太陽(yáng)能電池基礎(chǔ)與應(yīng)用

前言

當(dāng)今，越來(lái)越多的人認(rèn)為，不論是通過(guò)光熱途徑還是光伏途徑，直接應(yīng)用太陽(yáng)能不可避免地將成為人類(lèi)使用能源的方式，特別是，這種方式將成為人類(lèi)最終使用能源的重要組成部分。太陽(yáng)能將在21世紀(jì)（或者可能在22世紀(jì)內(nèi)）世界范圍內(nèi)直接替代數(shù)十億噸人類(lèi)現(xiàn)在主要使用的化石能源。太陽(yáng)能具有環(huán)境友好特性，當(dāng)前太陽(yáng)能的一些直接應(yīng)用，特別是前面提到的“光明前景”，驅(qū)使人們?cè)谘哉撝?、在宣傳上、在各?guó)政策方面、在直接或風(fēng)險(xiǎn)投資方面都給予太陽(yáng)能事業(yè)越來(lái)越強(qiáng)烈的支持。世界各國(guó)也確立了更多的太陽(yáng)能項(xiàng)目，其中有一些在十萬(wàn)千瓦以上。這些情況的確使人激動(dòng)，也將以前所未有的力量與速度推動(dòng)整個(gè)太陽(yáng)能事業(yè)，使太陽(yáng)能大規(guī)模的使用更早到來(lái)。就拿我國(guó)來(lái)說(shuō)，未來(lái)如果十幾億人都能過(guò)上“小康”的現(xiàn)代生活；如果我國(guó)要有與其他發(fā)達(dá)國(guó)家相比的生產(chǎn)能力與防衛(wèi)能力；如果我國(guó)要承擔(dān)在世界上應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任，即便節(jié)能水平能與美、歐、日相當(dāng)，到2050年左右我國(guó)能耗也將達(dá)到40億～50億噸標(biāo)煤以上，我國(guó)發(fā)電能力也將達(dá)十幾億千瓦電功率。有些人還認(rèn)為這些是比較保守的估計(jì)，因?yàn)榈侥菚r(shí)我國(guó)人均年能耗也只約是美國(guó)的1／3，西歐和日本的一半。長(zhǎng)期支撐這樣大的能耗，并考慮到我國(guó)資源情況及國(guó)際環(huán)境和我國(guó)的環(huán)境狀況，到22世紀(jì)初如果不能用非化石能源，如核能、太陽(yáng)能，替代相當(dāng)一部分化石能源，我們國(guó)家、我們民族的發(fā)展都會(huì)受重大影響。因此，大規(guī)模推進(jìn)太陽(yáng)能的發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)我國(guó)尤為重要。這里特別強(qiáng)調(diào)的是著眼于為大規(guī)模發(fā)展太陽(yáng)能、使太陽(yáng)能在我國(guó)整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中占相當(dāng)比重而去工作、去布局。在上述背景下，出版該書(shū)是非常有意義的。該書(shū)比較公正地、全面地介紹各主要光伏太陽(yáng)能的途徑、它們的基本過(guò)程及主要技術(shù)、它們各自的特點(diǎn)及發(fā)展前景。該書(shū)各章的作者基本上都是我國(guó)在各光伏太陽(yáng)能途徑上研究、開(kāi)發(fā)的領(lǐng)軍人物，因此各章除了介紹各途徑外，對(duì)途徑發(fā)展的分析和討論，也是有很多親身體會(huì)和真知灼見(jiàn)的。應(yīng)該說(shuō)，這些體會(huì)和見(jiàn)解是我國(guó)多年來(lái)發(fā)展太陽(yáng)能工作的收獲，在某種程度上的凝練。這是該書(shū)與其他介紹太陽(yáng)能書(shū)籍的一個(gè)區(qū)別。對(duì)于今后越來(lái)越多投身太陽(yáng)能事業(yè)的年輕科技工作者來(lái)說(shuō)，閱讀該書(shū)應(yīng)該有可能得到更多的收益，產(chǎn)生一些真正的潛移默化。

