- 中国铁道出版社
- 9787113317584
- 1版
- 559880
- 16开
- 2025-05
- 高等理工
- 本科
作者简介
内容简介
本书为“十四五” 普通高等院校能源动力类系列教材之一， 在介绍光伏产品发展概况的基础上， 从太阳能电池材料性能着手， 阐述了太阳能发电原理、性能参数与物理特性;紧跟国际前沿动态， 详细讲解了各类太阳能电池最新的科研成果与技术趋势; 从太阳能电池设计角度出发， 细致剖析了不同类型太阳能电池的工作原理、材料选择、器件构建和制备工艺。本书适合作为普通高等院校能源动力类新能源科学与工程、能源与动力工程、储能与动力工程及相关专业的教材， 也可作为部分高等职业院校光伏工程技术及相关专业的教材及企业员工的岗位培训教材， 还可作为相关专业工程技术人员的参考书。
目录
第1 章 太阳能电池发展概况 1
1. 1 太阳能利用技术及其发展历史 1
1. 2 太阳能电池技术概况 3
1. 2. 1 第一代太阳能电池: 晶体硅太阳能电池 4
1. 2. 2 第二代太阳能电池: 薄膜太阳能电池 4
1. 2. 3 第三代太阳能电池: 先进太阳能电池 5
1. 3 太阳能电池技术的挑战 7
1. 4 我国光伏产业的发展历程 8
拓展阅读 液态阳光 10
思考题 11
第2 章 太阳能电池材料的半导体性能 12
2. 1 半导体中的电子状态 13
2. 1. 1 波函数 15
2. 1. 2 电子共有化运动 15
2. 2 能带 16
2. 2. 1 能带的概念 16
2. 2. 2 有效质量 18
2. 2. 3 导体、 半导体、 绝缘体的能带 19
2. 3 半导体中的掺杂 21
2. 3. 1 本征半导体和杂质半导体 21
2. 3. 2 半导体中的杂质能级 22
2. 4 半导体载流子的分布 24
2. 4. 1 状态密度 25
2. 4. 2 费米分布函数和费米能级 26
2. 4. 3 导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度 27
2. 4. 4 本征半导体载流子的浓度 28
2. 4. 5 杂质半导体载流子的浓度 29
2. 4. 6 简并半导体载流子的浓度 32
2. 4. 7 非简并半导体载流子的浓度 33
2. 5 p-n 结 35
2. 5. 1 空间电荷区与接触电势差 35
2. 5. 2 p-n 结的电场强度 37
2. 5. 3 p-n 结的电势分布 38
2. 5. 4 空间电荷区宽度 39
2. 5. 5 p-n 结内电荷流动的定性描述 39
2. 5. 6 理想的电流-电压关系 40
2. 5. 7 电流电压关系的非理想因素 42
2. 5. 8 p-n 结隧道效应 44
2. 6 p-i-n 结、 金属-半导体结与半导体异质结 45
2. 6. 1 p-i-n 结 45
2. 6. 2 金属-半导体接触 46
2. 6. 3 欧姆接触 47
2. 6. 4 异质结 49
2. 7 半导体的性能参数及表面特性 50
2. 7. 1 载流子浓度 50
2. 7. 2 载流子迁移率 55
2. 7. 3 少数载流子寿命 55
2. 7. 4 半导体材料的表面特性 56
2. 8 太阳能电池的物理特性 58
2. 8. 1 光与半导体的相互作用 58
2. 8. 2 光生伏特效应 59
2. 8. 3 太阳能电池伏安特性 61
2. 8. 4 太阳能电池转换效率及其损失 63
拓展阅读 中国40 年被 “卡脖子” 的历史———从切断 GPS 到芯片封锁 66
思考题 67
第3 章 硅基太阳能电池原理与设计 68
3. 1 硅基太阳能电池发展概况 68
3. 1. 1 晶体硅太阳能电池发展概况 69
3. 1. 2 硅基薄膜太阳能电池发展概况 71
3. 2 硅基太阳能电池性能与特点 73
3. 2. 1 晶体硅太阳能电池性能与特点 73
3. 2. 2 硅基薄膜太阳能电池性能与特点 78
3. 3 钝化发射极背接触 (PERC) 太阳能电池 81
3. 3. 1 PERC 太阳能电池结构与原理 82
3. 3. 2 PERC 太阳能电池制备技术 83
3. 4 钝化发射极背面扩散 (PERL 和 PERT) 太阳能电池 86
3. 4. 1 钝化发射极背面扩散太阳能电池结构与原理 86
3. 4. 2 钝化发射极背面扩散太阳能电池制备技术 87
3. 5 隧穿氧化层钝化接触 (TOPCon) 太阳能电池 88
