《太阳电池:从理论基础到技术应用》在介绍太阳能和太阳电池基本原理的基础上,系统地介绍了太阳与太阳能、太阳电池基本原理、晶体硅太阳电池的制备、薄膜太阳电池、太阳电池的基本测试、太阳电池的模拟技术、新型太阳电池及技术、光伏发电系统的设计及应用等内容,力图向读者提供太阳能光伏技术与应用领域较全面的知识。
《太阳电池:从理论基础到技术应用》可作为高等院校的半导体材料与器件、光伏科学与工程领域的高年级本科生、研究生的教材或参考用书,也可作为从事太阳能光伏及相关技术领域的科研人员与工程技术人员的指导手册。
太阳能具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性,是一种具有独特优势和巨大开发利用潜力的能源。太阳电池是从太阳获得能源的主要途径之一,利用太阳电池发电对解决人类能源危机和环境问题具有重要的意义。在过去的10年里,全球太阳能光伏电池年产量增长约6倍,年均增长50%以上。2013年以来,中国的光伏发电应用进入了快速发展时期,截至2016年底,中国光伏发电新增装机容量3454万千瓦,累计装机容量7742万千瓦,新增和累计装机容量均为全球第一。2020年,光伏发电装机容量则将可能突破1亿千瓦,2030年突破4亿千瓦,这将标志着我国走向光伏技术规模化应用时代。
为适应光伏产业的快速发展,不少高校已开设可再生能源学院或光伏科学与工程专业来加紧培养专业人才,但光伏技术涉及的知识领域非常宽泛,与半导体物理、光学、电子学、化学、材料科学等密切相关,而且太阳电池种类繁多,大部分的专业书籍过于艰深和繁复,不适合刚接触太阳电池领域的初学者。本书从太阳电池的基本原理出发,围绕几种典型太阳电池的性能、制备、测试、仿真及光伏系统设计、应用进行详细阐述,以期帮助读者快速掌握太阳电池的基础理论和技术应用。
全书共分8章,由武汉理工大学的陈凤翔博士、汪礼胜博士和上海大学的赵占霞博士共同编著。其中第1章由赵占霞撰写,主要介绍了太阳的运动规律及我国太阳能的资源分布。第2章由陈凤翔撰写,主要内容为太阳电池的物理基础,包括半导体物理基础知识、太阳电池等效电路及各参数对电池性能的影响、太阳电池的极限效率等,该章为后续章节提供了必要的物理理论基础。第3章由赵占霞撰写,主要介绍了晶体硅太阳电池的生长、制备,以及高效晶体硅太阳电池的发展方向。第4章由汪礼胜撰写,主要叙述了非晶硅薄膜电池、微晶、纳米硅太阳电池以及碲化镉、铜铟镓硒化合物薄膜太阳电池。第5章由陈凤翔撰写,系统地介绍了从半导体材料到成品太阳能电池生产过程中的测试工艺、原理和相关的设备。第6章由陈凤翔撰写,重点介绍了在太阳电池的模拟中常用的几款软件,包括PCID、Afors-Het、AMPS、SCAPS等,并结合实际应用,给出了有意义的示例。第7章由汪礼胜撰写,介绍了近年来的新型太阳电池和新技术,包括染料敏化太阳电池、钙钛矿太阳电池和在各类太阳电池中得到广泛应用的表面等离激元技术。第8章由汪礼胜和赵占霞共同完成,其中汪礼胜撰写第8.1节,主要介绍了太阳能光伏发电系统的组成;赵占霞撰写第8.2~8.4节,介绍了太阳能光伏发电系统设计的一般原则及应用,并对不同地区讨论了光伏发电系统的收益。
我们特别感谢上海交通大学徐林博士,中国科学院上海微系统与信息技术研究所孟凡英研究员,太阳能光伏行业资深技术总监吴浩工程师,南昌大学袁吉仁博士,上海敏皓电力投资有限公司总经理洪紫州先生、副总经理罗培青博士,以及上海交通大学光伏校友会的各位校友在本书撰写过程中提供的各种支持与鼓励。我们也感谢华中科技大学光学与电子信息学院曾祥斌教授、南昌大学光伏研究院周浪院长在本书撰写过程中提出的有益建议。此外,本书的出版工作得到了湖北省学术著作出版专项基金的资助,特此感谢。
本书可作为太阳电池领域工作者和相关专业学生的参考用书,也可作为从事太阳能光伏行业系统研究、设计和管理等工作的专业技术人员的指导手册。
由于写作时间有限,以及作者的研究经历和知识面的限制,本书难免存在疏漏和不足,敬请读者批评指正。
1 太阳与太阳能
1.1 太阳的基本参数
1.1.1 阳光的来源
1.1.2 太阳的结构
1.1.3 太阳光谱
1.1.4 太阳常数
1.2 太阳辐射
1.2.1 日地相对运动
1.2.2 太阳辐射光谱
1.2.3 地表辐照
1.3 我国的太阳能资源
参考文献
2 太阳电池基本原理
2.1 半导体物理基础
2.1.1 p型和n型半导体
2.1.2 p—n结电流电压特性
2.1.3 半导体材料的光学特性
2.1.4 光电流和光电压
2.2 太阳电池的等效电路
2.2.1 太阳电池的等效电路模型
