内容简介
《太阳能电池基础与应用》从社会发展和生态保护以及能源需求角度出发，阐述光伏利用太阳能的必然性与重要性;讲述半导体基础理论及光伏电池的基本原理。结合该领域的进展，既全面深入地介绍了常规晶体硅电池、III-V族化合物电池，同时又对CIGS电池、CdTe电池、硅基薄膜电池、染料敏化电池、有机电池等各种不同薄膜电池的光伏材料、电池结构及其工艺特色和技术发展予以详细阐述。除叙述光伏应用电力系统、常规应用及应用示例外，还从发展角度讲述了微电子学在未来能源领域中开发应用的途径。*后对更高效率光伏电池的新概念进行了综合的介绍与展望。
精彩书摘
第1章光伏发电：人类能源的希望熊绍珍南开大学
从“蒸汽机”到“电动机”的一系列动力技术发明，人们逐渐认识到，能源技术的革新带动人类社会日益进步，并对社会发展起着巨大的推动作用。因此，能源是社会发展的动力，已逐步被人们接受。至今所采用的化石燃料能源，带给人类文明与进步的同时，却因能源需求消耗的大幅提高以及随之带来的环境污染，给人类生存环境造成灾难。因此“改变能源结构，保护地球”成为全球的呼声，被各国政府所关注。*新的资料表明，电解水产生的氢能、太阳光的充分利用，包括光热及阳光发电，是*清洁、环保，取之不尽、用之不竭的可再生能源。即使地球上所有的化石燃料已经用尽，阳光和水依旧存在，这时，它们将继续为人类提供新的能源！实际上深究煤和石油的来源，它们现在所发出的热量，无不是从亿万年前深埋地下时，将从太阳那里得到的能量储存至今，重新转换而来的。也就是说，即使是化石燃料，也来源于太阳！所以说，阳光和水始终是人类赖以生存的支柱！
1.1光伏是创造社会发展与能源需求平衡的*佳能源形式
1.1.1能源是当今社会发展水平的标志
联合国组织编制各类数据、图表，用以表述当今国际社会的各类问题。图1.1示出60多个国家、占全球人口90%以上的国家的人类发展指数（human development index，HDI）与各国人均年电力需求量之间的关系[1]，表征各国发展的先进水平。现在很多国家都开始用HDI来标志各国的生活质量。这就是说，使用电量的多少描述该国人民的生活质量。为了进一步改善生活质量，电力消费要在现有水平上再提高10倍以上，即从现在的每人每年的几百度（kW_h）提高到几千度。面对这样强大的电力需求，能源从那里来？显然我们不能选择无节制地燃烧更多的化石燃料、释放更多兆吨级的温室气体（co2、so2*no2）;抑或不管是否有办法对大剂量辐射废料进行安全处置，仍然继续不断地建造更多的核工厂。而是应该开发利用不产生污染、可持续再生的清洁能源，以保障世界长期安全稳定的发展。
1.1.2社会进步要求新能源
来的温室效应增长趋势[3]。从图1.2我们看到，以工业革命为标志，社会发展大致可分成三个阶段：前工业化时代、工业化时代和后工业化时代。前工业化时代是一个以刀耕火种为特点的技术落后的时代，以人力、畜力、风能、薪柴为主的初级绿色能源，能源消耗和以此带来的环境问题基本不显现。以蒸汽机发明为先导的工业化时代，寻找到的化石燃料（如燃烧煤和石油作能源）就成为当时、乃至现今社会发展的原动力。
但是由燃烧化石燃料释放出大量co2、S〇2气体和烟尘，它们是造成大气污染的主要来源，进而引发的温室效应，逐渐显现、不断恶化。直至今日成为危害社会发展的元凶？。分析不同年代冰核数据表明，如图1.3（a）所示，前工业化时代（公元1000～1800年），C02的排放量不过280ppm（lppm=10-6），然而到工业时代，如图1.3（a）中的插图所示，几乎呈指数式增长，到2000年则达到约365PPm。该图右侧示出用不同模型模拟C02的排放量随使用化石能源的增长而增长的趋势。可见从2000～2100年一百年间，如不予以限制，C〇2排放量将增长1～2倍。化石燃料是对远古时代宇宙能量的储存，历经上亿甚至几十亿万年的时间，进行转化、演变而来。人类如此这般、乃至加速度地使用它们，只过二百年，就将趋于殆尽！图1.3（b）描述的是因温室效应导致全球变暖随年度增长的趋势。其纵轴是相对于1990年地球平均温度的偏差，横轴是年份。该图显示，以北半球的观察数据作参考，至19世纪后半叶（工业革命初期），地球的平均温度较1990年还低0.5°C。但是，随着工业的日益发达，温室效应开始受到关注，仪器实测的结果显示，环境温度快速递增。到21世纪，依据不同数学模型推演的预测，若对化石燃料不加以限制，至22世纪，整个地球的环境温度，相对1990年，将增长1.5～5.5°C，其后果不堪设想。
