太陽能光伏技術(shù)

內(nèi)容概要

　　本書詳細地論述了太陽能光伏技術(shù)的物理概念、數(shù)學(xué)推導(dǎo)、常用科技表達(發(fā)電曲線、光譜響應(yīng)、轉(zhuǎn)換效率等)，并且介紹了各類半導(dǎo)體太陽電池和新型太陽電池的原理，以及太陽電池的生產(chǎn)方法與工藝。
　　本書的練習(xí)題與太陽電池的具體工程設(shè)計緊密聯(lián)系。輔助描述和分析了太陽電池的工作原理，是對本書理論部分的補充，并可指導(dǎo)相關(guān)的分析實驗。

作者簡介

作者：（德國）漢斯—京特·瓦格曼（Hans—Günther Wagemann）（德國）海因茨·艾施里希（Heinz Eschrich） 譯者：葉開恒  漢斯—京特·瓦格曼，德國柏林工業(yè)大學(xué)高頻與半導(dǎo)體系統(tǒng)研究所教授。 海因茨·艾施里希，博士，德國博世太陽能公司工程師。

書籍目錄

譯者前言
中文版前言
符號表
第1章 前言
　1.1 光伏的歷史發(fā)展
第2章 太陽輻射——光伏能源
　2.1 輻射源太陽與輻射接收者地球
　2.2 太陽——黑體輻射
　2.3 地球日照輻射的功率與光譜分布
第3章 用于光伏能量轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體材料
　3.1 固體吸收電磁輻射
　3.2 光伏極限轉(zhuǎn)換效率
　3.3 輻射吸收導(dǎo)致載流子生成
　3.4 太陽電池的半導(dǎo)體技術(shù)基礎(chǔ)
　3.5 勻質(zhì)半導(dǎo)體材料中的剩余載流子特征
　3.6 分離激發(fā)剩余載流子的方法
　3.7 反射損失
第4章 太陽電池的晶態(tài)半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)
　4.1 太陽電池中的半導(dǎo)體二極管
　4.2 晶體太陽電池的基本模型
　4.2.1 電子電流
　4.2.2 空穴電流
　4.2.3 總電流
　4.2.4 光譜靈敏度
　4.3 標(biāo)準(zhǔn)光譜照射
　4.4 太陽電池的技術(shù)參數(shù)
　4.5 晶體太陽電池的等效電路圖
　4.6 硅二極管太陽電池的極限轉(zhuǎn)換效率
第5章 單晶硅太陽電池
　5.1 關(guān)于光譜靈敏度的討論
　5.2 發(fā)電特性的溫度特性
　5.3 改進型單晶硅太陽電池的參數(shù)
　5.4 晶體培育
　5.5 制備
　5.6 高功率太陽電池
　5.7 航天應(yīng)用中的太陽電池特性退化現(xiàn)象(即輻射損傷)
第6章 多晶硅太陽電池
　6.1 SGS太陽能級硅生產(chǎn)原料的制備
　6.2 新型硅精煉工藝
　6.3 多晶硅模塊鑄造法
　6.4 多晶硅中的晶界模型
　6.4.1 光譜剩余載流子密度的計算
　6.4.2 單一微晶體中光電流密度的二維邊界值問題
　6.5 光譜靈敏度與光電流密度的計算
　6.6 制備
第7章 化合物半導(dǎo)體太陽電池
　7.1 太陽電池材料硅和砷化鎵的對比
　7.2 具有AlGaAs窗口層的GaAs太陽電池
　7.3 AlGaAs／GaAs太陽電池的模型計算
　7.4 晶體培育
