太陽能電池基礎與應用

序言
前言
第1章 光伏發電︰人類能源的希望
1.1 光伏是創造社會發展與能源需求平衡的最佳能源形式
1.1.1 能源是當今社會發展水平的標志
1.1.2 社會進步要求新能源
1.1.3 太陽能是未來能源的主力之一
1.2 光伏發電歷史與現狀
1.2.1 光伏里程中的重大事件
1.2.2 光伏發展歷史的啟示——尋找新材料，開發新技術，開拓新領域
參考文獻
第2章 光伏原理基礎
2.1 半導體基礎
2.1.1 半導體材料結構與表征
2.1.2 半導體中電子態與能帶結構
2.1.3 半導體中的雜質與缺陷
2.1.4 平衡態載流子分布
2.1.5 半導體光吸收
2.1.6 非平衡載流子產生與復合
2.1.7 載流子輸運性質
2.2 半導體pn結基礎
2.2.1 熱平衡的pn結
2.2.2 pn結伏安特性
2.2.3 pn結電容
2.2.4 異質結
2.3 太陽電池基礎
2.3.1 光生伏特效應
2.3.2 太陽電池電流-電壓特性分析
2.3.3 太陽電池性能表征
2.3.4 量子效率譜
2.3.5 太陽電池效率分析
2.3.6 太陽電池效率損失分析
2.3.7 p-i-n結電池
2.4 太陽電池器件模擬
2.4.1 器件模擬的意義
2.4.2 （石圭）基薄膜電池的電學模型
2.4.3 （石圭）基薄膜電池的光學模擬
2.4.4 模擬計算示例
參考文獻
第3章 晶體（石圭）太陽電池
3.1 晶體（石圭）太陽電池技術的發展
3.1.1 簡介
3.1.2 早期的（石圭）太陽電池
3.1.3 傳統的空間電池
3.1.4 背面場
3.1.5 紫電池
3.1.6 “黑體電池”
3.1.7 表面鈍化
3.1.8 PERL電池設計
3.1.9 總結
3.2 高效電池的產業化
3.2.1 介紹
3.2.2 絲網印刷電池
3.2.3 掩埋柵太陽電池
3.2.4 高效背面點接觸電極電池
3.2.5 HIT電池
3.2.6 Pluto電池
參考文獻
第4章 高效Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池
4.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物材料及太陽電池的特點
4.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池的制備方法
4.2.1 液相外延技術
4.2.2 金屬有機化學氣相沉積技術
4.2.3 分子束外延技術
4.3 Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池的發展歷史
4.3.1 GaAs基系單結太陽電池
4.3.2 GaAs基系多結疊層太陽電池
4.3.3 Ⅲ-Ⅴ族聚光太陽電池
4.3.4 薄膜型Ⅲ-Ⅴ族太陽電池
4.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池的研究熱點
4.4.1 更多結（三結以上）疊層電池的研究
4.4.2 Ⅲ-Ⅴ族量子阱、量子點太陽電池
4.4.3 熱光伏電池
4.4.4 分光譜太陽電池的研究
4.4.5 其他類型新概念太陽電池
參考文獻
第5章 （石圭）基薄膜太陽電池
5.1 引言
5.2 （石圭）基薄膜物理基礎及其材料特性
5.2.1 （石圭）基薄膜材料的研究歷史和發展現狀
5.2.2 非晶（石圭）基薄膜材料的結構和電子態
5.2.3 非晶（石圭）基薄膜材料的電學特性
5.2.4 非晶（石圭）基薄膜材料的光學特性
5.2.5 非晶（石圭）基薄膜材料的光致變化
5.2.6 非晶（石圭）碳和（石圭）鍺合金薄膜材料
5.2.7 微晶（石圭）及微晶（石圭）薄膜材料
5.3 非晶（石圭）基薄膜材料制備方法和沉積動力學
5.3.1 非晶（石圭）基薄膜材料制備方法
5.3.2 （石圭）基薄膜材料制備過程中的反應動力學
5.3.3 （石圭）基薄膜材料的優化
5.4 （石圭）基薄膜太陽電池結構及工作原理
5.4.1 單結（石圭）基薄膜太陽電池的結構及工作原理
5.4.2 多結（石圭）基薄膜太陽電池的結構及工作原理
5.4.3 （石圭）薄膜太陽電池的計算機模擬
5.5 （石圭）基薄膜太陽電池制備技術及產業化