图1.4展示各国温室排放状况以及预测的比较，该数据发表在2006年世界能源展望（IEA）上。对中国这样一个谋求快速发展的发展中国家，对环境保护考虑不够的情况下，随着工业化发展程度的提高，温室排放造成的危害速度十分惊人！经过约20年，排放温室气体的数量就赶上并将超过世界发达国家——美国。我国近年气候变化和云雾天气、自然灾害的增多，给人们的生产、生活均带来损失和严重不便。这应该给人以警示：环境是自洽的，你带给它以破坏，它会成倍予以“奉还”。为此1997年12月11日各国政府间签订了“京都议定书”，制订各国逐年减少温室气体排放量计划以及相应实施措施，以努力拯救地球环境。从另外一个角度，化石燃料来源于地层亿万年变化的能量储存的结果，与人类生活发展的年代相比非常漫长，这些能源是无法在短期内再生的。图1.5示出了化石燃料能源的有限性以及各类可再生能源发展的潜力[卜5]，其中光伏与太阳热发电，其效能*为鲜明长远。
co2排放持续上升、温室效应致使气
目录
目录
序言
前言
第1章 光伏发电：人类能源的希望 1
1.1 光伏是创造社会发展与能源需求平衡的*佳能源形式 1
1.1.1 能源是当今社会发展水平的标志 1
1.1.2 社会进步要求新能源 2
1.1.3 太阳能是未来能源的主力之一 6
1.2 光伏发电历史与现状 13
1.2.1 光伏里程中的重大事件 13
1.2.2 光伏发展历史的启示——寻找新材料，开发新技术，开拓新领域 18
参考文献 40
第2章 光伏原理基础 43
2.1 半导体基础 43
2.1.1 半导体材料结构与表征 43
2.1.2 半导体中电子态与能带结构 46
2.1.3 半导体中的杂质与缺陷 53
2.1.4 平衡态载流子分布 54
2.1.5 半导体光吸收 58
2.1.6 非平衡载流子产生与复合 63
2.1.7 载流子输运性质 71
2.2 半导体pn结基础 75
2.2.1 热平衡的pn结 76
2.2.2 pn结伏安特性 79
2.2.3 pn结电容 86
2.2.4 异质结 87
2.3 太阳电池基础 92
2.3.1 光生伏特效应 92
2.3.2 太阳电池电流-电压特性分析 92
2.3.3 太阳电池性能表征 97
2.3.4 量子效率谱 99
2.3.5 太阳电池效率分析 102
2.3.6 太阳电池效率损失分析 109
2.3.7 p-i-n结电池 110
2.4 太阳电池器件模拟 112
2.4.1 器件模拟的意义 112
2.4.2 硅基薄膜电池的电学模型 114
2.4.3 硅基薄膜电池的光学模拟 119
2.4.4 模拟计算示例 125
参考文献 132
第3章 晶体硅太阳电池 136
3.1 晶体硅太阳电池技术的发展 136
3.1.1 简介 136
3.1.2 早期的硅太阳电池 136
3.1.3 传统的空间电池 138
3.1.4 背面场 139
3.1.5 紫电池 140
3.1.6 “黑体电池” 141
3.1.7 表面钝化 143
3.1.8 PERL电池设计 149
3.1.9 总结 153
3.2 高效电池的产业化 154
3.2.1 介绍 154
3.2.2 丝网印刷电池 154
3.2.3 掩埋栅太阳电池 157
3.2.4 高效背面点接触电极电池 160
3.2.5 HIT电池 164
3.2.6 Pluto电池 172
参考文献 181
第4章 高效Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池 186