內(nèi)容概要

本書(shū)從社會(huì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)以及能源需求角度出發(fā)，闡述光伏利用太陽(yáng)能的必然性與重要性；講述半導(dǎo)體基礎(chǔ)理論及光伏電池的基本原理。結(jié)合該領(lǐng)域的進(jìn)展，既全面深入地介紹了常規(guī)晶體硅電池，Ⅲ-Ⅴ族化合物電池；同時(shí)又對(duì)CIGS電池，CdTe電池，硅基薄膜電池，染料敏化電池，有機(jī)電池等各種不同薄膜電池的光伏材料、電池結(jié)構(gòu)及其工藝特色和技術(shù)發(fā)展予以詳細(xì)闡述。除敘述光伏應(yīng)用電力系統(tǒng)，常規(guī)應(yīng)用及應(yīng)用示例外，還從發(fā)展角度涉及了微電子學(xué)在未來(lái)能源領(lǐng)域中開(kāi)發(fā)應(yīng)用的途徑。最后對(duì)更高效率光伏電池的新概念進(jìn)行了綜合的介紹與展望。    本書(shū)可作為高等院校高年級(jí)學(xué)生、研究生的教材或參考書(shū)，也可作為光伏電池、光電子器件科學(xué)與相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的科研人員、工程技術(shù)人員的參考書(shū)。

