本书从器件物理的角度出发,系统介绍各类现代光伏器件的基本结构、工作原理与光伏性能.全书共14章,即绪论、太阳光的能量分布与太阳能的光伏转换、半导体中的光学现象、半导体中的载流子输运、单带隙pn结太阳电池、多结叠层太阳电池、Si基薄膜太阳电池、Cu(In、Ga)Se2薄膜太阳电池、染料敏化太阳电池、聚合物太阳电池、量子阱太阳电池、量子点中间带太阳电池、量子点多激子太阳电池以及其他类型的太阳电池.
样章试读
目录
- 第1章 绪论 ……………………………………………………………………………1
1.1 无机固态 pn结太阳电池 …………………………………………………1
1.1.1 晶体 Si太阳电池 ………………………………………………………2
1.1.2 单晶 GaAs太阳电池 …………………………………………………3
1.2 有机光电化学太阳电池 ……………………………………………………3
1.2.1 染料敏化太阳电池 ……………………………………………………4
1.2.2 聚合物太阳电池 ………………………………………………………5
1.3 低成本薄膜太阳电池 ………………………………………………………5
1.3.1 S i基薄膜太阳电池 ……………………………………………………6
1.3.u(n？a)e…………………………………………7
2 C IGS2薄膜太阳电池
1.3.3 CdT e薄膜太阳电池 …………………………………………………7
1.4 高效率新概念太阳电池 ……………………………………………………8
1.4.1 量子点中间带太阳电池 ………………………………………………8
1.4.2 量子点多激子太阳电池 ………………………………………………9
参考文献 ……………………………………………………………………………9
第2章 太阳光的能量分布与太阳能的光伏转换 …………………………………12
2.1 太阳光的能量分布 …………………………………………………………12
2.1.1 太阳光的吸收峰 ………………………………………………………12
2.1.2 太阳光的辐射强度 ……………………………………………………13
2.1.3 太阳光谱的能量分布 …………………………………………………14
2.1.4 太阳电池的光谱响应 …………………………………………………15
2.2 太阳能的光伏转换与细致平衡原理 ………………………………………16
2.2.1 太阳能的光伏转换 ……………………………………………………16
2.2.2 细致平衡原理 …………………………………………………………17
参考文献 …………………………………………………………………………19
第3章 半导体中的光学现象 ………………………………………………………20
3.1 半导体中的光吸收 …………………………………………………………20
3.1.1 本征吸收 ………………………………………………………………20
3.1.2 直接带隙半导体的光吸收 ……………………………………………21
3.1.3 间接带隙半导体的光吸收 ……………………………………………22
3.1.4 几种主要半导体材料的光吸收 ………………………………………23
3.1.5 叠层太阳电池中的自由载流子吸收 …………………………………25
3.2 半导体表面的光反射 ………………………………………………………26
3.2.1 绒面结构 ………………………………………………………………26
3.2.2 减反射覆盖层 …………………………………………………………27
3.2.3 透明导电层 ……………………………………………………………28
3.2.4 光子晶体 ………………………………………………………………29
3.3 表面等离子增强光俘获 ……………………………………………………30
3.3.1 表面等离子光俘获方式 ………………………………………………30
3.3.2 纳米微粒的等离子光散射 ……………………………………………30
3.3.3 纳米微粒的等离子光聚焦 ……………………………………………31
3.3.4 表面等离子激元的光俘获 ……………………………………………32
参考文献 …………………………………………………………………………33
第4章 半导体中的载流子输运 ……………………………………………………34
4.1 光照下的载流子产生 ………………………………………………………34
4.2 外场作用下的载流子输运 …………………………………………………35
4.2.1 外加电场下的载流子漂移 ……………………………………………35
4.2.2 载流子迁移率 …………………………………………………………36
4.2.3 浓度梯度下的载流子扩散 ……………………………………………38
4.2.4 载流子连续性方程 ……………………………………………………38
4.3 非平衡载流子的复合 ………………………………………………………40
4.3.1 辐射复合 ………………………………………………………………40
4.3.2 SRH复合 ……………………………………………………………41
4.3.3 俄歇复合 ………………………………………………………………42
4.3.4 表面复合 ………………………………………………………………42
4.3.5 载流子寿命 ……………………………………………………………43
4.4 光生载流子的收集 …………………………………………………………44
参考文献 …………………………………………………………………………45
第5章 单带隙 pn结太阳电池 ……………………………………………………46
5.1 pn结太阳电池的光生伏特效应 …………………………………………46
5.2 太阳电池的光伏参数 ………………………………………………………47
5.2.1 短路电流 ………………………………………………………………47
5.2.2 开路电压 ………………………………………………………………48
5.2.3 填充因子 ………………………………………………………………49
5.2.4 转换效率 ………………………………………………………………49