4.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物材料及太阳电池的特点 188
4.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池的制备方法 193
4.2.1 液相外延技术 193
4.2.2 金属有机化学气相沉积技术 194
4.2.3 分子束外延技术 195
4.3 Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池的发展历史 196
4.3.1 GaAs基系单结太阳电池 196
4.3.2 GaAs基系多结叠层太阳电池 201
4.3.3 Ⅲ-Ⅴ族聚光太阳电池 211
4.3.4 薄膜型Ⅲ-Ⅴ族太阳电池 214
4.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池的研究热点 216
4.4.1 更多结（三结以上）叠层电池的研究 216
4.4.2 Ⅲ-Ⅴ族量子阱、量子点太阳电池 219
4.4.3 热光伏电池 223
4.4.4 分光谱太阳电池的研究 224
4.4.5 其他类型新概念太阳电池 225
参考文献 226
第5章 硅基薄膜太阳电池 230
5.1 引言 230
5.2 硅基薄膜物理基础及其材料特性 231
5.2.1 硅基薄膜材料的研究历史和发展现状 231
5.2.2 非晶硅基薄膜材料的结构和电子态 232
5.2.3 非晶硅基薄膜材料的电学特性 237
5.2.4 非晶硅基薄膜材料的光学特性 240
5.2.5 非晶硅基薄膜材料的光致变化 247
5.2.6 非晶硅碳和硅锗合金薄膜材料 251
5.2.7 微晶硅及纳米硅薄膜材料 252
5.3 非晶硅基薄膜材料制备方法和沉积动力学 261
5.3.1 非晶硅基薄膜材料制备方法 261
5.3.2 硅基薄膜材料制备过程中的反应动力学 282
5.3.3 硅基薄膜材料的优化 287
5.4 硅基薄膜太阳电池结构及工作原理 299
5.4.1 单结硅基薄膜太阳电池的结构及工作原理 299
5.4.2 多结硅基薄膜太阳电池的结构及工作原理 311
5.4.3 硅薄膜太阳电池的计算机模拟 320
5.5 硅基薄膜太阳电池制备技术及产业化 322
5.5.1 以玻璃为衬底的硅基薄膜太阳电池制备技术 322
5.5.2 柔性衬底，卷-到-卷非晶硅基薄膜太阳电池制备技术 327
5.6 硅基薄膜太阳电池的产业化：现状、发展方向以及未来的展望 333
5.6.1 非晶硅基薄膜太阳电池的优势 334
5.6.2 硅基薄膜太阳电池所面临的挑战 335
5.6.3 硅基薄膜太阳电池的发展方向 335
参考文献 337
第6章 铜铟镓硒薄膜太阳电池 344
6.1 CIGS薄膜太阳电池发展史 344
6.2 CIGS薄膜太阳电池吸收层材料 349
6.2.1 CIGS薄膜的制备方法 349
6.2.2 CIGS薄膜材料特性 357
6.3 CIGS薄膜太阳电池的典型结构 366
6.3.1 Mo背接触层 36
试读
第1章光伏发电：人类能源的希望熊绍珍南开大学
从“蒸汽机”到“电动机”的一系列动力技术发明，人们逐渐认识到，能源技术的革新带动人类社会日益进步，并对社会发展起着巨大的推动作用。因此，能源是社会发展的动力，已逐步被人们接受。至今所采用的化石燃料能源，带给人类文明与进步的同时，却因能源需求消耗的大幅提高以及随之带来的环境污染，给人类生存环境造成灾难。因此“改变能源结构，保护地球”成为全球的呼声，被各国政府所关注。*新的资料表明，电解水产生的氢能、太阳光的充分利用，包括光热及阳光发电，是*清洁、环保，取之不尽、用之不竭的可再生能源。即使地球上所有的化石燃料已经用尽，阳光和水依旧存在，这时，它们将继续为人类提供新的能源！实际上深究煤和石油的来源，它们现在所发出的热量，无不是从亿万年前深埋地下时，将从太阳那里得到的能量储存至今，重新转换而来的。也就是说，即使是化石燃料，也来源于太阳！所以说，阳光和水始终是人类赖以生存的支柱！
