在社会和读者中产生了积极反响，并在中国台湾地区出版、发行。
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| 內容簡介： |
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太阳能光电方面的研究和应用在全世界范围内方兴未艾，相关太阳能光电工业发展迅速，是令人瞩目的朝阳产业。本书介绍了太阳能及光电转换的基本原理、太阳电池的基本结构和工艺，着重从材料制备和性能的角度出发，阐述了主要的太阳能光电材料的基本制备原理、制备技术以及材料结构、组成对太阳电池的影响。太阳能光电材料包括直拉单晶硅、铸造多晶硅、带硅、非晶硅、多晶硅薄膜、GaAs半导体材料、CdTe和CdS薄膜材料、CuInSe2(CuInS2)薄膜材料等。 原书第一版出版后十年时间里，太阳电池材料的技术发展非常迅速，支撑着太阳电池效率的不断提升和太阳能光伏产业规模的不断扩大。因此，有些知识需要更新，有些知识需要增加。这些都在本书第二版中得到充分反映。这本《太阳电池材料》(第二版)将继续伴随着广大读者，亲历我国太阳能光伏行业的不断进步与发展。本书可供大专院校的半导体材料与器件、材料科学与工程以及太阳能光伏等能源领域的师生作为教学参考书，也可供从事相关研究和开发的太阳能相关行业科技工作者和企业工程师参考。
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| 關於作者： |
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杨德仁，中国科学院院士，浙江大学教授。长江学者奖励计划特聘教授，国家杰出青年基金获得者，硅材料国家重点实验室主任。主要研究方向包括：（1）超大规模集成电路用硅单晶材料的制备和缺陷工程；（2）太阳能光电铸造多晶硅材料和化合物薄膜光电转换材料；（3）纳米硅丝/管和其它一维纳米半导体材料；（4）硅基光子晶体。
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| 目錄：
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第1章太阳能和光电转换1
1.1太阳能1
1.2太阳能辐射和吸收2
1.3太阳能光电的研究和应用历史3
1.4太阳电池的研究和开发6
参考文献8
第2章太阳能光电材料及物理基础10
2.1半导体材料和太阳能光电材料10
2.1.1半导体材料10
2.1.2太阳能光电材料11
2.2载流子和能带12
2.2.1载流子12
2.2.2能带结构12
2.2.3电子和空穴15
2.3杂质和缺陷能级16
2.3.1杂质半导体16
2.3.2杂质能级17
2.3.3深能级18
2.3.4缺陷能级19
2.4热平衡下的载流子20
2.4.1载流子的状态密度和统计分布20
2.4.2本征半导体的载流子浓度23
2.4.3杂质半导体的载流子浓度和补偿23
2.5非平衡少数载流子25
2.5.1非平衡载流子的产生、复合和寿命26
2.5.2非平衡载流子的扩散27
2.5.3非平衡载流子在电场下的漂移和扩散28
2.6p-n结30
2.6.1p-n结的制备30
2.6.2p-n结的能带结构32
2.6.3p-n结的电流电压特性34
2.7金属-半导体接触和MIS结构35
2.7.1金属-半导体接触35
2.7.2欧姆接触37
2.7.3MIS结构38
2.8太阳能光电转换原理——光生伏特效应39
2.8.1半导体材料的光吸收39
2.8.2光生伏特40
参考文献41
第3章太阳电池的结构和制备42
3.1太阳电池的结构和光电转换效率42
3.2晶体硅太阳电池的基本工艺44
3.2.1绒面结构44
3.2.2p-n结制备46
3.2.3减反射层47
3.2.4丝网印刷48