3. 5. 1 TOPCon 太阳能电池结构与原理 89
3. 5. 2 TOPCon 太阳能电池制备技术 90
3. 6 硅基异质结 (SHJ) 太阳能电池 94
3. 6. 1 SHJ 太阳能电池结构与原理 94
3. 6. 2 SHJ 太阳能电池制备技术 96
3. 6. 3 SHJ 太阳能电池发展方向 98
3. 7 交指式背接触 (IBC) 太阳能电池 99
3. 7. 1 IBC 太阳能电池结构与原理 99
3. 7. 2 IBC 太阳能电池制备技术 101
3. 7. 3 高效 IBC 太阳能电池发展方向 102
3. 8 硅基薄膜太阳能电池 102
3. 8. 1 硅基薄膜太阳能电池材料 103
3. 8. 2 硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理 107
3. 8. 3 硅基薄膜太阳能电池制备技术 113
3. 8. 4 硅基薄膜太阳能电池发展方向 115
拓展阅读 目前世界最高效的太阳能电池 115
思考题 116
第4 章 砷化镓薄膜太阳能电池原理和设计 117
4. 1 砷化镓材料的结构与特点 117
4. 1. 1 砷化镓材料的结构 118
4. 1. 2 砷化镓材料的特点 118
4. 2 砷化镓薄膜太阳能电池制备技术 120
4. 2. 1 液相外延制备技术 120
4. 2. 2 金属有机物化学气相沉积制备技术 121
4. 2. 3 分子束外延制备技术 124
4. 3 砷化镓薄膜太阳能电池结构与原理 126
4. 3. 1 单结砷化镓薄膜太阳能电池 126
4. 3. 2 双结砷化镓薄膜太阳能电池 127
4. 3. 3 三结砷化镓薄膜太阳能电池 129
4. 4 砷化镓薄膜太阳能电池设计及产业现状 130
4. 4. 1 高效砷化镓薄膜太阳能电池设计思路 130
4. 4. 2 砷化镓薄膜太阳能电池产业现状 132
拓展阅读 天宫 “充电宝” 132
思考题 133
第5 章 碲化镉薄膜太阳能电池原理和设计 134
5. 1 碲化镉薄膜太阳能电池材料性能与特点 134
5. 1. 1 碲化镉的光学和电学性质 137
5. 1. 2 碲化镉薄膜太阳能电池的特点 138
5. 2 碲化镉薄膜太阳能电池结构与原理 139
5. 3 碲化镉薄膜太阳能电池制备技术 142
5. 4 高效碲化镉薄膜太阳能电池的设计及产业发展 144
5. 4. 1 高效碲化镉薄膜太阳能电池的设计 144
5. 4. 2 碲化镉薄膜太阳能电池产业发展 145
拓展阅读 智能光伏———让建筑成为绿色 “发电厂” 150
思考题 151
第6 章 铜铟镓硒薄膜太阳能电池原理和设计 152
6. 1 铜铟镓硒薄膜太阳能电池的发展史 152
6. 1. 1 实验萌芽开发阶段 153
6. 1. 2 小面积效率提升阶段 153
6. 1. 3 大面积组件试产阶段 154
6. 2 铜铟镓硒薄膜太阳能电池的特点 154
6. 2. 1 铜铟镓硒的物理化学性能 154
6. 2. 2 铜铟镓硒薄膜太阳能电池的结构特点 156
6. 2. 3 铜铟镓硒薄膜太阳能电池的性能特点 157
6. 3 铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法 158
6. 3. 1 衬底的选择 158
6. 3. 2 背电极板的制备 160
6. 3. 3 吸收层的制备 161
6. 3. 4 缓冲层的作用与制备 165
6. 3. 5 窗口层的制备 167
6. 3. 6 减反射层及顶电极的制备 167
6. 4 高效铜铟镓硒薄膜太阳能电池技术 168
6. 4. 1 铜铟镓硒太阳能电池碱金属掺杂技术 168
6. 4. 2 铜铟镓硒太阳能电池低温沉积技术 170
6. 4. 3 铜铟镓硒建筑一体化光伏技术 171
拓展阅读 我国首座建筑一体化光伏示范建筑———惠州潼湖科技创新小镇 173
思考题 173
第7 章 新型太阳能电池原理和设计 174
7. 1 染料敏化太阳能电池原理和设计 175
7. 1. 1 染料敏化太阳能电池技术特点 175
7. 1. 2 染料敏化太阳能电池结构与原理 176
7. 1. 3 染料敏化太阳能电池制备技术 179
7. 1. 4 高效染料敏化太阳能电池设计 185
7. 2 钙钛矿太阳能电池原理和设计 189
7. 2. 1 钙钛矿太阳能电池技术特点 190
7. 2. 2 钙钛矿太阳能电池工作原理、 结构分类与材料的选择 192
