太陽能電池

前言

　　人類的生活需要能源。我們除了需要食物中的能量以維持身體所需外（100W），另外平均還需要較之食物中30倍的能量來滿足我們的生活。而電能幾乎可以用于任何用途，所以它是這些能源中最重要的形式之一。地球上所有的生命都是基于太陽能的（通過藻類植物的光合作用發(fā)現(xiàn)）。人類可以用太陽能電池通過光電能量轉(zhuǎn)換來生產(chǎn)電能，這是人類歷史上首次無需借助植物，而直接利用太陽能就可以制造出高品質(zhì)的能量。因為任何可持續(xù)的，例如：長期能源的提供都必須是基于太陽能的，所以未來光電能量轉(zhuǎn)換將是一種必不可少的生產(chǎn)能源的方式?！　”緯鴮μ柲茈姵氐幕驹磉M行了詳細的闡述。在對原理的討論中盡量對現(xiàn)有技術(shù)和將來發(fā)展的原理做出全面的描述。太陽能電池中能量的轉(zhuǎn)換包括兩個步驟。第一步是吸收太陽輻射，生產(chǎn)化學能。這個過程可以發(fā)生在每個半導體中。第二步是通過產(chǎn)生電流和電壓轉(zhuǎn)換成電能。這個過程就需要適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)和力去驅(qū)動由于入射光產(chǎn)生的電子和空穴以電流的方式通過太陽能電池。這種由于特殊結(jié)構(gòu)和力引起的電荷定向傳輸將在本書中有詳細介紹。在這個過程中可以看出存在于暗區(qū)pn結(jié)中的電場（通常被認為是太陽能電池工作的先決條件），實際上是一個附加現(xiàn)象，是由于其他原因所必需的結(jié)構(gòu)，并不是太陽能電池的基本特性。太陽能電池的結(jié)構(gòu)可以由具有半導體特性的吸收體來描述，其內(nèi)發(fā)生太陽熱轉(zhuǎn)換成化學能且包含兩個半滲透膜，一個位于末端傳輸電子阻礙空穴，另一個位于另一末端傳輸空穴阻礙電子。此書力圖以一種便于理解的方式全面闡述太陽能電池的基本物理原理。除了極少數(shù)的例外，所有的物理關(guān)系都會被推導且以實例說明，以便于沒有物理背景的讀者理解本書。　　此書重點將放在熱力學方法上，它獨立于太陽能電池結(jié)構(gòu)而存在。這有利于對太陽能熱輻射轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換效率限制給出全面的判斷，也可以說明現(xiàn)有太陽能電池的發(fā)展?jié)撃芗跋拗?。我們將依循W.Shockley和H J Queisser開辟的路線進行說明?。　　本書是綜合了一系列關(guān)于太陽能電池物理學的講座而成的。我非常感謝那些給我提出建議和指出錯誤的學生。這里所展現(xiàn)的素材與一般依賴于電場提供驅(qū)逐力的太陽能電池的處理不同，它是多年來與我的老師W?Ruppel合作研究的成果?！　≡谀撤N程度上來說，本書相比于一般的半導體物理學和太陽能電池物理學更為嚴謹。最明顯的就是同樣的物理量將用同樣的物理符號表示，如：流量密度將用j表示，它所傳輸?shù)牧坑貌煌南聵藖韰^(qū)分，jQ表示電荷流的密度，je表示電子流的密度。根據(jù)此原則，所有微粒的濃度都用n表示，ne表示電子的濃度，nh表示空穴的濃度，nγ表示光子的濃度。希望習慣于用n和p表示電子和空穴濃度的讀者不會覺得很難適應這種更合理的表示方法。　　促使我們從消耗儲存能源轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂每稍偕茉?，并不是消耗儲存能源本身，盡管油、氣儲量只能夠維持一百年。能源的耗盡并不會困擾我們，因為這將是我們有生之年看不到的事情。但假設(shè)我們能活到500歲，那我們就不得不去面對現(xiàn)在這樣消耗能源的后果了。促使我們轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂每稍偕茉吹膽撌鞘褂没剂虾秃四墚a(chǎn)生的副產(chǎn)物對環(huán)境產(chǎn)生的災難性后果。因為這是使用太陽能電池的最實際動機，本書將從討論我們現(xiàn)有能源經(jīng)濟引起的后果和對氣候的影響開始展開。因為太陽能經(jīng)濟被證明可以消除上述問題，所以我們應大力發(fā)展光電技術(shù)，此書將為此提供理論基礎(chǔ)。

內(nèi)容概要

　　《太陽能電池從原理到新概念》是在非常成功的德文版基礎(chǔ)上補充和更新而成的，此版包含了關(guān)于太陽能轉(zhuǎn)換機理的最新知識。書中綜合了一系列關(guān)于太陽能電池物理學的講座，對太陽能電池原理與概念進行了極具深度和廣度的精辟闡述，內(nèi)容豐富且實用?！　惺紫壬钊腙U述了各類太陽能電池的基本原理，如黑體輻射與太陽光譜，半導體及其電子與空穴，熱輻射—化學能的轉(zhuǎn)換，化學能—電能的轉(zhuǎn)換，太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)（包括硅太陽能電池、薄膜太陽能電池、染料敏化太陽能電池等），太陽能電池能量轉(zhuǎn)換的限制因素，提高太陽能電池效率的概念等。重點放在熱力學方法上，它獨立于太陽能電池結(jié)構(gòu)存在，這有利于對太陽能熱輻射轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換效率限制給出全面的判斷，也可以說明現(xiàn)有太陽能電池的發(fā)展?jié)撃芗跋拗啤Ｗ詈笥懻摿烁纳铺柲茈姵仄焚|(zhì)及提高其效率所需要考慮的問題?！　∵@是一本非常好的研究參考書和教科書，它既是從事太陽能電池研究開發(fā)、生產(chǎn)制造及使用運行的必備基礎(chǔ)書，又適合相關(guān)專業(yè)研究生及高年級本科生作為教材使用。

