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多種多樣的光伏技術既有共性，也有其特異性。首先，光伏效應無一例外發生在具有半導體性質的兩種材料的接觸界面之間，產生的自由電荷通過在半導體材料中的輸運到達電極和外電路，本書第1～3章闡述了半導體材料的一般性質以及接觸界面發生的物理過程與原理，使讀者對光伏電池的工作原理具備基礎性的理解；其次，不同類別的光伏電池在材料性質、制備工藝、電池結構、組件應用等方面有很大的差異，第4～9章分別講述了目前在產業領域和科研領域被普遍關注的幾種光伏技術，包括晶體硅電池、硅薄膜電池、碲化鎘電池、銅銦鎵硒電池、有機電池和染料敏化電池，第10章則集中介紹了提高光伏電池效率的幾種新理念、新技術；最后，結合光伏發電的實際案例，第11章提出電池與組件在系統真實應用中需要注意的問題，以期為讀者在開發和使用光伏產品時與實踐相結合提供依據。
本書適合太陽能光伏技術領域的研究人員、技術人員閱讀，也可作為相關專業高校師生的閱讀參考書。
作者簡介
王東，北京大學工學院，特聘研究員，博導，長期從事太陽能光伏研究，先后在美國羅格斯大學（Rutgers University）、美國可再生能源國家實驗室（NREL）進行光伏發電技術的開發與應用。其研究領域涵蓋第二代薄膜（CIGS電池、聚光電池）和第三代（染料敏化電池、有機電池）光伏技術的研發，并取得多項重大成果。他的團隊開發出的聚光薄膜電池效率超過21%，是現今世界上在連續光照下效率最高的薄膜電池。王東博士在知名科學刊物和專業會議上已發表近20篇論文，是美國化學學會、材料學會會員和Sigma Xi成員，并被收錄進美國科技名人錄（Marquis Who’s Who in Science and Engineering）。2007年在美國硅谷創辦Optony Inc.，在對光伏發電系統進行設計與工程管理的實踐當中，王東博士對世界各國的新能源特別是光伏相關政策進行了深入的研究，不但為光伏電力投資人節省了大量成本，同時也為產業政策措施的導向與制定積累了實際操作經驗。王東博士于2009年被聘為北京大學工學院特聘研究員，博士生導師。
名人/編輯推薦
序
進入21世紀以來，全球對清潔能源的需求與日俱增。以太陽能光伏發電為例，最近十年全世界的光伏裝機容量平均以每年50%的速度遞增，截至2011年年底，全球累積光伏裝機已達到70GW。中國2008年當年光伏組件安裝達到40MW，之后呈現爆炸性增長，每年以3～5倍的速率遞增，截至2011年年底全國累積光伏裝機容量33GW，自2012年開始的“十二五”規劃中設定光伏安裝量在“十二五”結束時至少達到21GW。
盡管太陽能光伏發電已普通被民眾廣泛接受，光伏組件的規模化利用趨勢也優于其他可再生能源，但與傳統化石能源和水力發電相比（三峽水電站總裝機容量為225GW），光伏發電的比例仍然很小，并且對晶體硅材料過度依賴，成本尚未建立優勢，因此開發更清潔、更廉價、更高效的光伏電池技術仍然是一個緊迫的任務。世界多國政府一直把光伏技術研發列為國家能源戰略和科技發展規劃中的重要組成部分，大量的人力物力投入促使光伏技術在過去的二十年里取得了飛速進步。目前各類光伏電池不下二十種，最高實驗室效率超過40%，所用關鍵半導體材料涵蓋無機、有機和高分子及納米材料，制備工藝五花八門，電池形態也多種多樣。其中晶體硅電池、非晶硅電池、碲化鎘電池、銅銦鎵硒電池均已實現大規模商業化生產，光伏行業直接從業人員近百萬。
為了滿足各類對光伏技術感興趣的人士的需求，本書對多種光伏電池做了全面且有重點的介紹。首先本書歸納了光伏效應的基本原理和物理規律，讓讀者從理性上理解光電流、光電壓產生的通用科學機制；隨后通過講述每一種電池的具體材料特性與制造工藝，使讀者對主流光伏技術的應用現狀和發展前景有初步的了解；最后分析了光伏組件在實際系統應用中需要注意的問題，以便光伏研發人員在產品開發過程中更好地與實踐相結合。筆者希望通過此書的出版，進一步普及太陽能光伏技術及其應用方面的知識，促進相關產業的發展。
本書第1至第3章由楊冠東負責編寫，第4章、第5章、第10章由劉富德編寫，其余章節由王東、蘇志倩負責編寫。本書在出版過程中得到北京大學李亞在文獻調研方面的大力幫助，在此表示衷心的感謝。
編著者
2013年11月