1.1光伏是创造社会发展与能源需求平衡的*佳能源形式
1.1.1能源是当今社会发展水平的标志
联合国组织编制各类数据、图表，用以表述当今国际社会的各类问题。图1.1示出60多个国家、占全球人口90%以上的国家的人类发展指数（human development index，HDI）与各国人均年电力需求量之间的关系[1]，表征各国发展的先进水平。现在很多国家都开始用HDI来标志各国的生活质量。这就是说，使用电量的多少描述该国人民的生活质量。为了进一步改善生活质量，电力消费要在现有水平上再提高10倍以上，即从现在的每人每年的几百度（kW_h）提高到几千度。面对这样强大的电力需求，能源从那里来？显然我们不能选择无节制地燃烧更多的化石燃料、释放更多兆吨级的温室气体（co2、so2*no2）;抑或不管是否有办法对大剂量辐射废料进行安全处置，仍然继续不断地建造更多的核工厂。而是应该开发利用不产生污染、可持续再生的清洁能源，以保障世界长期安全稳定的发展。
1.1.2社会进步要求新能源
来的温室效应增长趋势[3]。从图1.2我们看到，以工业革命为标志，社会发展大致可分成三个阶段：前工业化时代、工业化时代和后工业化时代。前工业化时代是一个以刀耕火种为特点的技术落后的时代，以人力、畜力、风能、薪柴为主的初级绿色能源，能源消耗和以此带来的环境问题基本不显现。以蒸汽机发明为先导的工业化时代，寻找到的化石燃料（如燃烧煤和石油作能源）就成为当时、乃至现今社会发展的原动力。
但是由燃烧化石燃料释放出大量co2、S〇2气体和烟尘，它们是造成大气污染的主要来源，进而引发的温室效应，逐渐显现、不断恶化。直至今日成为危害社会发展的元凶？。分析不同年代冰核数据表明，如图1.3（a）所示，前工业化时代（公元1000～1800年），C02的排放量不过280ppm（lppm=10-6），然而到工业时代，如图1.3（a）中的插图所示，几乎呈指数式增长，到2000年则达到约365PPm。该图右侧示出用不同模型模拟C02的排放量随使用化石能源的增长而增长的趋势。可见从2000～2100年一百年间，如不予以限制，C〇2排放量将增长1～2倍。化石燃料是对远古时代宇宙能量的储存，历经上亿甚至几十亿万年的时间，进行转化、演变而来。人类如此这般、乃至加速度地使用它们，只过二百年，就将趋于殆尽！图1.3（b）描述的是因温室效应导致全球变暖随年度增长的趋势。其纵轴是相对于1990年地球平均温度的偏差，横轴是年份。该图显示，以北半球的观察数据作参考，至19世纪后半叶（工业革命初期），地球的平均温度较1990年还低0.5°C。但是，随着工业的日益发达，温室效应开始受到关注，仪器实测的结果显示，环境温度快速递增。到21世纪，依据不同数学模型推演的预测，若对化石燃料不加以限制，至22世纪，整个地球的环境温度，相对1990年，将增长1.5～5.5°C，其后果不堪设想。
图1.4展示各国温室排放状况以及预测的比较，该数据发表在2006年世界能源展望（IEA）上。对中国这样一个谋求快速发展的发展中国家，对环境保护考虑不够的情况下，随着工业化发展程度的提高，温室排放造成的危害速度十分惊人！经过约20年，排放温室气体的数量就赶上并将超过世界发达国家——美国。我国近年气候变化和云雾天气、自然灾害的增多，给人们的生产、生活均带来损失和严重不便。这应该给人以警示：环境是自洽的，你带给它以破坏，它会成倍予以“奉还”。为此1997年12月11日各国政府间签订了“京都议定书”，制订各国逐年减少温室气体排放量计划以及相应实施措施，以努力拯救地球环境。从另外一个角度，化石燃料来源于地层亿万年变化的能量储存的结果，与人类生活发展的年代相比非常漫长，这些能源是无法在短期内再生的。图1.5示出了化石燃料能源的有限性以及各类可再生能源发展的潜力[卜5]，其中光伏与太阳热发电，其效能*为鲜明长远。
co2排放持续上升、温室效应致使气