3.2.5烧结49
3.3薄膜太阳电池49
3.3.1砷化镓薄膜太阳电池49
3.3.2非晶硅薄膜太阳电池51
3.3.3多晶硅薄膜太阳电池53
3.3.4CdTe薄膜太阳电池54
3.3.5CuInSe2(CuInGaSe2)薄膜太阳电池55
参考文献57
第4章单晶硅材料58
4.1硅的基本性质58
4.2太阳电池用硅材料61
4.3高纯多晶硅的制备62
4.3.1三氯氢硅氢还原法62
4.3.2硅烷热分解法63
4.3.3四氯化硅氢还原法63
4.4太阳能级多晶硅的制备64
4.4.1太阳能级多晶硅64
4.4.2物理冶金技术制备太阳能级多晶硅64
4.5区熔单晶硅66
4.6直拉单晶硅67
4.6.1直拉单晶硅的生长原理和工艺67
4.6.2新型直拉晶体硅的生长技术70
4.6.3直拉单晶硅的掺杂73
4.7硅晶片加工76
4.7.1切断76
4.7.2滚圆76
4.7.3切片77
4.7.4化学腐蚀79
参考文献79
第5章直拉单晶硅中的杂质和位错81
5.1直拉单晶硅中的氧81
5.1.1氧的基本性质82
5.1.2氧热施主84
5.1.3氧沉淀86
5.1.4硼氧复合体90
5.2直拉单晶硅中的碳94
5.2.1碳的基本性质94
5.2.2碳和氧沉淀95
5.3直拉单晶硅中的金属杂质97
5.3.1金属杂质的基本性质97
5.3.2金属复合体和沉淀101
5.3.3金属杂质的控制102
5.4直拉单晶硅中的位错103
5.4.1位错的基本性质104
5.4.2晶体硅中的位错结构106
5.4.3晶体硅中位错的腐蚀和表征107
5.4.4晶体硅中位错对太阳电池的影响109
参考文献110
第6章铸造多晶硅112
6.1概述112
6.2铸造多晶硅的制备工艺113
6.3铸造多晶硅的晶体生长116
6.3.1铸造多晶硅的原材料116
6.3.2坩埚117
6.3.3晶体生长工艺117
6.3.4晶体生长的影响因素118
6.3.5晶体掺杂120
6.4高效铸造多晶硅的制备121
6.5铸造类(准)单晶硅的制备122
参考文献125
第7章铸造多晶硅中的杂质和缺陷126
7.1铸造多晶硅中的氧126
7.1.1原生铸造多晶硅中的氧杂质126
7.1.2原生铸造多晶硅中的氧施主和氧沉淀127
7.1.3铸造多晶硅中氧的热处理性质129
7.2铸造多晶硅中的碳131
7.2.1原生铸造多晶硅中的碳杂质131
7.2.2铸造多晶硅中碳的热处理性质132
7.3铸造多晶硅中的氮134
7.3.1铸造多晶硅中的氮杂质134
7.3.2铸造多晶硅中的氮氧复合体136
7.3.3铸造多晶硅中的氮对氧沉淀、氧施主的作用138
7.4铸造多晶硅中的氢138
7.4.1铸造多晶硅中的氢杂质138
7.4.2铸造多晶硅中氢的钝化作用139
7.5铸造多晶硅中的金属杂质和吸杂140
7.5.1铸造多晶硅中的金属杂质140
7.5.2铸造多晶硅中的金属沉淀141
7.5.3铸造多晶硅的吸杂142
7.6铸造多晶硅中的晶界145
7.6.1铸造多晶硅的晶界145
7.6.2铸造多晶硅晶界上的金属沉淀147
7.6.3铸造多晶硅晶界的氢钝化149
7.7铸造多晶硅中的位错150
7.7.1铸造多晶硅的位错150
7.7.2铸造多晶硅的位错对电学性能的影响151
参考文献152
第8章带硅材料153
8.1带硅材料的制备153
8.1.1边缘限制薄膜带硅生长技术154
8.1.2线牵引带硅生长技术155
8.1.3枝网带硅工艺155
8.1.4衬底上的带硅生长技术156
8.1.5工艺粉末带硅生长技术157
8.2带硅生长的基本问题158
8.2.1边缘稳定性158
8.2.2应力控制158
8.2.3产率159
8.3带硅材料的缺陷和杂质159
8.3.1带硅材料的晶界159
8.3.2带硅材料的位错160
8.3.3带硅材料的杂质161
8.4带硅材料的氢钝化和吸杂161