書籍目錄

1 能源經(jīng)濟問題11.1 能源經(jīng)濟21.2 化石能源最大儲量的估算41.3 溫室效應71.3.1 燃燒71.3.2 地球的溫度72 光子112.1 黑體輻射122.1.1 空腔光子密度ｎγ（普朗克輻射定律）122.1.2 通過面積ｄＡ進入立體角ｄΩ的能量電流172.1.3 從球面進入立體角ｄΩ的輻射202.1.4 從表面單元進入半球的輻射(斯蒂芬?玻耳茲曼輻射定律)212.2 非黑體輻射的基爾霍夫定律232.2.1 半導體吸收252.3 太陽光譜262.3.1 大氣質(zhì)量282.4 太陽輻射強度292.4.1 阿貝正弦條件312.4.2 幾何光學322.4.3 正弦條件下的輻射強度332.5 太陽能轉(zhuǎn)化的最大效率343 半導體433.1 半導體中的電子453.1.1 電子的分布函數(shù)463.1.2 電子的態(tài)密度De473.1.3 電子的密度513.2 空穴533.3 摻雜563.4 準費米分布603.4.1 費米能級及電化學勢633.4.2 功函683.5 電子和空穴的產(chǎn)生693.5.1 光子吸收693.5.2 電子?空穴對的發(fā)生723.6 電子與空穴的復合763.6.1 輻射復合，光子發(fā)射763.6.2 非輻射復合793.6.3 壽命893.7 半導體發(fā)光913.7.1 躍遷率與吸收系數(shù)924 熱輻射轉(zhuǎn)化為化學能974.1 化學能產(chǎn)生的最大效率1005 化學能轉(zhuǎn)化為電能1075.1 電子及空穴傳輸1085.1.1 場電流1085.1.2 擴散電流1105.1.3 總電荷電流1115.2 電子和空穴的分離1145.3 少數(shù)載流子的擴散長度1165.4 介電弛豫1185.5 雙極擴散1195.6 丹培效應1205.7 數(shù)學描述1236 太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)1256.1 化學太陽能電池1266.2 太陽能電池基本機理1306.3 染料太陽能電池1316.4 pn結(jié)1336.4.1 黑暗中電子在pn結(jié)中的電化學平衡1336.4.2 pn結(jié)電位分布1346.4.3 pn結(jié)的伏安（電流?電壓）特性1386.5 pn結(jié)摻雜復合二極管模型1436.6 異質(zhì)結(jié)1466.7 半導體?金屬接觸1486.7.1 肖特基接觸1506.7.2 金屬?絕緣體?半導體接觸1516.8 電場在太陽能電池中的作用1527 太陽能電池能量轉(zhuǎn)換限制1577.1 太陽能電池最大效率1587.2 太陽能電池效率與能隙的函數(shù)1617.3 最理想的硅太陽能電池1627.3.1 光捕捉1647.4 薄膜太陽能電池1687.4.1 太陽能電池的最小厚度1697.5 等效電路1717.6 開路電壓的溫度依賴1727.7 效率的強度依賴1737.8 單個能量轉(zhuǎn)換過程效率1748 提高太陽能電池效率的概念1778.1 串接電池1788.1.1 串接電池的電連接1818.2 聚光器電池1838.3 熱伏能量轉(zhuǎn)換1848.4 碰撞電離1868.4.1 碰撞電離熱電子1898.4.2 熱電子與空穴的能量轉(zhuǎn)換1898.5 三水平體系中的兩步激發(fā)1928.5.1 雜質(zhì)光伏效應1938.5.2 光子的上轉(zhuǎn)換與下轉(zhuǎn)換1979 前景展望203附錄208索引211

章節(jié)摘錄

　　1　能源經(jīng)濟問題　　所有國家（特別是發(fā)達國家）的能源經(jīng)濟都是基于儲存能源的利用，主要是以煤、油、氣形式存在的化石能源以及以鈾的同位素U235形式存在的核能。用這些儲藏的能源來滿足我們的能源需求會導致兩個問題。一種能源只能持續(xù)使用到它耗盡。在這種能源耗盡前，我們必須考慮能源耗盡后生活要如何繼續(xù)，所以我們必須開發(fā)替代的能源。此外，隨著能源的消耗還伴隨著一些不好的效應。長久埋藏于地下的物質(zhì)得到釋放后會通過一些途徑侵入到大氣、水和食物中。雖然直到目前，這些弊端還不是很明顯，但它會對后世子孫造成影響。在這一章中我們將要精確評估化石能源的數(shù)量，不僅包括化石載體的部分，也包括隨大氣中氧氣一起燃燒的部分。另外，我們還要研究溫室效應的原因，它實際上是燃燒化石燃料所不可避免的后果?！　?.1　能源經(jīng)濟　　儲存在化石能源載體中的化學能的數(shù)量以能源單位來估量，有些多，有些則很少。最常用的基本單位是焦耳，簡寫為J，它是一個很小的單位，代表給1g水加熱0.25℃所需的能量或功率1kw的吹風機1ms所消耗的能量。更實用的單位是千瓦時(kw·h)，等于3.6 x 106J。1kw·h表示在100g巧克力中所包含的能量。這個單位有一個問題，就是它是通過瓦特這個功率的單位延伸而來的，表示的是單位時間的能量。

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