《太陽電池原理與設(shè)計(jì)》一書包括原理和設(shè)計(jì)兩部分：第一部分（1～3章）介紹了光電轉(zhuǎn)換的微觀機(jī)制和基本原理，覆蓋太陽輻射、半導(dǎo)體的光吸收、載流子的產(chǎn)生與復(fù)合、非平衡載流子的擴(kuò)散與漂移、常見太陽電池的結(jié)構(gòu)及器件特性描述等；第二部分（4～9章）以晶體硅、砷化鎵、非晶硅、碲化鎘、銅銦鎵硒以及鈣鈦礦等太陽電池為例，從材料的基本性質(zhì)出發(fā)，分析它們的器件結(jié)構(gòu)，并從減少光、電學(xué)損失的角度討論每種電池的設(shè)計(jì)和優(yōu)化原則。本書重在闡明太陽電池的能量損失機(jī)制，圍繞提高太陽電池效率的核心科學(xué)問題，分析不同類型太陽電池的器件特點(diǎn)及改進(jìn)思路，使讀者具備設(shè)計(jì)高效太陽電池的能力。
本書可作為高等院校新能源材料與器件、新能源科學(xué)與工程、儲(chǔ)能科學(xué)與工程及相關(guān)專業(yè)的教材或教學(xué)參考書，也可作為光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)人員的參考書。
武莉莉，四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，教授，于1998年、2001年、2006年分別獲得四川大學(xué)工學(xué)學(xué)士、理學(xué)碩士和工學(xué)博士。從2001年7月至今,在材料科學(xué)與工程學(xué)院任教，2011年破格獲得博士生導(dǎo)師資格，2014年聘為教授。現(xiàn)為材料科學(xué)與工程學(xué)院工會(huì)主席，中國可再生能源學(xué)會(huì)光電專業(yè)委員會(huì)委員，四川省學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人選。
已連續(xù)為本科生和研究生分別講授《太陽電池原理與設(shè)計(jì)》三學(xué)年。
科研方面：從事薄膜太陽電池材料與器件的研究21年，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人及核心成員參與了國家“十五”、“十一五”“十二五”863項(xiàng)目、973項(xiàng)目、四川省重點(diǎn)研發(fā)等項(xiàng)目近30項(xiàng)，經(jīng)費(fèi)累計(jì)超過9000萬元。2002~2018年多次創(chuàng)造了碲化鎘薄膜太陽電池的國內(nèi)較*高效率，并開發(fā)出碲化鎘薄膜太陽電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，建成了我國第#一條具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的薄膜太陽電池中試生產(chǎn)線；使用該成果與無錫尚德太陽能電力有限公司開展橫向合作，建成了2兆瓦碲化鎘太陽電池生產(chǎn)線。2015年以來開展了鈣鈦礦薄膜太陽電池的研究，開發(fā)了高效率組件制備技術(shù)，25cm2的組件效率達(dá)18.8%，為同尺寸組件的國際較*高紀(jì)錄。獲得中國高�？萍歼M(jìn)步二等獎(jiǎng)1次（2002年），完成教育部鑒定成果1項(xiàng)。發(fā)表論文65篇，SCI收錄29篇，單篇他引次數(shù)61次，獲得授權(quán)中國發(fā)明專利12項(xiàng)，出版專著1本。
第1章 太陽輻射與太陽電池
1.1太陽光的屬性 1
1.1.1波粒二象性 1
1.1.2光子能量 1
1.1.3光子通量 2
1.1.4光譜輻照度 3
1.1.5輻射功率密度 3
1.2黑體輻射 3
1.3太陽輻射 5
1.3.1太陽 5
1.3.2太空中的太陽輻射 6
1.3.3地球上的太陽輻射 7
1.3.4大氣質(zhì)量 8
1.3.5標(biāo)準(zhǔn)光譜 9
1.4太陽能的轉(zhuǎn)換方式 11
1.5太陽電池概述 12
1.6電能 13
思考題與習(xí)題 14
參考文獻(xiàn) 14
第2章 光電轉(zhuǎn)換物理基礎(chǔ)
2.1半導(dǎo)體宏觀光學(xué)性質(zhì)和光學(xué)常數(shù) 16
2.1.1折射率和吸收系數(shù) 16
2.1.2反射系數(shù)和透射系數(shù) 18
2.2半導(dǎo)體的光吸收 19
2.2.1本征光吸收 19
2.2.2其他光吸收過程 23
2.3非平衡載流子 25
2.3.1非平衡載流子的注入 25
2.3.2非平衡載流子壽命、準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 26
2.3.3非平衡載流子復(fù)合 28
2.4載流子輸運(yùn) 34
2.4.1載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 34
2.4.2載流子漂移擴(kuò)散，愛因斯坦關(guān)系式 37
2.4.3連續(xù)性方程式及應(yīng)用 40
思考題與習(xí)題 44