盡管太陽能光伏發電已普通被民眾廣泛接受，光伏組件的規模化利用趨勢也優于其他可再生能源，但與傳統化石能源和水力發電相比（三峽水電站總裝機容量為225GW），光伏發電的比例仍然很小，并且對晶體硅材料過度依賴，成本尚未建立優勢，因此開發更清潔、更廉價、更高效的光伏電池技術仍然是一個緊迫的任務。世界多國政府一直把光伏技術研發列為國家能源戰略和科技發展規劃中的重要組成部分，大量的人力物力投入促使光伏技術在過去的二十年里取得了飛速進步。目前各類光伏電池不下二十種，最高實驗室效率超過40%，所用關鍵半導體材料涵蓋無機、有機和高分子及納米材料，制備工藝五花八門，電池形態也多種多樣。其中晶體硅電池、非晶硅電池、碲化鎘電池、銅銦鎵硒電池均已實現大規模商業化生產，光伏行業直接從業人員近百萬。
為了滿足各類對光伏技術感興趣的人士的需求，本書對多種光伏電池做了全面且有重點的介紹。首先本書歸納了光伏效應的基本原理和物理規律，讓讀者從理性上理解光電流、光電壓產生的通用科學機制；隨后通過講述每一種電池的具體材料特性與制造工藝，使讀者對主流光伏技術的應用現狀和發展前景有初步的了解；最后分析了光伏組件在實際系統應用中需要注意的問題，以便光伏研發人員在產品開發過程中更好地與實踐相結合。筆者希望通過此書的出版，進一步普及太陽能光伏技術及其應用方面的知識，促進相關產業的發展。
本書第1至第3章由楊冠東負責編寫，第4章、第5章、第10章由劉富德編寫，其余章節由王東、蘇志倩負責編寫。本書在出版過程中得到北京大學李亞在文獻調研方面的大力幫助，在此表示衷心的感謝。
編著者
2013年11月
目次
1半導體材料1
1.1絕緣體，半導體，導體1
1.2半導體材料的晶體性質2
1.2.1半導體材料的晶格結構3
1.2.2常見太陽能電池材料的晶格結構5
1.3半導體能帶6
1.3.1原子能級6
1.3.2能帶的形成8
1.3.3波粒二象性10
1.3.4薛定諤方程11
1.3.5半導體中電子的能量與動量之間的關系13
1.3.6直接帶隙和間接帶隙半導體15
1.4半導體材料的摻雜16
1.4.1本征半導體16
1.4.2摻雜半導體17
1.4.3雜質能級的計算19
1.5載流子分布21
1.5.1費米分布21
1.5.2玻耳茲曼分布24
1.6載流子濃度25
1.7載流子的產生與復合30
1.7.1載流子的產生30
1.7.2載流子的復合34
1.8載流子輸運39
1.8.1載流子連續性方程39
1.8.2載流子的擴散和漂移40
參考文獻41
2半導體接觸43
2.1半導體pn結43
2.1.1pn結的形成43
2.1.2pn結中的空間電荷區43
2.1.3pn結的能帶44
2.1.4pn結的電流電壓特性48
2.1.5pn結擊穿55
2.2半導體異質結58
2.2.1異型異質結59
2.2.2同型異質結60
2.3金屬半導體接觸61
2.3.1金屬半導體接觸勢壘61
2.3.2半導體表面態63
2.3.3金屬半導體接觸的電流輸運理論64
2.3.4整流接觸與歐姆接觸66
2.4其他半導體接觸68
2.4.1n+p+隧穿結68
2.4.2有機半導體材料異質結68
2.5太陽能電池的分類69
參考文獻71
3太陽能電池基本原理72
3.1太陽光譜與太陽輻射73
3.2光照下的pn結76
3.2.1光照下pn結的電流電壓特性78
3.2.2光照下pn結的量子效率譜81
3.2.3pn結各參數對量子效率的影響82
3.3表征太陽能電池的主要參數86
3.4太陽能電池的效率極限89
3.4.1太陽能電池極限效率的計算89
3.4.2太陽能光譜對太陽能電池極限效率的影響90
3.4.3半導體帶隙與太陽能電池極限效率91
3.5太陽能電池的其他結構92
3.5.1異質結太陽能電池92
3.5.2p.i.n結太陽能電池93
3.6太陽能電池組件和系統94
3.7太陽能電池原理小結95
參考文獻97
4晶體硅太陽能電池98
4.1晶體硅太陽能電池的基本結構98
4.2晶體硅材料的性質100
4.3晶體硅太陽能電池設計101
4.3.1太陽能電池中半導體材料的摻雜101
4.3.2太陽能電池中基區與發射區的厚度104
4.3.3太陽能電池表面108
4.3.4電極109
4.3.5光吸收114
4.4晶體硅太陽能電池的制造118
4.4.1晶體硅的制備118
4.4.2結的形成122
4.4.3前表面鈍化與減反射層沉積124
4.4.4表面接觸的制作124
4.5多晶硅太陽能電池127
4.6其他結構晶體硅太陽能電池130
4.6.1背面點接觸太陽能電池130
4.6.2HIT太陽能電池131
參考文獻132
5硅薄膜太陽能電池134
5.1引言134
5.2材料的性質和制備137
5.2.1非晶硅薄膜材料的性質與制備137
5.2.2微晶硅薄膜材料的性質和制備140
5.2.3多晶硅薄膜材料的性質和制備143
5.3器件設計152
5.3.1非晶硅及微晶硅太陽能電池結構152
5.3.2多晶硅薄膜太陽能電池結構設計158