5.5.1 以玻璃為襯底的（石圭）基薄膜太陽電池制備技術
5.5.2 柔性襯底，卷-到-卷非晶（石圭）基薄膜太陽電池制備技術
5.6 （石圭）基薄膜太陽電池的產業化︰現狀、發展方向以及未來的展望
5.6.1 非晶（石圭）基薄膜太陽電池的優勢
5.6.2 （石圭）基薄膜太陽電池所面臨的挑戰
5.6.3 （石圭）基薄膜太陽電池的發展方向
參考文獻
第6章 銅銦鎵硒薄膜太陽電池
6.1 CIGS薄膜太陽電池發展史
6.2 CIGS薄膜太陽電池吸收層材料
6.2.1 CIGS薄膜的制備方法
6.2.2 CIGS薄膜材料特性
6.3 C1GS薄膜太陽電池的典型結構
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薄膜太陽電池的器件性能
6.4.1 CIGS薄膜太陽電池的電流一電壓方程和輸出特性曲線
6.4.2 CIGS薄膜太陽電池的量子效率
6.4.3 CIGS薄膜太陽電池的弱光特性
6.4.4 CIGS薄膜太陽電池的溫度特性
6.4.5 CIGS薄膜太陽電池的抗輻照能力
6.4.6 CIGS薄膜電池的穩定性
6.5 CIGS薄膜太陽電池的異質結特性
6.5.1 CIGS薄膜太陽電池異質結能帶圖
6.5.2 能帶邊失調值
6.5.3 貧Cu的CIGS表面層
6.6 柔性襯底CIGS薄膜太陽電池
6.6.1 柔性襯底CIGS薄膜太陽電池的性能特點
6.6.2 柔性金屬襯底CIGS太陽電池
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薄膜太陽電池的發展動向
6.7.1 無Cd緩沖層
6.7.2 其他Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物半導體材料
6.7.3 疊層電池
參考文獻
第7章 染料敏化太陽電池
7.1 引言
7.1.1 染料敏化太陽電池的發展歷史
7.1.2 染料敏化太陽電池的結構和組成
7.1.3 染料敏化太陽電池的工作原理
7.2 染料敏化太陽電池及材料
7.2.1 襯底材料
7.2.2 納米半導體材料
7.2.3 染料光敏化劑
7.2.4 電解質
7.2.5 對電極
7.3 有機聚合物太陽電池
7.3.1 器件結構和工作原理
7.3.2 給體光伏材料
7.3.3 受體材料
7.4 染料敏化太陽電池性能
7.4.1 電化學性能
7.4.2 光伏性能
7.5 染料敏化太陽電池未來的發展
參考文獻
第8章 光伏器件的測試與應用
8.1 光伏器件的測試
8.1.1 太陽常數和大氣質量
8.1.2 標準測試條件和標準太陽電池
8.1.3 光伏器件的基本測量
8.1.4 多結疊層太陽電池的測試
8.2 光伏發電技術及應用
8.2.1 太陽能輻射資源
8.2.2 光伏系統的工作原理、技術性能及電子學問題
8.2.3 光伏發電應用
8.2.4 光伏發電應用系統的設計
參考文獻
第9章 高效電池新概念
9.1 引言
9.2 Shockley-Queisser光伏轉換效率理論極限
9.2.1 黑體輻射
9.2.2 細致平衡原理
9.2.3 理想光伏電池的轉換效率
9.3 多結太陽電池
9.4 熱載流子太陽電池
9.4.1 光生載流子熱弛豫過程
9.4.2 熱載流子太陽電池的理論效率極限
9.4.3 熱載流子太陽電池的實驗研究與進展
9.5 踫撞電離太陽電池
9.5.1 踫撞電離基本概念
9.5.2 踫撞電離太陽電池極限效率
9.5.3 踫撞電離電池的實驗研究
9.6 中間帶及多能帶太陽電池
9.7 熱光電及熱光子轉換器
9.7.1 熱光伏電池
9.7.2 熱光子轉換器
9.8 小結
參考文獻
附錄
附錄A 標準AM1.5太陽光譜輻照度數據
附錄B 鉛酸蓄電池的分類、命名和表征
B.1 鉛酸蓄電池的分類
B.2 蓄電池的命名方法、型號組成及其代表意義
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
C.4 RS232異步串行通信接口
C.5 多路模擬開關和串行A/D模數轉換器
附錄D 脈寬調制方波逆變器產品實例
D.1 概述
D.2 技術指標
D.3 方波逆變器的電路結構和工作原理