5.3 太阳电池的转换效率 ………………………………………………………50
5.3.1 理想转换效率 …………………………………………………………50
5.3.2 SGQ极限转换效率 ……………………………………………………53
5.3.3 实际转换效率 …………………………………………………………54
5.4 太阳电池的能量损失 ………………………………………………………54
5.4.1 电池表面光吸收与光反射的损失 ……………………………………55
5.4.2 体内与表面载流子复合的损失 ………………………………………56
5.4.3 寄生与串联电阻的损失 ………………………………………………58
5.4.4 减少太阳电池能量损失的优化措施 …………………………………59
5.5 具有本征层的 pGiGn结构太阳电池 ………………………………………59
5.5.1 pGiGn结构的光伏优势 ………………………………………………59
5.5.2 内建电场的作用 ………………………………………………………60
5.5.3 内建电场的形成 ………………………………………………………61
5.5.4 pGiGn结构太阳电池的外量子效率 …………………………………62
5.5.5 pGiGn结构太阳电池的 JGV特性 ……………………………………62
5.6 背接触太阳电池 ……………………………………………………………63
5.6.1 器件结构类型 …………………………………………………………64
5.6.2 电流输运模型 …………………………………………………………65
参考文献 …………………………………………………………………………65
第6章 多结叠层太阳电池 …………………………………………………………67
6.1 多结太阳电池的光谱吸收 …………………………………………………67
6.2 多结太阳电池的转换效率 …………………………………………………68
6.3 多结太阳电池的 JGV特性 ………………………………………………69
6.3.1 短路电流密度 …………………………………………………………69
6.3.2 JGV特性 ………………………………………………………………69
6.4 多结太阳电池的隧穿结特性 ………………………………………………70
6.4.1 太阳电池对隧穿结的要求 ……………………………………………71
6.4.2 隧穿结的优化设计 ……………………………………………………72
6.5 温度对多结太阳电池性能的影响 …………………………………………74
6.6 影响多结太阳电池光伏性能的各种因素 …………………………………76
6.6.1 带隙能量 ………………………………………………………………76
6.6.2 晶格常数 ………………………………………………………………77
6.6.3 子电池厚度 ……………………………………………………………78
6.6.4 中间反射层 ……………………………………………………………79
6.6.5 光照射强度 ……………………………………………………………79
6.7 单片ⅢGⅤ族叠层太阳电池 ………………………………………………80
6.7.1 G aInP/GaAs/Ge三结太阳电池 ……………………………………80
6.7.2 G aInP/GaInAs/Ge三结太阳电池 …………………………………80
6.7.3 G aInP/GaAs/GaInNAs三结太阳电池 ……………………………81
6.7.4 三结以上的叠层太阳电池 ……………………………………………81
参考文献 …………………………………………………………………………83
第7章 Si基薄膜太阳电池 …………………………………………………………84
7.1 S i基薄膜的结构性质 ……………………………………………………84
7.1.1 αGS i∶H薄膜的无序化特征 …………………………………………84
7.1.2 mcGS i∶H薄膜的微晶化特征 ………………………………………85
7.1.3 n cGS i∶H薄膜的小晶粒特征 ………………………………………86
7.1.4 pcGS i薄膜的大晶粒特征 ……………………………………………86
7.2 S i基薄膜的电学性质 ……………………………………………………87
7.2.1 αGS i∶H薄膜的载流子导电机理 ……………………………………87
7.2.2 mcGS i∶H薄膜的电导特性 …………………………………………88
7.2.3 n cGS i∶H薄膜的载流子隧穿机制 …………………………………89
7.2.4 pcGS i薄膜的载流子迁移理论 ………………………………………89
7.3 S i基薄膜的光吸收特性 …………………………………………………90
7.3.1 αGS i∶H薄膜的光吸收谱 ……………………………………………90
7.3.2 αGS i∶H薄膜的光致衰退效应 ………………………………………91
7.3.3 mcGS i∶H薄膜的光谱响应 …………………………………………91
7.3.4 αGS i1-xGex∶H薄膜的光吸收系数 …………………………………92
7.3.5 n cGS i∶H薄膜的增强光吸收 ………………………………………93
7.3.6 pcGS i薄膜的光吸收特性 ……………………………………………94
7.4 pGiGn结构 Si基薄膜太阳电池 ……………………………………………94
7.4.1 器件结构 ………………………………………………………………94
7.4.2 工作原理 ………………………………………………………………95
7.4.3 光谱响应 ………………………………………………………………96
7.4.4 光照稳定性 ……………………………………………………………96
7.4.5 电场崩溃效应 …………………………………………………………98
7.4.6 本征吸收层厚度 ………………………………………………………98
7.4.7 nGiGp结构 Si基薄膜太阳电池 ………………………………………99
7.5 pGiGn结构 αGS i∶H薄膜太阳电池的 JGV特性 …………………………99