參考文獻161
6碲化鎘光伏電池163
6.1碲化鎘電池介紹163
6.2碲化鎘電池發展歷史164
6.3碲化鎘的物理化學性質166
6.4碲化鎘薄膜沉積172
6.4.1Cd和Te2蒸氣在表面的冷凝/反應173
6.4.2Cd和Te離子在表面的電化反應175
6.4.3前驅物表面反應175
6.5碲化鎘薄膜電池結構176
6.5.1窗口層176
6.5.2CdTe 吸收層和CdCl2處理177
6.5.3CdS/CdTe 互擴散181
6.5.4背接觸184
6.5.5碲化鎘電池的表征與分析186
6.6碲化鎘組件191
6.7碲化鎘薄膜電池展望193
參考文獻196
7銅銦鎵硒光伏電池202
7.1銅銦鎵硒光伏電池基本情況介紹202
7.2銅銦鎵硒的材料性質205
7.2.1結構與成分206
7.2.2光學性質和電子結構208
7.2.3電學性質209
7.2.4表面和晶界211
7.2.5襯底效果213
7.3銅銦鎵硒的沉積方法213
7.3.1襯底和鈉加入214
7.3.2背接觸215
7.3.3共蒸發Cu(InGa)Se2215
7.3.4預制層反應工藝218
7.3.5其他沉積方法220
7.4銅銦鎵硒電池器件制備220
7.4.1化學水浴沉積(CBD)220
7.4.2界面效應222
7.4.3其他沉積方法223
7.4.4其他緩沖層223
7.4.5透明導電層225
7.4.6高阻窗口層226
7.4.7器件完成227
7.5銅銦鎵硒電池的性能評價227
7.5.1光生電流228
7.5.2復合230
7.5.3Cu(InGa)Se2/CdS界面234
7.5.4寬帶隙和漸變帶隙器件235
7.6銅銦鎵硒電池的量產問題238
7.6.1工藝和設備238
7.6.2組件制造240
7.6.3組件行為和穩定性241
7.6.4生產成本243
7.6.5環境問題244
7.7銅銦鎵硒電池技術展望245
參考文獻246
8有機光伏電池256
8.1有機和高分子光伏效應的原理256
8.1.1有機材料的光電響應過程256
8.1.2有機/高分子材料的光伏過程259
8.2有機和高分子光伏電池的演化和類型263
8.2.1有機單層光伏電池(肖特基電池)263
8.2.2雙層施主/受主異有機質結光伏電池(唐氏電池)264
8.2.3體異質結有機光伏電池266
8.2.4N型納米顆粒/納米棒與p型高分子復合型光伏電池268
8.2.5雙連續有序納米結構有機光伏電池(BONS)269
8.2.6串聯結構的有機光伏電池269
8.2.7“理想”高效有機光伏電池272
8.3有機和高分子光伏電池的制備和表征272
8.3.1有機和高分子光伏電池的制備和穩定性272
8.3.2OPV產業的現狀和挑戰274
8.3.3小結和展望275
參考文獻275
9染料敏化太陽能電池278
9.1染料敏化太陽能電池基本原理278
9.1.1染料敏化太陽能電池背景介紹278
9.1.2染料敏化太陽能電池工作機理279
9.2染料敏化太陽能電池的結構與材料282
9.2.1TCO 電極282
9.2.2金屬氧化物半導體283
9.2.3染料(光敏劑)286
9.2.4氧化還原電解質290
9.2.5對電極292
9.2.6封裝材料292
9.3染料敏化太陽能電池的發展與應用292
9.3.1染料敏化太陽能電池的穩定性293
9.3.2染料敏化太陽能電池的商業使用294
9.3.3染料敏化太陽能電池組件的工業生產295
9.3.4纖維狀染料敏化太陽能電池295
參考文獻297
10高效新概念太陽能電池301
10.1太陽能電池效率分析301
10.2疊層太陽能電池303
10.3中間帶太陽能電池307
10.4上轉換器和下轉換器311
10.5熱載流子太陽能電池312
10.5.1熱載流子能量分析312
10.5.2熱載流子太陽能電池結構317
10.6碰撞電離太陽能電池318
10.7熱光伏太陽能電池和熱光子轉換器321
參考文獻322
11光伏組件在發電系統中的應用323
11.1光伏組件自身成本及其對BOS的影響324
11.2光伏組件對系統發電量的影響326
11.2.1光伏組件結構對系統發電量的影響326
11.2.2系統中光伏組件的一致性對系統發電量的影響328
11.2.3光伏組件類型對系統發電量的影響329
11.3光伏組件的安全性333
11.4光伏組件能量回收期334
11.5光伏組件的回收334
11.6光伏發電系統的經濟性335
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