　7.5 GaAs太陽電池的液相外延生長
　7.6 制備GaAs太陽電池的LPE工藝流程
　7.7 用于制備薄膜結(jié)構(gòu)的III／V族半導(dǎo)體氣相外延技術(shù)
　7.8 III／V族半導(dǎo)體材料的疊層結(jié)構(gòu)太陽電池
　7.9 III／V族化合物半導(dǎo)體太陽電池的聚光技術(shù)
第8章 非晶硅薄膜太陽電池
　8.1 非晶硅特性
　8.2 非晶硅的摻雜
　8.3 a—Si：H太陽電池的物理模型
　8.3.1 暗電流
　8.3.2 光電流
　8.4 制備
　8.5 如何減小光退化效應(yīng)
　8.6 a—Si：H太陽電池的生產(chǎn)制備
第9章 其他類型太陽電池
　9.1 晶體硅雙面光敏MIS太陽電池
　9.2 銅銦雙硒太陽電池
　9.3 a—Si：H／c—Si太陽電池
　9.4 球型太陽電池
　9.5 有機半導(dǎo)體太陽電池
　9.5.1 有機分子半導(dǎo)體
　9.5.2 有機材料太陽電池
　9.5.3 染料太陽電池
　9.6 第三代太陽電池
第10章 展望
附錄A 計算與表格
　A.1 計算極限轉(zhuǎn)換率的積分解法
　A.2 擴散方程的求解
　A.3 標(biāo)準(zhǔn)光譜AMl.5
　A.4 T=300 K下的硅材料吸收系數(shù)
附錄B 習(xí)題
　習(xí)題2.1 歐洲不同地點的AM值
　習(xí)題2.2 估算太陽常數(shù)E0
　習(xí)題2.3 估算柏林地區(qū)的AM(1.5)值
　習(xí)題2.4 太陽日常軌道以及柏林地區(qū)所處黃道面上接受的太陽輻射強度和太陽能量的日均及年均量
　習(xí)題3.1 丹伯太陽電池
　習(xí)題3.2 載流子擴散微分方程的二維數(shù)值解
　習(xí)題3.3 在陽光照射條件下，尺寸為B×H的p型硅片內(nèi)的電子分布△n(x，y)偏微分方程的解析解
　習(xí)題5.1 硅太陽電池分析
　習(xí)題5.01 發(fā)電特性曲線測量
　習(xí)題5.02 光譜靈敏度測量
　習(xí)題5.03 測量太陽電池的空間電荷區(qū)電容
　習(xí)題5.04 利用兩種不同照射強度E1和E2下測得的短路電流Ipk(E)和開路電壓UL(E)確定二極管反向飽和電流I0
　習(xí)題5.05 根據(jù)先前確定的反向飽和電流I0曲線上開路點UL=U(I=0)的斜率計算寄生串聯(lián)電阻Rs
　習(xí)題5.06 根據(jù)先前確定的Rs，通過反向飽和電流I0曲線上短路點Ik=I(U=0)的斜率計算寄生并聯(lián)電阻Rp
　習(xí)題5.07 計算基底和發(fā)射極內(nèi)的載流子擴散系數(shù)
　習(xí)題5.08 基底內(nèi)少數(shù)載流子的擴散長度
　習(xí)題5.09 計算較高摻雜區(qū)中的擴散長度
　習(xí)題5.10 外量子效率Qext(γ)的測量與模擬
　習(xí)題5.11 使用半導(dǎo)體參數(shù)模擬發(fā)電特性曲線I(U)
　習(xí)題7.1 六層太陽電池的極限轉(zhuǎn)換率
附錄C 實踐練習(xí)
　C1 柏林工業(yè)大學(xué)的硅太陽電池簡易工藝
　C2 利用簡易材料制作染料太陽電池
參考文獻
索引