當今，越來越多的人認為，不論是通過光熱途徑還是光伏途徑，直接應用太陽能不可避免地將成為人類使用能源的方式，特別是，這種方式將成為人類最終使用能源的重要組成部分。太陽能將在21世紀（或者可能在22世紀內）世界範圍內直接替代數十億噸人類現在主要使用的化石能源。太陽能具有環境友好特性，當前太陽能的一些直接應用，特別是前面提到的“光明前景”，驅使人們在言論中、在宣傳上、在各國政策方面、在直接或風險投資方面都給予太陽能事業越來越強烈的支持。世界各國也確立了更多的太陽能項目，其中有一些在十萬千瓦以上。這些情況的確使人激動，也將以前所未有的力量與速度推動整個太陽能事業，使太陽能大規模的使用更早到來。就拿我國來說，未來如果十幾億人都能過上“小康”的現代生活；如果我國要有與其他發達國家相比的生產能力與防衛能力；如果我國要承擔在世界上應承擔的責任，即便節能水平能與美、歐、日相當，到2050年左右我國能耗也將達到40億～50億噸標煤以上，我國發電能力也將達十幾億千瓦電功率。有些人還認為這些是比較保守的估計，因為到那時我國人均年能耗也只約是美國的1/3，西歐和日本的一半。長期支撐這樣大的能耗，並考慮到我國資源情況及國際環境和我國的環境狀況，到22世紀初如果不能用非化石能源，如核能、太陽能，替代相當一部分化石能源，我們國家、我們民族的發展都會受重大影響。因此，大規模推進太陽能的發展和應用，對我國尤為重要。這里特別強調的是著眼于為大規模發展太陽能、使太陽能在我國整個能源結構中佔相當比重而去工作、去布局。在上述背景下，出版該書是非常有意義的。該書比較公正地、全面地介紹各主要光伏太陽能的途徑、它們的基本過程及主要技術、它們各自的特點及發展前景。該書各章的作者基本上都是我國在各光伏太陽能途徑上研究、開發的領軍人物，因此各章除了介紹各途徑外，對途徑發展的分析和討論，也是有很多親身體會和真知灼見的。應該說，這些體會和見解是我國多年來發展太陽能工作的收獲，在某種程度上的凝練。這是該書與其他介紹太陽能書籍的一個區別。對于今後越來越多投身太陽能事業的年輕科技工作者來說，閱讀該書應該有可能得到更多的收益，產生一些真正的潛移默化。

從該書的結構也可以看出，在今後很多年內，發展大規模太陽能源都將是非常艱巨的工作和事業，當今也還只能看成是事業的起始。對所涉及的各種光伏太陽能，各有各的優點，也各有各的問題，盡管都發展多年，但都還未能確切地判斷其是否適合于大規模發展。此外，由于太陽能的一些特點，如何在國家能源網絡中接納一定比例的太陽能，是從現在開始就必須考慮或準備的。例如，是否要發展大規模氫能系統，作為存儲及傳送太陽能及其他非均勻產能能源（如風能等）的調整、分配，或作為整個能源系統中的儲能系統；如果以光伏太陽能途徑為主，則發展和建設一個能接納一定比例非均勻光伏電能輸入的電網，其難度也不亞于建設相應規模的光伏電站。這些問題，通常的“環保人士”是不太會提及的，但卻是從事太陽能事業的科技工作者、從事當前光伏應用的人士所必須考慮、必須反映的。

相信該書的出版，將會促進我國太陽能事業的發展與擴大。

中國科學院院士 鄭州大學教授
霍裕平 2009年7月1日