7. 2. 3 钙钛矿太阳能电池制备技术 195
7. 2. 4 高效钙钛矿太阳能电池设计 196
7. 3 有机太阳能电池原理和设计 198
7. 3. 1 有机太阳能电池的发展历程 198
7. 3. 2 有机太阳能电池的基本结构 199
7. 3. 3 有机太阳能电池的工作原理 199
7. 3. 4 常见有机太阳能电池的给体材料 200
7. 3. 5 常见有机太阳能电池的受体材料 204
7. 3. 6 常见有机太阳能电池界面材料 209
拓展阅读 太阳能电池如何 “以柔为美” 211
思考题 212
参考文献 213
1. 1 太阳能利用技术及其发展历史 1
1. 2 太阳能电池技术概况 3
1. 2. 1 第一代太阳能电池: 晶体硅太阳能电池 4
1. 2. 2 第二代太阳能电池: 薄膜太阳能电池 4
1. 2. 3 第三代太阳能电池: 先进太阳能电池 5
1. 3 太阳能电池技术的挑战 7
1. 4 我国光伏产业的发展历程 8
拓展阅读 液态阳光 10
思考题 11
第2 章 太阳能电池材料的半导体性能 12
2. 1 半导体中的电子状态 13
2. 1. 1 波函数 15
2. 1. 2 电子共有化运动 15
2. 2 能带 16
2. 2. 1 能带的概念 16
2. 2. 2 有效质量 18
2. 2. 3 导体、 半导体、 绝缘体的能带 19
2. 3 半导体中的掺杂 21
2. 3. 1 本征半导体和杂质半导体 21
2. 3. 2 半导体中的杂质能级 22
2. 4 半导体载流子的分布 24
2. 4. 1 状态密度 25
2. 4. 2 费米分布函数和费米能级 26
2. 4. 3 导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度 27
2. 4. 4 本征半导体载流子的浓度 28
2. 4. 5 杂质半导体载流子的浓度 29
2. 4. 6 简并半导体载流子的浓度 32
2. 4. 7 非简并半导体载流子的浓度 33
2. 5 p-n 结 35
2. 5. 1 空间电荷区与接触电势差 35
2. 5. 2 p-n 结的电场强度 37
2. 5. 3 p-n 结的电势分布 38
2. 5. 4 空间电荷区宽度 39
2. 5. 5 p-n 结内电荷流动的定性描述 39
2. 5. 6 理想的电流-电压关系 40
2. 5. 7 电流电压关系的非理想因素 42
2. 5. 8 p-n 结隧道效应 44
2. 6 p-i-n 结、 金属-半导体结与半导体异质结 45
2. 6. 1 p-i-n 结 45
2. 6. 2 金属-半导体接触 46
2. 6. 3 欧姆接触 47
2. 6. 4 异质结 49
2. 7 半导体的性能参数及表面特性 50
2. 7. 1 载流子浓度 50
2. 7. 2 载流子迁移率 55
2. 7. 3 少数载流子寿命 55
2. 7. 4 半导体材料的表面特性 56
2. 8 太阳能电池的物理特性 58
2. 8. 1 光与半导体的相互作用 58
2. 8. 2 光生伏特效应 59
2. 8. 3 太阳能电池伏安特性 61
2. 8. 4 太阳能电池转换效率及其损失 63
拓展阅读 中国40 年被 “卡脖子” 的历史———从切断 GPS 到芯片封锁 66
思考题 67
第3 章 硅基太阳能电池原理与设计 68
3. 1 硅基太阳能电池发展概况 68
3. 1. 1 晶体硅太阳能电池发展概况 69
3. 1. 2 硅基薄膜太阳能电池发展概况 71
3. 2 硅基太阳能电池性能与特点 73
3. 2. 1 晶体硅太阳能电池性能与特点 73
3. 2. 2 硅基薄膜太阳能电池性能与特点 78
3. 3 钝化发射极背接触 (PERC) 太阳能电池 81
3. 3. 1 PERC 太阳能电池结构与原理 82
3. 3. 2 PERC 太阳能电池制备技术 83
3. 4 钝化发射极背面扩散 (PERL 和 PERT) 太阳能电池 86
3. 4. 1 钝化发射极背面扩散太阳能电池结构与原理 86
3. 4. 2 钝化发射极背面扩散太阳能电池制备技术 87
3. 5 隧穿氧化层钝化接触 (TOPCon) 太阳能电池 88
3. 5. 1 TOPCon 太阳能电池结构与原理 89
3. 5. 2 TOPCon 太阳能电池制备技术 90
3. 6 硅基异质结 (SHJ) 太阳能电池 94
3. 6. 1 SHJ 太阳能电池结构与原理 94