8.4.1带硅材料的氢钝化161
8.4.2带硅材料的吸杂162
参考文献163
第9章非晶硅薄膜164
9.1非晶硅薄膜的基本性质165
9.1.1非晶硅的原子结构特征165
9.1.2非晶硅的能带结构166
9.1.3非晶硅的基本特性168
9.2等离子体化学气相沉积制备非晶硅薄膜169
9.2.1辉光放电的基本原理169
9.2.2等离子增强化学气相沉积制备非晶硅薄膜170
9.2.3非晶硅薄膜的生长171
9.2.4非晶硅薄膜的生长机理172
9.3非晶硅薄膜的掺杂174
9.3.1非晶硅的掺杂174
9.3.2非晶硅薄膜中的杂质175
9.4非晶硅薄膜中的氢176
9.4.1硅氢键176
9.4.2非晶硅中氢的态密度177
9.5非晶硅薄膜中的光致衰减178
9.5.1非晶硅薄膜的光致衰减效应178
9.5.2非晶硅薄膜光致衰减效应的影响因素180
9.5.3非晶硅薄膜光致衰减效应的减少和消除180
9.6非晶硅合金薄膜182
9.6.1非晶硅碳合金薄膜182
9.6.2非晶硅锗合金薄膜183
9.7非晶硅/微晶硅叠层薄膜材料184
参考文献184
第10章多晶硅薄膜186
10.1多晶硅薄膜的基本性质186
10.1.1多晶硅薄膜的特点186
10.1.2多晶硅薄膜的制备技术187
10.1.3多晶硅薄膜的晶界和缺陷189
10.1.4多晶硅薄膜的杂质190
10.2化学气相沉积制备多晶硅薄膜191
10.2.1等离子增强化学气相沉积制备多晶硅薄膜191
10.2.2低压化学气相沉积制备多晶硅薄膜193
10.2.3热丝化学气相沉积制备多晶硅薄膜194
10.3非晶硅晶化制备多晶硅薄膜196
10.3.1固化晶化制备多晶硅薄膜197
10.3.2金属诱导固化晶化制备多晶硅薄膜198
10.3.3快速热处理晶化制备多晶硅薄膜199
10.3.4激光晶化制备多晶硅薄膜201
参考文献202
第11章GaAs半导体材料204
11.1GaAs材料的性质和太阳电池204
11.1.1GaAs的基本性质204
11.1.2GaAs太阳电池207
11.2GaAs体单晶材料208
11.2.1布里奇曼法制备GaAs单晶208
11.2.2液封直拉法制备GaAs单晶210
11.3GaAs薄膜单晶材料211
11.3.1液相外延制备GaAs薄膜单晶211
11.3.2金属-有机化学气相沉积外延制备GaAs薄膜单晶212
11.3.3Si、Ge衬底上外延制备GaAs薄膜材料215
11.4GaAs晶体中的杂质216
11.4.1GaAs单晶掺杂216
11.4.2GaAs单晶中的杂质217
11.5GaAs晶体中的缺陷219
11.5.1GaAs单晶中的点缺陷219
11.5.2GaAs单晶中的位错219
11.5.3GaAs单晶中缺陷的氢钝化220
参考文献221
第12章CdTe和CdS薄膜材料222
12.1CdTe材料和太阳电池222
12.1.1CdTe薄膜材料的基本性质222
12.1.2CdTe薄膜太阳电池224
12.2CdTe薄膜材料的制备224
12.2.1近空间升华法225
12.2.2电化学沉积法226
12.2.3气相输运沉积法230
12.2.4制备CdTe薄膜的其他技术230
12.2.5CdTe薄膜材料的热处理231
12.3CdS薄膜材料232
12.3.1CdS薄膜材料的基本性质232
12.3.2CdS薄膜材料的制备232
12.3.3CdS薄膜材料的热处理235
12.3.4CdS薄膜材料的缺陷236
参考文献237
第13章CuInSe2(CuInGaSe2)系列薄膜材料239
13.1CuInSe2（CuInxGa1-xSe2）材料和太阳电池240
13.1.1CuInSe2（CuInxGa1-xSe2）材料的基本性质240
13.1.2CuInSe2（CuInxGa1-xSe2）薄膜太阳电池241