書(shū)籍目錄

序言前言第1章 光伏發(fā)電：人類(lèi)能源的希望  1.1 光伏是創(chuàng)造社會(huì)發(fā)展與能源需求平衡的最佳能源形式    1.1.1 能源是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展水平的標(biāo)志    1.1.2 社會(huì)進(jìn)步要求新能源    1.1.3 太陽(yáng)能是未來(lái)能源的主力之一  1.2 光伏發(fā)電歷史與現(xiàn)狀    1.2.1 光伏里程中的重大事件    1.2.2 光伏發(fā)展歷史的啟示——尋找新材料，開(kāi)發(fā)新技術(shù)，開(kāi)拓新領(lǐng)域  參考文獻(xiàn)第2章 光伏原理基礎(chǔ)  2.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)    2.1.1 半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)與表征    2.1.2 半導(dǎo)體中電子態(tài)與能帶結(jié)構(gòu)    2.1.3 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)與缺陷    2.1.4 平衡態(tài)載流子分布    2.1.5 半導(dǎo)體光吸收    2.1.6 非平衡載流子產(chǎn)生與復(fù)合    2.1.7 載流子輸運(yùn)性質(zhì)  2.2 半導(dǎo)體pn結(jié)基礎(chǔ)    2.2.1 熱平衡的pn結(jié)    2.2.2 pn結(jié)伏安特性    2.2.3 pn結(jié)電容    2.2.4 異質(zhì)結(jié)  2.3 太陽(yáng)電池基礎(chǔ)    2.3.1 光生伏特效應(yīng)    2.3.2 太陽(yáng)電池電流一電壓特性分析    2.3.3 太陽(yáng)電池性能表征    2.3.4 量子效率譜    2.3.5 太陽(yáng)電池效率分析    2.3.6 太陽(yáng)電池效率損失分析    2.3.7 p-i-n結(jié)電池  2.4 太陽(yáng)電池器件模擬    2.4.1 器件模擬的意義    2.4.2 硅基薄膜電池的電學(xué)模型    2.4.3 硅基薄膜電池的光學(xué)模擬    2.4.4 模擬計(jì)算示例  參考文獻(xiàn)第3章 晶體硅太陽(yáng)電池  3.1 晶體硅太陽(yáng)電池技術(shù)的發(fā)展    3.1.1 簡(jiǎn)介    3.1.2 早期的硅太陽(yáng)電池    3.1.3 傳統(tǒng)的空間電池    3.1.4 背面場(chǎng)    3.1.5 紫電池    3.1.6 “黑體電池”    3.1.7 表面鈍化    3.1.8 PERL電池設(shè)計(jì)    3.1.9 總結(jié)  3.2 高效電池的產(chǎn)業(yè)化    3.2.1 介紹    3.2.2 絲網(wǎng)印刷電池    3.2.3 掩埋柵太陽(yáng)電池    3.2.4 高效背面點(diǎn)接觸電極電池    3.2.5 HIT電池    3.2.6 Pluto電池  參考文獻(xiàn)第4章 高效Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽(yáng)電池  4.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物材料及太陽(yáng)電池的特點(diǎn)  4.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽(yáng)電池的制備方法    4.2.1 液相外延技術(shù)    4.2.2 金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)    4.2.3 分子束外延技術(shù)  4.3 Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽(yáng)電池的發(fā)展歷史    4.3.1 GaAs基系單結(jié)太陽(yáng)電池    4.3.2 GaAs基系多結(jié)疊層太陽(yáng)電池    4.3.3 Ⅲ-Ⅴ族聚光太陽(yáng)電池    4.3.4 薄膜型Ⅲ-Ⅴ族太陽(yáng)電池  4.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽(yáng)電池的研究熱點(diǎn)    4.4.1 更多結(jié)(三結(jié)以上)疊層電池的研究    4.4.2 Ⅲ-Ⅴ族量子阱、量子點(diǎn)太陽(yáng)電池    4.4.3 熱光伏電池    4.4.4 分光譜太陽(yáng)電池的研究    4.4.5 其他類(lèi)型新概念太陽(yáng)電池  參考文獻(xiàn)第5章 硅基薄膜太陽(yáng)電池  5.1 引言  5.2 硅基薄膜物理基礎(chǔ)及其材料特性    5.2.1 硅基薄膜材料的研究歷史和發(fā)展現(xiàn)狀    5.2.2 非晶硅基薄膜材料的結(jié)構(gòu)和電子態(tài)    5.2.3 非晶硅基薄膜材料的電學(xué)特性    5.2.4 非晶硅基薄膜材料的光學(xué)特性    5.2.5 非晶硅基薄膜材料的光致變化    5.2.6 非晶硅碳和硅鍺合金薄膜材料    5.2.7 微晶硅及微晶硅薄膜材料  5.3 非晶硅基薄膜材料制備方法和沉積動(dòng)力學(xué)    5.3.1 非晶硅基薄膜材料制備方法    5.3.2 硅基薄膜材料制備過(guò)程中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)    5.3.3 硅基薄膜材料的優(yōu)化  5.4 硅基薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)及工作原理    5.4.1 單結(jié)硅基薄膜太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)及工作原理    5.4.2 多結(jié)硅基薄膜太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)及工作原理    5.4.3 硅薄膜太陽(yáng)電池的計(jì)算機(jī)模擬  5.5 硅基薄膜太陽(yáng)電池制備技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化    5.5.1 以玻璃為襯底的硅基薄膜太陽(yáng)電池制備技術(shù)    5.5.2 