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本书将光伏材料的相关专业基础知识分为光伏材料物理和光伏材料化学两部分，其中“光伏材料物理实用基础篇”侧重介绍光伏材料的分类、特性、结构理论、能带理论、发电理论；而“光伏材料化学实用基础篇”则以太阳能电池的工艺生产过程为主线，将其中涉及的化学原理、化学药品、化学反应及安全操作等内容逐一介绍。

上篇光伏材料物理实用基础篇 / 1

模块一光伏材料基础2

1.1光伏材料的分类2

1.1.1硅材料2

1.1.2化合物半导体薄膜材料3

1.2半导体材料的物理特性4

1.2.1半导体材料的共性4

1.2.2硅材料的特殊物理性质4

1.2.3化合物半导体材料的特殊性质5

实训一采用四探针测试仪测量硅材料的电阻7

思考题8

模块二晶体结构与缺陷9

2.1晶体的构造9

2.1.1晶体与非晶体9

2.1.2晶体的格子构造9

2.1.3晶胞与14种空间结构9

2.2晶体的特性11

2.2.1晶体的规则外形11

2.2.2晶体的固定熔点11

2.2.3晶体的各向异性12

2.2.4晶体的解理性13

2.2.5晶体的稳定性13

2.3典型的晶体结构13

2.3.1晶体的分类13

2.3.2半导体材料的典型结构13

2.4晶面、晶向15

2.4.1晶面指数15

2.4.2晶向指数15

2.4.3晶面间距15

2.4.4晶面夹角15

2.5晶体缺陷16

2.5.1点缺陷16

2.5.2线缺陷17

2.5.3面缺陷17

2.5.4体缺陷19

实训二采用X射线衍射法测试硅片的表面取向19

思考题20

模块三杂质与缺陷能级21

3.1能带的形成21

3.1.1电子的共有化21

3.1.2能级、能带、能隙21

3.1.3导体、半导体、绝缘体的能带结构22

3.2半导体中的杂质与掺杂22

3.2.1半导体纯度的表示22

3.2.2半导体的杂质效应及影响22

3.2.3半导体的掺杂与型号23

3.2.4电子、空穴的产生24

实训三傅里叶红外光谱仪测试硅晶体中杂质含量24

思考题25

模块四热平衡状态下的载流子和非平衡状态下的载流子26

4.1热平衡状态下的载流子26

4.1.1费米分布函数26

4.1.2状态密度27

4.1.3导带电子浓度和价带空穴浓度27

4.1.4本征半导体的载流子浓度28

4.1.5掺杂半导体的载流子浓度28

4.2非平衡状态下的载流子29

4.2.1非平衡载流子的产生与复合29

4.2.2非平衡载流子的寿命30

实训四采用少子寿命仪测量硅片的少子寿命30

思考题31

模块五P-N结32

5.1P-N结的形成32

5.1.1载流子的扩散运动32

5.1.2载流子的飘移运动32

5.2P-N结的制备及杂质分布图33

5.3P-N结的能带结构及接触电势33

5.4P-N结的特性34

5.4.1P-N结的电流电压特性34

5.4.2P-N结的电容特性34

5.4.3P-N结的击穿效应34

5.4.4P-N结的光伏效应35

思考题35

下篇光伏材料化学实用基础篇 / 36

模块六光伏材料化学特性37

6.1硅及其重要化合物37

6.1.1硅37

6.1.2二氧化硅41

6.1.3氮化硅42

6.1.4碳化硅42

6.1.5四氯化硅43

6.1.6三氯氢硅43

6.1.7硅酸44

6.1.8硅烷44

6.1.9锗45

6.2GaAs45

6.3CdTe薄膜材料的工艺化学原理46

思考题47

模块七外延工艺化学原理48

7.1外延工艺中气相抛光原理48

7.2外延生长的化学原理49

7.3氢气的纯化50