13.2CuInSe2（CuInGaSe2）薄膜材料的制备241
13.2.1硒化法制备CuInSe2薄膜材料242
13.2.2共蒸发法制备CuInSe2薄膜材料242
13.2.3CuInGaSe2薄膜材料的制备243
13.3CuInS2材料的性质和太阳电池245
13.3.1CuInS2材料的基本性质245
13.3.2CuInS2太阳电池247
13.4CuInS2薄膜材料的制备247
13.4.1硫化法制备CuInS2薄膜材料247
13.4.2溅射沉积法制备CuInS2薄膜材料248
13.4.3化学水浴法制备CuInS2薄膜材料248
13.5Cu2ZnSnS4薄膜材料和太阳电池250
13.5.1Cu2ZnSnS4材料的基本性质250
13.5.2Cu2ZnSnS4的太阳电池251
13.6Cu2ZnSnS4薄膜材料的制备252
13.6.1蒸发法制备CZTS薄膜材料252
13.6.2溅射法制备CZTS薄膜材料253
13.6.3化学溶液法制备CZTS薄膜材料254
参考文献255
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| 內容試閱：
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前言
《太阳电池材料》第一版自2007年1月出版以来，恰逢国内外光伏产业快速发展，特别是国内产业规模迅猛增长，不少科技人员以及在校大学生、研究生加入到了中国太阳能光伏产业蓬勃发展的队伍之中，大家迫切需要一本合适的参考书。因此，本书第一版的及时出版为相关研究人员、开发人员和在校师生提供了较为实用的参考资料，为迅速进入光伏产业提供了有益的帮助。
承蒙广大读者关心和厚爱，本书第一版在社会和读者中产生了积极反响，本书曾经多次重印。该书还被评为第十届中国石油和化学工业优秀科技图书一等奖，并在中国台湾地区出版、发行。
过去的10年，对太阳能光伏产业而言，是“黄金十年”。2006年全球的太阳能光伏电池的安装量约为1.6GW，而2015年则达到50GW，是10年前的30多倍，其复合增长率达到47%以上。到2015年，全球累计太阳能光伏装机容量超过227GW，其发展速度超过了集成电路，成为世界上最具有发展前景的朝阳工业之一。而在过去的10年中，我国太阳能光伏产业从小到大、从弱变强，其应用几乎是从无到有，快速发展；到2015年，无论是太阳能光伏电池、组件产量，还是太阳能光伏的年安装总量，我国已经居于世界第一位。
过去的10年，太阳电池材料的技术发展也非常迅速，支撑着太阳电池效率的不断提升和太阳能光伏产业规模的不断扩大。因此，有些知识需要更新，有些知识需要增加。正因如此，在化学工业出版社编辑的不断鞭策和支持下，作者再次努力将本书第二版呈现给读者。希望得到读者的批评、指正。
本书出版之时，我的先生中国科学院院士阙端麟教授还为本书写了序，对作者和本书多有鼓励和期待。但在2014年冬，阙先生溘然仙逝，再也见不到本书第二版的出版，令人无限怀念。再版此书，以表深切的思念！
由于时间关系，书中疏漏与不足在所难免，敬请国内、国外同行多加指正。
杨德仁
2017年7月于求是园
第一版前言
太阳能是一种重要的、有效的、可再生清洁能源，其储量巨大，取之不尽，用之不竭，没有环境污染，充满了诱人的前景。广义上讲，太阳能的利用包括间接利用和直接利用。间接利用是指光合作用、风能、潮汐和海洋温差发电等；而直接利用则主要分为两方面，即光热效应和光电效应。光热效应是将太阳能的能量集聚起来，转换成热能，如正在我国城乡广泛推广的太阳能热水器、太阳能灶等，这也包括将太阳能转换成热能后，利用热能发电。光电效应则是将太阳能通过太阳电池，转换成电能，这种光电转换主要借助于半导体器件的光生伏特效应进行，应用于空间站、人造卫星以及遥远地区的供电、输油输气管路的保护等方面，并且已经建成太阳能电站以并网发电。