7.6 S i基薄膜叠层太阳电池 …………………………………………………100
7.7 pcGS i薄膜太阳电池 ………………………………………………………101
参考文献 …………………………………………………………………………103
第8章 Cu(n？a)薄膜太阳电池IGSe2………………………………………………104
8.1 CIGS薄膜材料的物理性质 ……………………………………………104
8.1.1 结构性质 ……………………………………………………………104
8.1.2 禁带宽度 ……………………………………………………………106
8.1.3 导电特性 ……………………………………………………………106
8.1.4 光吸收谱 ……………………………………………………………107
8.2 CIGS薄膜太阳电池的器件结构 ………………………………………107
8.2.1 衬底材料与 Mo背接触层 …………………………………………108
8.2.2 CdS缓冲层与 ZnO窗口层 …………………………………………108
8.2.3 NiGAl顶电极与 MgF2减反射层 ……………………………………109
8.3 CIGS薄膜太阳电池的光伏性能 ………………………………………109
8.3.1 能带特性 ……………………………………………………………109
8.3.2 短路电流 ……………………………………………………………111
8.3.3 开路电压 ……………………………………………………………111
8.3.4 填充因子 ……………………………………………………………112
8.3.5 量子效率 ……………………………………………………………113
8.3.6 抗辐照能力 …………………………………………………………114
8.3.7 温度特性 ……………………………………………………………114
8.4 CdT e薄膜太阳电池 ……………………………………………………115
8.4.1 CdT e材料的物理与化学性质 ……………………………………115
8.4.2 CdT e材料的光吸收系数 …………………………………………116
8.4.3 CdT e薄膜太阳电池的器件结构 …………………………………117
8.4.4 CdT e薄膜太阳电池的光伏性能 …………………………………118
参考文献 …………………………………………………………………………119
第9章 染料敏化太阳电池 …………………………………………………………120
9.1 染料敏化太阳电池的器件结构与工作原理 ……………………………120
9.1.1 器件结构 ……………………………………………………………120
9.1.2 工作原理 ……………………………………………………………120
9.2 染料敏化太阳电池的材料类型与光伏性质 ……………………………122
9.2.1 光阳极 ………………………………………………………………122
9.2.2 敏化剂 ………………………………………………………………123
9.2.3 电解质 ………………………………………………………………125
9.3 氧化还原体系的电化学性质 ……………………………………………126
9.4 染料敏化太阳电池中的载流子输运 ……………………………………128
9.4.1 载流子输运过程 ……………………………………………………128
9.4.2 载流子输运动力学 …………………………………………………129
9.5 染料敏化太阳电池的光伏性能 …………………………………………132
9.5.1 量子效率 ……………………………………………………………132
9.5.2 开路电压与短路电流 ………………………………………………133
9.5.3 载流子收集效率 ……………………………………………………134
9.6 蓄电型染料敏化太阳电池 ………………………………………………135
9.6.1 器件结构与工作原理 ………………………………………………135
9.6.2 WO3与 PPy蓄电性质的比较 ………………………………………136
参考文献 …………………………………………………………………………136
第10章 聚合物太阳电池 …………………………………………………………138
10.1 聚合物太阳电池中的光伏过程 …………………………………………138
10.2 单层聚合物太阳电池 ……………………………………………………139
10.3 pGiGn型聚合物太阳电池 ………………………………………………140
10.4 共混聚合物太阳电池 ……………………………………………………142
10.4.1 器件结构与工作原理 ………………………………………………142
10.4.2 光伏性能与改善措施 ………………………………………………143
10.5 叠层聚合物太阳电池 ……………………………………………………143
10.6 给体与受体光伏材料 ……………………………………………………145
10.6.1 给体光伏材料 ………………………………………………………145
10.6.2 受体光伏材料 ………………………………………………………146
参考文献 …………………………………………………………………………146
第11章 量子阱太阳电池 …………………………………………………………147
11.1 量子阱中的电子状态 ……………………………………………………147
11.1.1 量子阱中的二维电子能量 …………………………………………147
11.1.2 量子阱中二维电子的有效状态密度 ………………………………148
11.1.3 量子阱中二维电子的浓度分布 ……………………………………149
11.2 量子阱的光吸收特性 ……………………………………………………149
11.2.1 多量子阱的反射率 …………………………………………………149
11.2.2 多量子阱的光吸收系数 ……………………………………………150
11.3 量子阱中的载流子逃逸现象 ……………………………………………151