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   6.2新型硅精煉工藝 SGS太陽能級硅的流化床制備法和基于硅鋁混合物的UMG高純度冶金級硅提取法，以及這種材料與EGS電子級硅材料的對比（SGS：Solar Grade Silicon，也縮寫為SoG，太陽能級硅；UMG：Upgraded Metallurgical Grade Silicon，冶金級硅） 光伏產(chǎn)業(yè)對硅原料的需求日益增增加，人們開始尋找可以降低成品硅材料生產(chǎn)成本一特別是降低生產(chǎn)能耗的替代工藝。由此而出現(xiàn)的幾種新型硅提純方法繞開了用于生產(chǎn)芯片級硅材料的傳統(tǒng)西門子法，轉(zhuǎn)而將從電弧爐生產(chǎn)的純度為98％的UMG冶金級硅直接提純，并達到光伏應(yīng)用的原料標(biāo)準(zhǔn)。 目前流行的西門子法主要用于生產(chǎn)芯片級的硅原料，其基本原理是在三氯硅烷和氫氣的混合氣體氛圍中加熱細硅棒，從而使三氯硅烷（SiHCl3，縮寫為TCS）中的硅逐漸沉積在細硅棒表面，并使其逐漸生長為較粗的多晶硅柱。這種硅柱可避開坩堝工藝生產(chǎn)EGS電子級硅（“九九硅”，即硅材料純度達到99.9999999％），即以自由懸掛的方式經(jīng)過多次區(qū)域融化除雜提純處理后制成高質(zhì)量的FZ硅，其可用于生產(chǎn)晶閘管等功率半導(dǎo)體器件（圖6.6最左側(cè)分支）。而地表光伏應(yīng)用中使用的硅原料則來自于利用切克勞斯基生長法制備的CZ硅（“CZ”源于該方法的發(fā)明者波蘭科學(xué)家Jan Czochralski）。使用這種方法制備時，需要將多晶硅棒分解成小塊后放入坩堝高溫融化，因此CZ硅中的氧和碳雜質(zhì)較多（“七九硅”，純度為99.99999％的單晶硅）。CZ硅在半導(dǎo)體芯片工業(yè)中被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造各種器件，因而也是用于太陽能器件的SGS硅的重要生產(chǎn)原料（圖6.6左側(cè)中間分支）。 瓦克多晶硅公司（Wacker Polysilicon）開發(fā)的流化床法是一種連續(xù)無間斷的原料加工法，使用該法可以生產(chǎn)直徑為0.3～0.7 mm的微晶體硅。在這種新型工藝中仍然以三氯硅烷為原料，使其在反應(yīng)器內(nèi)分離出硅并沉積在硅籽晶表面，反應(yīng)初始時使用的硅籽晶微粒的表面積遠高于西門子法中使用的細硅棒表面積。該法制備的太陽能SGS級多晶硅顆粒純度同樣達到了99.99999％（“七九硅”），并且可以無間斷生產(chǎn)（圖6.6左側(cè)右分支）。 相比傳統(tǒng)工藝流程，流化床法制備太陽能級多晶硅的經(jīng)濟優(yōu)勢體現(xiàn)在很多方面。首先，在相同時間內(nèi)沉積在微晶顆粒上的多晶硅多于西門子法中沉積在硅棒上的多晶硅；其次，流化床法中的熱能耗也較低（節(jié)省約50％）。而且流化床法中的反應(yīng)器在連續(xù)生產(chǎn)中無需反復(fù)冷卻、開啟和重新裝料等步驟，從長遠來看流化床法生產(chǎn)的多晶硅顆粒避免了繁瑣的硅棒分解步驟，更適合放置在模具中進行鑄造加工。 以上介紹的三種硅提純加工法在丁業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。此外還有一種新型工藝，該工藝將金屬級MGS硅融入液態(tài)鋁中，隨后從這種合金熔融物中提取純硅。相比較于傳統(tǒng)工藝，即利用在氯硅烷的液相和氣相之間反復(fù)進行蒸發(fā)和冷凝的相位轉(zhuǎn)換以實現(xiàn)提純，這種新工藝方法則是從液態(tài)硅鋁合金中直接進行硅的固態(tài)分離。新工藝中使用的鋁熔液溫度約為T=800℃，而金屬級MGS硅在該溫度下也同樣融化（不像純硅在T=1414℃時才融化）。在冷卻硅鋁合金熔液的過程中硅首先結(jié)晶析出，而原先包含在MGS硅中的雜質(zhì)（硼、磷、碳等）則由于分凝作用繼續(xù)留在熔融態(tài)合金中，將鋁熔液導(dǎo)出后即可將雜質(zhì)從金屬級硅中分離。經(jīng)過該工藝處理后得到的純度為99.9999％金屬級UMG硅（“六九硅”）以薄片形態(tài)不斷堆積，其僅在與鋁熔液的接觸面上留有一層很薄的鋁膜（圖6.6右）。經(jīng)過硅提純處理后的高硅含量鋁合金同樣是一種重要的工業(yè)原料，其金屬強度遠高于純金屬鋁，因此十分適于某些工業(yè)部件（例如汽車上的鋁合金輪轂）。

編輯推薦

《德國半導(dǎo)體應(yīng)用經(jīng)典教材:太陽能光伏技術(shù)(第2版)》深入淺出地詳細地講解了各種材料的太陽電池原理，并簡要介紹了目前主流生產(chǎn)工藝，是一本傳授太陽能光伏技術(shù)入門知識的優(yōu)秀教材。譯者翻譯《德國半導(dǎo)體應(yīng)用經(jīng)典教材:太陽能光伏技術(shù)(第2版)》的主要目的，是向國內(nèi)讀者介紹德國先進的光伏理論技術(shù)，以及光伏研究和光伏專業(yè)課程教材。

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