太陽電池：從新概念到新技術（簡體書）

人類生活需要能量。我們除了從食物中獲得能量用以維持身體及其基本機能外（100W），平均還需要較食物提供的30多倍能量來滿足我們舒適的生活。電能是最有用的能源之一，它幾乎可以用于任何用途。地球上所有的生命都是基于太陽能通過藻類植物的光合作用而創造的。人類可以用太陽電池通過光電能量轉換來生產電能，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的能量。由于它的可持續性，也就是說，長期能源的提供都必須是基于太陽能的，所以未來光電能轉換將是必不可少的一種生產能源的方式。
本書對太陽電池的基本原理進行了深入闡述。在對原理的討論中對現有技術和將來的發展進行了通俗的描述。太陽電池中能量的轉換包括兩個步驟。第一步是吸收太陽輻射，即產生化學能。這個過程發生在每個半導體中。第二步是通過產生電流和電壓轉換成電能。這個過程就需要適當的結構和力去驅動由于入射光產生的電子和空穴以電流的方式通過太陽電池。這種由于特殊結構和力引起的電荷定向傳輸將在本書中詳細介紹。在這個過程中可以看出存在于暗區pn結中的電場（通常被認為是太陽電池工作的先決條件），實際上是一個附加現象，是由于其他原因所必需的結構，并不是太陽電池的基本特性。太陽電池的結構可以由具有半導體特性的吸收體來描述，其內發生太陽能轉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電池的基本物理原理。除了極少數的例外，所有的物理關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。
此書將重點放在熱力學方法上，它獨立于太陽電池結構的存在。這有利于對太陽熱輻射能轉換成電能的轉換效率限制給出全面的判斷，也可以說明現有太陽電池的發展潛能及限制。我們將依循W Shockley和H J Queisser開辟的路線進行說明W Shockley， H J Queisser，J Appl Phys32，（1961)，510。
本書是綜合了一系列關于太陽電池物理學的講座而成的。非常感謝那些給我提出建議和指出錯誤的學生。這里所展現的素材與一般依賴于電場提供驅動力的太陽電池的處理不同，它是多年來與我的老師W Ruppel合作研究的成果。
從某種程度上來說，本書相較于一般的半導體物理學和太陽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，它所傳輸的量用不同的下標來區分，jQ表示電荷流的密度，je表示電子流的密度。根據此原則，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。
盡管油、氣儲量只能夠維持不足一百年，但是按照現行做法，促使我們從消耗儲備能源轉向使用可再生能源，并不在于消耗儲備能源的本身。能源的枯竭并不會困擾我們，因為這將是我們有生之年看不到的事情。但假設我們能活到500歲，那我們就不得不去面對現在這樣消耗能源的后果了。促使我們轉變為使用可再生能源的應該是使用化石燃料和核能產生的副產物對環境產生的災難性后果。因為這是使用太陽電池的最實際動機，本書將從討論我們現有能源經濟引起的后果和對氣候的影響開始展開。因為太陽能經濟被證明可以消除上述問題，所以我們應大力發展和完善光電技術，此書將為此提供理論依據。

Peter Würfel