參考文獻(xiàn) 44
第3章太陽電池的基本原理和特性
3.1光生伏打效應(yīng) 45
3.1.1功函數(shù)和親和勢(shì) 45
3.1.2內(nèi)建靜電場與有效力場 46
3.1.3一般情況下Voc的表達(dá)式 48
3.2半導(dǎo)體界面及其類型 50
3.2.1半導(dǎo)體-真空界面 50
3.2.2半導(dǎo)體-半導(dǎo)體同質(zhì)結(jié) 51
3.2.3半導(dǎo)體-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié) 51
3.2.4半導(dǎo)體-金屬界面 53
3.2.5半導(dǎo)體-絕緣體界面 53
3.2.6金屬-絕緣體-半導(dǎo)體和半導(dǎo)體-絕緣體-半導(dǎo)體界面 54
3.3用于太陽電池的半導(dǎo)體界面組態(tài) 55
3.3.1光生伏打效應(yīng)的界面結(jié)構(gòu) 55
3.3.2歐姆接觸 55
3.3.3選擇性歐姆接觸 57
3.4精細(xì)平衡原理 57
3.4.1黑暗狀態(tài) 58
3.4.2光照狀態(tài) 59
3.5電流 60
3.5.1光生電流 61
3.5.2暗電流 61
3.6太陽電池的特性 63
3.6.1伏安特性曲線 63
3.6.2短路電流 64
3.6.3光生電壓 66
3.6.4填充因子和轉(zhuǎn)換效率 68
3.6.5量子效率和光譜響應(yīng) 69
3.7影響太陽電池性能的因素 72
3.7.1寄生電阻 72
3.7.2溫度的影響 73
3.7.3光強(qiáng)的影響 74
3.8理論轉(zhuǎn)換效率極限 76
3.9太陽電池的設(shè)計(jì)原則 77
3.10疊層太陽電池 78
3.10.1疊層太陽電池原理 79
3.10.2疊層太陽電池結(jié)構(gòu) 79
3.10.3兩端疊層太陽電池的性能與設(shè)計(jì) 80
3.11小結(jié) 81
思考題與習(xí)題 82
參考文獻(xiàn) 82
第4章 晶體硅太陽電池
4.1單晶硅材料的性質(zhì) 84
4.1.1基本性質(zhì) 84
4.1.2光吸收特性 84
4.1.3摻雜特性 85
4.1.4載流子復(fù)合特性 86
4.1.5載流子輸運(yùn)特性 89
4.2晶體硅太陽電池的早期結(jié)構(gòu)演變 90
4.2.1早期硅太陽電池 90
4.2.2背面場 91
4.2.3紫電池 91
4.2.4黑硅電池 92
4.3晶體硅太陽電池的效率損失及提高策略 93
4.3.1效率損失機(jī)制 93
4.3.2減反射技術(shù) 94
4.3.3陷光技術(shù) 96
4.3.4電極優(yōu)化 98
4.3.5摻雜工藝優(yōu)化 101
4.3.6鈍化技術(shù) 106
4.4高效電池結(jié)構(gòu) 112
4.4.1高效電池的設(shè)計(jì)思想 112
4.4.2PERC、PERL和PERT太陽電池 112
4.4.3硅異質(zhì)結(jié)太陽電池 113
4.4.4TOPCon太陽電池 114
4.4.5刻槽埋柵太陽電池 115
4.4.6背接觸背結(jié)太陽電池 115
4.4.7硅球太陽電池 116
4.4.8多種高效技術(shù)結(jié)合的太陽電池 116
思考題與習(xí)題 117
參考文獻(xiàn) 117
第5章 砷化鎵太陽電池
5.1砷化鎵材料的性質(zhì) 119
5.1.1砷化鎵的晶體結(jié)構(gòu) 119
5.1.2砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu) 120
5.1.3砷化鎵作為太陽電池材料的優(yōu)缺點(diǎn) 120
5.1.4砷化鎵薄膜材料的制備 121
5.2砷化鎵太陽電池的設(shè)計(jì)和優(yōu)化 123
5.2.1砷化鎵太陽電池的發(fā)展 123
5.2.2砷化鎵太陽電池類型 123
5.2.3單結(jié)砷化鎵太陽電池的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 127
5.2.4多結(jié)砷化鎵太陽電池的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 129
5.3聚光太陽電池與空間太陽電池原理與設(shè)計(jì) 132
5.3.1聚光太陽電池 132
5.3.2聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)組件 132
5.3.3聚光太陽電池設(shè)計(jì) 135
5.3.4空間太陽電池 136
5.4砷化鎵太陽電池的發(fā)展趨勢(shì) 138
思考題與習(xí)題 139
參考文獻(xiàn) 139
第6章 非晶硅太陽電池
6.1非晶硅材料結(jié)構(gòu)與電子態(tài) 141
6.1.1非晶硅材料結(jié)構(gòu) 141
6.1.2非晶硅材料的電子態(tài) 141
6.2非晶硅材料的光學(xué)特性 143
6.2.1非晶硅材料的光吸收 143
6.2.2非晶硅材料的光譜響應(yīng) 144