2.2.2 参数对电池性能的影响
2.3 Shockley—Queisser极限
2.3.1 极限效率u(Xg)
2.3.2 太阳电池的电流一电压关系
2.3.3 额定效率nn
2.3.4 细致平衡极限
参考文献
3 晶体硅太阳电池的制备
3.1 太阳能级硅材料及晶体硅太阳电池
3.1.1 太阳能级硅材料的制备
3.1.2 晶体硅太阳电池
3.2 硅片的表面处理
3.2.1 表面腐蚀
3.2.2 表面制绒
3.3 p—n结的制备
3.4 减反射膜
3.4.1 减反射膜的基本原理
3.4.2 宽角度减反射膜的设计
3.4.3 宽角度减反射膜的优化
3.5 电极制备
3.6 高效晶体硅太阳电池
3.6.1 SIS太阳电池
3.6.2 PERL电池
3.6.3 IBC电池
3.6.4 HIT异质结太阳电池
参考文献
4 薄膜太阳电池
4.1 非晶硅太阳电池
4.1.1 非晶硅的光学特性
4.1.2 非晶硅的电学特性
4.1.3 光致衰减效应
4.1.4 非晶硅薄膜的红外吸收和拉曼散射
4.1.5 非晶硅的制备
4.1.6 非晶硅薄膜太阳电池
4.2 微晶硅及纳米硅薄膜太阳电池
4.2.1 微晶硅生长模型
4.2.2 微晶硅的光学特性
4.2.3 微晶硅薄膜的结构分析
4.2.4 非晶硅/微晶硅叠层太阳电池
4.3 化合物薄膜太阳电池
4.3.1 碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池
4.3.2 铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池
参考文献
5 太阳电池的基本测试
5.1 半导体晶向测试
5.1.1 X射线衍射法测半导体单晶晶向
5.1.2 光点定向
5.2 电阻率及薄层电阻测试
5.2.1 电阻率测试
5.2.2 薄层电阻测试
5.3 太阳电池的少数载流子寿命测试
5.3.1 光电导衰减法
5.3.2 表面光电压衰减法
5.3.3 微波反射光电导衰减法(MWPCD)
5.3.4 准稳态光电导衰减(QSSPC)
5.4 太阳电池的I-V性能测试
5.4.1 标准测试条件与太阳能模拟器等级
5.4.2 太阳电池的I-V测试原理
5.4.3 太阳能模拟器特性对测试结果的影响
5.5 太阳电池中的缺陷检测
5.5.1 发光检测技术
5.5.2 EBIC技术
5.6 太阳电池的量子效率和光谱响应
5.6.1 量子效率
5.6.2 光谱响应
参考文献
6 太阳电池的模拟技术
6.1 半导体器件物理的基本方程
6.1.1 光学模拟
6.1.2 电学模拟
6.2 模拟软件介绍
6.2.1 PCID软件简介
6.2.2 Afors—Het软件简介
6.2.3 AMPS软件简介
6.2.4 SCAPS软件简介
6.3 非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的Afors—Het模拟
6.3.1 本征层对电池性能的影响
6.3.2 界面态对电池性能的影响
6.3.3 发射区厚度对电池性能的影响
6.3.4 背场对电池性能的影响
6.4 GaAs中杂质光伏效应的SCAPS软件模拟
参考文献
7 新型太阳电池及技术
7.1 染料敏化太阳电池
7.1.1 引言
7.1.2 染料敏化太阳电池的基本结构及工作原理
7.1.3 染料敏化太阳电池半导体光阳极材料
7.1.4 染料敏化太阳电池染料光敏化剂
7.1.5 染料敏化太阳电池电解质
7.1.6 染料敏化太阳电池对电极材料
7.2 钙钛矿太阳电池
7.2.1 引言
7.2.2 有机金属卤化物钙钛矿的物理结构与特性
7.2.3 钙钛矿太阳电池的基本结构及工作原理
7.2.4 钙钛矿太阳电池中电荷传输材料
7.2.5 电极材料
7.2.6 有机金属卤化物钙钛矿的合成
7.2.7 钙钛矿太阳电池面临的问题与展望
7.3 表面等离子体激元增强太阳电池光吸收
7.3.1 引言
7.3.2 表面等离子体激元增强光吸收原理
7.3.3 表面等离子体激元增强太阳电池光吸收研究进展
参考文献
8 光伏发电系统的设计及应用
8.1 光伏发电系统的组成
8.1.1 太阳电池组件
8.1.2 太阳电池支架
8.1.3 蓄电池组
8.1.4 太阳能充放电控制器
8.1.5 逆变器
8.2 光伏发电系统的设计方法
8.3 光伏发电系统的应用
8.3.1 太阳电池组件设计
8.3.2 光伏控制器设计
8.3.3 蓄电池组设计
8.3.4 逆变器的选择
8.4 光伏发电系统效益分析
参考文献