7.3.1分子筛纯化氢气的原理50

7.3.2分子筛的类型和组成50

7.3.3分子筛的特性51

7.3.4分子筛的再生51

7.4常用的脱水剂(干燥剂)51

7.5脱氧剂——105催化剂52

7.6钯管的纯化原理53

7.7氢气中其他杂质的净化剂53

模块八化学清洗及纯水的制备54

8.1化学清洗54

8.1.1硅片表面沾污的杂质54

8.1.2化学清洗的原理55

8.1.3硅片清洗的一般步骤及注意事项60

8.2纯水的制备60

模块九硅片表面的化学机械抛光62

9.1表面抛光的分类62

9.2表面抛光的原理62

9.2.1铬离子化学机械抛光62

9.2.2二氧化硅胶体化学机械抛光62

模块十半导体材料化学腐蚀原理64

10.1化学腐蚀的原理64

10.1.1半导体材料的腐蚀64

10.1.2二氧化硅的腐蚀65

10.1.3氮化硅的腐蚀66

10.1.4金属的腐蚀66

10.2影响化学腐蚀的因素68

模块十一扩散制结化学原理70

11.1扩散基本理论70

11.1.1扩散杂质的选择70

11.1.2扩散原理71

11.2磷扩散化学原理73

11.2.1液态源73

11.2.2气态源75

11.2.3固态源75

11.3硼扩散化学原理75

11.3.1液态源76

11.3.2固态源77

11.3.3气态源77

模块十二刻蚀工艺化学原理79

12.1光刻79

12.2聚乙烯醇肉桂酸酯光刻胶80

12.3光刻工艺的化学原理82

12.4其他光致抗蚀剂的介绍84

模块十三表面钝化和镀减反射膜的化学原理88

13.1二氧化硅钝化膜88

13.2磷硅玻璃钝化膜91

13.3氮化硅钝化膜92

13.4三氧化二铝钝化膜94

模块十四丝网印刷98

14.1丝网印刷的浆料组成98

14.2丝网印刷制备电极的原理99

14.3丝网印刷化学品的防护101

模块十五化学储能电池104

15.1铅酸蓄电池104

15.2锂离子电池107

15.3镍氢电池108

参考文献110

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前言

光伏产业是国际上继IT、微电子产业后又一爆炸式发展的产业。利用太阳能光伏发电已经成为新能源利用的蓬勃发展的潮流，截至2015年年底，我国光伏发电累计装机容量达4318万千瓦，成为全球光伏发电装机容量的国家。光伏材料的理化性质和光电转换效率是影响光伏发电效率的重要因素之一，因此作为高职高专太阳能光伏专业类的学生，学习和了解光伏材料的理化特性具有重要意义。

光伏材料的制备及操作需要很多物理化学专业的知识，本书针对高职高专院校光伏材料技术相关专业学生的特点，本着 “应用为主、够用为度”的原则编写，编写过程中尽量减少复杂繁琐的公式和理论推导，减少理论化的抽象讲解，尽量采用通俗易懂的语言讲述，深入浅出地介绍半导体材料的物理及化学基础知识和相关操作技能。

本书共分为上下两篇，分别为物理实用基础篇和化学实用基础篇，共十五个模块。上篇主要介绍了光伏材料的基本物理特性及相关应用理论，为学生后续学习专业课程打下基础；下篇主要介绍光伏材料的化学应用原理和相关化学品的特性等，为相关的操作提供理论支撑和操作安全指导，同时提高高职高专学生的在光伏材料制备操作中的安全防护意识。

本书由乐山职业技术学院梅艳、叶常琼任主编，张东、贾曦任副主编，梅艳和叶常琼负责全书主要内容的编写工作，张东、贾曦负责实训部分及思考题的编写工作，杨莉频、胡小冬、邓丰参加了本书的编写工作。

限于笔者水平和经验，书中可能存在疏漏和不足之处，敬请广大读者批评指正，以便我们今后对本书不断修改和完善。

编者

2016年5月