11.3.1 载流子产生速率方程 ………………………………………………152
11.3.2 载流子输运时间 ……………………………………………………152
11.3.3 载流子逃逸时间 ……………………………………………………153
11.4 量子阱太阳电池的 JGV特性 …………………………………………154
11.5 Al xGa1-xAs/GaAs量子阱太阳电池 …………………………………155
11.5.1 JGV特性 ……………………………………………………………155
11.5.2 转换效率 ……………………………………………………………156
11.5.3 量子效率 ……………………………………………………………157
11.6 I nGaAs/GaAsP量子阱太阳电池 ……………………………………158
参考文献 …………………………………………………………………………159
第12章 量子点中间带太阳电池 …………………………………………………160
12.1 中间带材料中的电子转移过程 …………………………………………160
12.2 中间带太阳电池的工作原理 ……………………………………………162
12.2.1 能量上转换原理 ……………………………………………………162
12.2.2 细致平衡原理 ………………………………………………………162
12.3 量子点中间带的物理性质 ………………………………………………164
12.3.1 量子点中间带的结构特点 …………………………………………164
12.3.2 量子点阵列的光吸收特性 …………………………………………165
12.3.3 量子点阵列中的载流子复合 ………………………………………166
12.4 量子点中间带太阳电池的理论转换效率 ………………………………167
12.5 量子点中间带太阳电池电流输运的理论分析 …………………………168
12.5.1 等效电路模型 ………………………………………………………168
12.5.2 太阳电池结构形式 …………………………………………………169
12.5.3 电流输运分析 ………………………………………………………169
12.6 影响量子点中间带太阳电池光伏性能的因素 …………………………171
12.6.1 量子点层位置 ………………………………………………………171
12.6.2 量子点的掺杂 ………………………………………………………172
12.6.3 量子点的层数 ………………………………………………………173
参考文献 …………………………………………………………………………174
第13章 量子点多激子太阳电池 …………………………………………………176
13.1 多激子产生的能量作用过程与时间分辨光谱测定 ……………………176
13.1.1 能量作用过程 ………………………………………………………176
13.1.2 时间分辨光谱测定 …………………………………………………177
13.2 多激子产生的微观统计理论 ……………………………………………177
13.3 影响多激子产生的各种物理因素 ………………………………………178
13.3.1 能量阈值 ……………………………………………………………178
13.3.2 载流子有效质量 ……………………………………………………179
13.3.3 量子点尺寸 …………………………………………………………180
13.4 量子点多激子太阳电池的理论转换效率 ………………………………181
13.4.1 量子产额 ……………………………………………………………181
13.4.2 转换效率 ……………………………………………………………182
13.5 PbS e量子点中的多激子产生 …………………………………………182
13.5.1 PbS e量子点中的碰撞电离 ………………………………………182
13.5.2 载流子倍增的量子产额 ……………………………………………183
13.6 S i量子点中的多激子产生 ……………………………………………184
13.6.1 多激子产生的量子产额 ……………………………………………184
13.6.2 多激子产生太阳电池的转换效率 …………………………………186
13.7 PbS e量子点多激子太阳电池的光伏特性 ……………………………186
参考文献 …………………………………………………………………………187
第14章 其他类型的太阳电池 ……………………………………………………189
14.1 肖特基势垒太阳电池 ……………………………………………………189
14.1.1 器件结构与工作原理 ………………………………………………189
14.1.2 光伏优势与 JGV特性 ……………………………………………190
14.2 聚光太阳电池 ……………………………………………………………191
14.2.1 聚光系数 ……………………………………………………………191
14.2.2 转换效率 ……………………………………………………………191
14.3 热光伏太阳电池 …………………………………………………………192
14.3.1 工作原理 ……………………………………………………………192
14.3.2 热光伏太阳电池的 JGV特性 ……………………………………193
14.4 热载流子太阳电池 ………………………………………………………194
14.4.1 热载流子太阳电池的工作原理 ……………………………………194
14.4.2 热载流子的变冷收集过程 …………………………………………194
14.4.3 热载流子太阳电池的结构组态 ……………………………………195
14.4.4 热载流子的等熵输出 ………………………………………………195
14.4.5 转换效率的理论计算 ………………………………………………196
参考文献 …………………………………………………………………………197
主要物理符号表 ………………………………………………………………………198
索引 ……………………………………………………………………………………200
京公网安备 11010102004214号