自1954年美国贝尔实验室研制成功光电转换效率6%的实用型单晶硅太阳电池以来，太阳能光电技术由于可靠性高、寿命长且能承受各种环境变化等优点，在民用、军事和高科技领域逐渐成为重要的“绿色”能源。特别是20世纪70年代能源危机爆发以来，各国政府努力发展和扶持太阳能光电材料的研究、开发、生产和应用，如美国的“阳光计划”、“百万屋顶计划”，日本的“阳光计划”、“月光计划”、“朝日计划”以及德国的“十万屋顶计划”等。目前太阳能光电方面的研究和应用在全世界范围内方兴未艾，相关的太阳能光电工业，又称光伏(photovoltaic)工业发展迅速，90年代以来一直以30%～40%的速度上升，在2004年甚至达到60％的增长速度，成为非常令人瞩目的朝阳产业。
太阳能光电转换的研究和应用可追溯到1839年。A.E.Becquerel用光辐照电解池中的银电极时，发现有电压出现。1877年，W.Adams和R.Day也发现，用光照射硒时会有电流产生。直到1949年，W.Shockley等发明了晶体管和解释了p-n结的工作原理后，太阳能光电转换的研究才真正开始。1954年美国贝尔实验室的D.M.Chapin、C.S.Fuller和G.L.Pearson在晶体硅的基础上发明了第一种实际意义上的太阳电池，其光电转换效率达到了6%。随后的研究进展迅速，太阳电池的光电转换效率很快达到10%。太阳电池首先应用于空间领域，为人造卫星提供电力能源。
目前，太阳能光电研究和应用取得了许多重大进展，例如，与单晶硅材料相比，价格低廉的利用铸造方法制备的铸造多晶硅材料的应用、带状多晶硅材料的生产、低成本的丝网印刷等技术的发明都大大推动了太阳能光电技术的研究和进展。目前，单晶硅太阳电池产业化转换效率已超过16%，实验室转换效率超过24%。
高的光电转换效率和低的生产成本是太阳能光电工业和研究界始终追求的目标，这也是太阳能发电能否与其他能源技术相竞争的关键问题。显然，为了达到这个目的，利用高效率、低成本的太阳能光电转换材料是非常重要的。到目前为止，在太阳能光电工业中应用的主要有直拉单晶硅、铸造多晶硅、带硅、非晶硅、多晶硅和化合物薄膜半导体材料（如GaAs、CdTe、CuInSe2）。从根本上讲，太阳能光电工业主要是建立在硅材料基础之上。
到目前为止，介绍太阳电池的专著已有多种。但是，专门从材料制备、材料结构和性能角度出发介绍太阳能光电材料的专著还较少。本书正是试图在介绍太阳能光电转化基本原理和太阳电池基本结构和工艺的基础上，重点介绍太阳能光电材料的制备、材料的结构和性能。本书分为三大部分。第一部分是太阳能光电转换的基础知识，包括第1章太阳能和光电转换；第2章太阳能光电材料及物理基础；第3章太阳电池的结构和制备。第二部分是硅太阳电池材料，包括第4章单晶硅材料；第5章直拉单晶硅中的杂质和位错；第6章铸造多晶硅；第7章铸造多晶硅中的杂质和缺陷；第8章带硅材料；第9章非晶硅薄膜和第10章多晶硅薄膜。第三部分是化合物太阳电池材料，包括第11章GaAs半导体材料；第12章CdTe和CdS薄膜材料；第13章CuInSe2（CuInS2）薄膜材料。
在本书的撰写过程中，马向阳教授审阅了第2、4、5章的内容，席珍强博士审阅了第3、6、7、8章的内容，寥显伯教授、向贤碧教授审阅了第9、10、11章的内容，孙云教授、李长健教授审阅了第12、13章的内容，冯良桓教授审阅了第12章的内容。他们花费了很多时间，并提出了大量宝贵意见，使本书减少了许多可能的错误，作者在此表示衷心的感谢。
另外，编者的博士研究生李红、谢荣国、崔灿、黄国银、杨青、汤会香、张辉等，帮助编者收集了大量资料，付出了辛勤劳动，在此一并表示感谢。
太阳能光电材料体系较多，发展迅速。由于作者的知识面和水平有限，书中肯定会存在一些疏漏，恳请读者批评指正。
编者
2006年10月
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