柔性襯底，卷-到-卷非晶硅基薄膜太陽(yáng)電池制備技術(shù)  5.6 硅基薄膜太陽(yáng)電池的產(chǎn)業(yè)化：現(xiàn)狀、發(fā)展方向以及未來(lái)的展望    5.6.1 非晶硅基薄膜太陽(yáng)電池的優(yōu)勢(shì)    5.6.2 硅基薄膜太陽(yáng)電池所面臨的挑戰(zhàn)    5.6.3 硅基薄膜太陽(yáng)電池的發(fā)展方向  參考文獻(xiàn)第6章 銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)電池  6.1 CIGS薄膜太陽(yáng)電池發(fā)展史  6.2 CIGS薄膜太陽(yáng)電池吸收層材料    6.2.1 CIGS薄膜的制備方法    6.2.2 CIGS薄膜材料特性  6.3 C1GS薄膜太陽(yáng)電池的典型結(jié)構(gòu)    6.3.1 Mo背接觸層    6.3.2 CdS緩沖層    6.3.3 氧化鋅(ZnO)窗口層    6.3.4 頂電極和減反膜    6.3.5 CIGS薄膜光伏組件  6.4 CIGS薄膜太陽(yáng)電池的器件性能    6.4.1 CIGS薄膜太陽(yáng)電池的電流一電壓方程和輸出特性曲線    6.4.2 CIGS薄膜太陽(yáng)電池的量子效率    6.4.3 CIGS薄膜太陽(yáng)電池的弱光特性    6.4.4 CIGS薄膜太陽(yáng)電池的溫度特性    6.4.5 CIGS薄膜太陽(yáng)電池的抗輻照能力    6.4.6 CIGS薄膜電池的穩(wěn)定性.  6.5 CIGS薄膜太陽(yáng)電池的異質(zhì)結(jié)特性    6.5.1 CIGS薄膜太陽(yáng)電池異質(zhì)結(jié)能帶圖    6.5.2 能帶邊失調(diào)值    6.5.3 貧Cu的CIGS表面層  6.6 柔性襯底CIGS薄膜太陽(yáng)電池    6.6.1 柔性襯底CIGS薄膜太陽(yáng)電池的性能特點(diǎn)    6.6.2 柔性金屬襯底CIGS太陽(yáng)電池    6.6.3 聚合物襯底CIGs薄膜電池    6.6.4 CIGS柔性光伏組件  6.7 CIGS薄膜太陽(yáng)電池的發(fā)展動(dòng)向    6.7.1 無(wú)Cd緩沖層    6.7.2 其他Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料    6.7.3 疊層電池  參考文獻(xiàn)第7章 染料敏化太陽(yáng)電池  7.1 引言    7.1.1 染料敏化太陽(yáng)電池的發(fā)展歷史    7.1.2 染料敏化太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)和組成    7.1.3 染料敏化太陽(yáng)電池的工作原理  7.2 染料敏化太陽(yáng)電池及材料    7.2.1 襯底材料    7.2.2 納米半導(dǎo)體材料    7.2.3 染料光敏化劑    7.2.4 電解質(zhì)    7.2.5 對(duì)電極  7.3 有機(jī)聚合物太陽(yáng)電池    7.3.1 器件結(jié)構(gòu)和工作原理    7.3.2 給體光伏材料    7.3.3 受體材料  7.4 染料敏化太陽(yáng)電池性能    7.4.1 電化學(xué)性能    7.4.2 光伏性能  7.5 染料敏化太陽(yáng)電池未來(lái)的發(fā)展  參考文獻(xiàn)第8章 光伏器件的測(cè)試與應(yīng)用  8.1 光伏器件的測(cè)試    8.1.1 太陽(yáng)常數(shù)和大氣質(zhì)量    8.1.2 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件和標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池    8.1.3 光伏器件的基本測(cè)量    8.1.4 多結(jié)疊層太陽(yáng)電池的測(cè)試  8.2 光伏發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用    8.2.1 太陽(yáng)能輻射資源    8.2.2 光伏系統(tǒng)的工作原理、技術(shù)性能及電子學(xué)問(wèn)題    8.2.3 光伏發(fā)電應(yīng)用    8.2.4 光伏發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)  參考文獻(xiàn)第9章 高效電池新概念  9.1 引言  9.2 Shockley-Queisser光伏轉(zhuǎn)換效率理論極限    9.2.1 黑體輻射    9.2.2 細(xì)致平衡原理    9.2.3 理想光伏電池的轉(zhuǎn)換效率  9.3 多結(jié)太陽(yáng)電池  9.4 熱載流子太陽(yáng)電池    9.4.1 光生載流子熱弛豫過(guò)程    9.4.2 熱載流子太陽(yáng)電池的理論效率極限    9.4.3 熱載流子太陽(yáng)電池的實(shí)驗(yàn)研究與進(jìn)展  9.5 碰撞電離太陽(yáng)電池    9.5.1 碰撞電離基本概念    9.5.2 碰撞電離太陽(yáng)電池極限效率    9.5.3 碰撞電離電池的實(shí)驗(yàn)研究  9.6 中間帶及多能帶太陽(yáng)電池  9.7 熱光電及熱光子轉(zhuǎn)換器    9.7.1 熱光伏電池    9.7.2 熱光子轉(zhuǎn)換器  9.8 小結(jié)  參考文獻(xiàn)附錄  附錄A 標(biāo)準(zhǔn)AM1.5太陽(yáng)光譜輻照度數(shù)據(jù)  附錄B 鉛酸蓄電池的分類(lèi)、命名和表征    B.1 鉛酸蓄電池的分類(lèi)    B.2 蓄電池的命名方法、型號(hào)組成及其代表意義    B.3 電池的表征參量  附錄C 典型的單片機(jī)及外圍電路    C.1 CPU、EEPROM、RAM、I/O單片微處理器    C.2 LCD液晶顯示器    C.3 自定義4×4矩陣鍵盤(pán)    C.4 RS232異步串行通信接口    C.5 多路模擬開(kāi)關(guān)和串行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器  附錄D 脈寬調(diào)制方波逆變器產(chǎn)品實(shí)例    D.1 概述    D.2 技術(shù)指標(biāo)    D.3 方波逆變器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理

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