6.2.3非晶硅材料的紅外吸收及拉曼光譜 144
6.2.4光致衰減效應(yīng) 146
6.3非晶硅材料的電學(xué)特性 147
6.3.1本征非晶硅材料的電學(xué)特性 147
6.3.2非晶硅的摻雜特性 148
6.3.3非晶硅的光電導(dǎo) 149
6.4非晶硅太陽電池設(shè)計(jì)和優(yōu)化 150
6.4.1非晶硅電池特點(diǎn) 150
6.4.2非晶硅電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 151
6.4.3制備工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化 153
6.5非晶硅疊層太陽電池 154
6.5.1非晶硅疊層電池概述 154
6.5.2a-Si：H雙結(jié)疊層太陽電池 154
6.5.3a-Si：H三結(jié)疊層太陽電池 156
6.6非晶硅太陽電池的發(fā)展趨勢(shì) 157
思考題與習(xí)題 157
參考文獻(xiàn) 157
第7章 碲化鎘太陽電池和銅銦鎵硒太陽電池
7.1引言 159
7.1.1電池結(jié)構(gòu) 159
7.1.2發(fā)展歷史 159
7.2多晶半導(dǎo)體材料 160
7.2.1晶界 161
7.2.2晶界對(duì)載流子輸運(yùn)的影響 162
7.2.3晶界的耗盡層近似 163
7.2.4多數(shù)載流子的輸運(yùn) 166
7.2.5光照的影響 168
7.2.6少數(shù)載流子的輸運(yùn) 169
7.2.7晶界效應(yīng) 170
7.3多晶異質(zhì)結(jié)薄膜太陽電池的設(shè)計(jì)原則 170
7.3.1吸收層禁帶寬度 174
7.3.2能級(jí)排列 175
7.3.3窗口層摻雜 176
7.3.4費(fèi)米能級(jí)釘扎 177
7.3.5吸收層摻雜 177
7.3.6吸收層厚度 178
7.3.7晶界 179
7.3.8背接觸勢(shì)壘 179
7.3.9緩沖層厚度 179
7.3.10前表面梯度帶隙 180
7.3.11背表面梯度帶隙 180
7.4碲化鎘的性質(zhì) 180
7.4.1碲化鎘的物理性質(zhì) 180
7.4.2碲化鎘的電學(xué)性質(zhì) 181
7.5碲化鎘太陽電池的設(shè)計(jì) 182
7.5.1窗口層設(shè)計(jì) 183
7.5.2窗口層 吸收層界面 184
7.5.3吸收層摻雜及設(shè)計(jì)優(yōu)化 185
7.5.4背接觸優(yōu)化 186
7.6銅銦鎵硒的性質(zhì) 187
7.6.1CIGS的結(jié)構(gòu)特性 187
7.6.2CIGS的電學(xué)特性 189
7.6.3CIGS的光學(xué)性質(zhì)及制備方法 191
7.7銅銦鎵硒太陽電池的設(shè)計(jì) 191
7.7.1銅銦鎵硒太陽電池基本結(jié)構(gòu) 191
7.7.2窗口層及界面 194
7.7.3吸收層摻雜 194
7.7.4吸收層帶隙梯度 195
思考題與習(xí)題 197
參考文獻(xiàn) 197
第8章 鈣鈦礦太陽電池
8.1鈣鈦礦太陽電池材料 201
8.1.1鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 201
8.1.2電子傳輸層 203
8.1.3介孔骨架材料 207
8.1.4空穴傳輸層材料 209
8.1.5電極材料 212
8.2鈣鈦礦太陽電池器件結(jié)構(gòu)、工作原理及設(shè)計(jì)優(yōu)化 214
8.2.1鈣鈦礦太陽電池器件結(jié)構(gòu) 214
8.2.2鈣鈦礦太陽電池工作原理 215
8.2.3鈣鈦礦太陽電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化 216
8.3鈣鈦礦基疊層太陽電池 221
8.3.1鈣鈦礦 Si疊層太陽電池 223
8.3.2鈣鈦礦 CIGS疊層太陽電池 227
8.3.3全鈣鈦礦疊層太陽電池 229
8.4鈣鈦礦基太陽電池的穩(wěn)定性 233
8.4.1本征穩(wěn)定性 233
8.4.2封裝器件的穩(wěn)定性 237
思考題與習(xí)題 238
參考文獻(xiàn) 238
第9章 新概念太陽電池
9.1引言 248
9.2中間帶太陽電池 248
9.2.1中間帶太陽電池的基本概念 248
9.2.2量子點(diǎn)中間帶電池 251
9.2.3體材料的中間帶與電池 254
9.2.4薄膜中間帶材料 256
9.3碰撞電離太陽電池 257
9.3.1基本概念 257
9.3.2碰撞電離太陽電池效率 258
9.3.3量子點(diǎn)中多激子產(chǎn)生 259
9.4熱載流子太陽電池 261
9.4.1光生載流子熱弛豫過程 262
9.4.2熱載流子太陽電池的理論效率極限 263
9.5熱光電及熱光子轉(zhuǎn)換器 263
9.5.1熱光伏電池 263
9.5.2熱光子轉(zhuǎn)換器 266
思考題與習(xí)題 267
參考文獻(xiàn) 267
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