3. 6. 2 SHJ 太阳能电池制备技术 96
3. 6. 3 SHJ 太阳能电池发展方向 98
3. 7 交指式背接触 (IBC) 太阳能电池 99
3. 7. 1 IBC 太阳能电池结构与原理 99
3. 7. 2 IBC 太阳能电池制备技术 101
3. 7. 3 高效 IBC 太阳能电池发展方向 102
3. 8 硅基薄膜太阳能电池 102
3. 8. 1 硅基薄膜太阳能电池材料 103
3. 8. 2 硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理 107
3. 8. 3 硅基薄膜太阳能电池制备技术 113
3. 8. 4 硅基薄膜太阳能电池发展方向 115
拓展阅读 目前世界最高效的太阳能电池 115
思考题 116
第4 章 砷化镓薄膜太阳能电池原理和设计 117
4. 1 砷化镓材料的结构与特点 117
4. 1. 1 砷化镓材料的结构 118
4. 1. 2 砷化镓材料的特点 118
4. 2 砷化镓薄膜太阳能电池制备技术 120
4. 2. 1 液相外延制备技术 120
4. 2. 2 金属有机物化学气相沉积制备技术 121
4. 2. 3 分子束外延制备技术 124
4. 3 砷化镓薄膜太阳能电池结构与原理 126
4. 3. 1 单结砷化镓薄膜太阳能电池 126
4. 3. 2 双结砷化镓薄膜太阳能电池 127
4. 3. 3 三结砷化镓薄膜太阳能电池 129
4. 4 砷化镓薄膜太阳能电池设计及产业现状 130
4. 4. 1 高效砷化镓薄膜太阳能电池设计思路 130
4. 4. 2 砷化镓薄膜太阳能电池产业现状 132
拓展阅读 天宫 “充电宝” 132
思考题 133
第5 章 碲化镉薄膜太阳能电池原理和设计 134
5. 1 碲化镉薄膜太阳能电池材料性能与特点 134
5. 1. 1 碲化镉的光学和电学性质 137
5. 1. 2 碲化镉薄膜太阳能电池的特点 138
5. 2 碲化镉薄膜太阳能电池结构与原理 139
5. 3 碲化镉薄膜太阳能电池制备技术 142
5. 4 高效碲化镉薄膜太阳能电池的设计及产业发展 144
5. 4. 1 高效碲化镉薄膜太阳能电池的设计 144
5. 4. 2 碲化镉薄膜太阳能电池产业发展 145
拓展阅读 智能光伏———让建筑成为绿色 “发电厂” 150
思考题 151
第6 章 铜铟镓硒薄膜太阳能电池原理和设计 152
6. 1 铜铟镓硒薄膜太阳能电池的发展史 152
6. 1. 1 实验萌芽开发阶段 153
6. 1. 2 小面积效率提升阶段 153
6. 1. 3 大面积组件试产阶段 154
6. 2 铜铟镓硒薄膜太阳能电池的特点 154
6. 2. 1 铜铟镓硒的物理化学性能 154
6. 2. 2 铜铟镓硒薄膜太阳能电池的结构特点 156
6. 2. 3 铜铟镓硒薄膜太阳能电池的性能特点 157
6. 3 铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法 158
6. 3. 1 衬底的选择 158
6. 3. 2 背电极板的制备 160
6. 3. 3 吸收层的制备 161
6. 3. 4 缓冲层的作用与制备 165
6. 3. 5 窗口层的制备 167
6. 3. 6 减反射层及顶电极的制备 167
6. 4 高效铜铟镓硒薄膜太阳能电池技术 168
6. 4. 1 铜铟镓硒太阳能电池碱金属掺杂技术 168
6. 4. 2 铜铟镓硒太阳能电池低温沉积技术 170
6. 4. 3 铜铟镓硒建筑一体化光伏技术 171
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思考题 173
第7 章 新型太阳能电池原理和设计 174
7. 1 染料敏化太阳能电池原理和设计 175
7. 1. 1 染料敏化太阳能电池技术特点 175
7. 1. 2 染料敏化太阳能电池结构与原理 176
7. 1. 3 染料敏化太阳能电池制备技术 179
7. 1. 4 高效染料敏化太阳能电池设计 185
7. 2 钙钛矿太阳能电池原理和设计 189
7. 2. 1 钙钛矿太阳能电池技术特点 190
7. 2. 2 钙钛矿太阳能电池工作原理、 结构分类与材料的选择 192
7. 2. 3 钙钛矿太阳能电池制备技术 195
7. 2. 4 高效钙钛矿太阳能电池设计 196
7. 3 有机太阳能电池原理和设计 198
7. 3. 1 有机太阳能电池的发展历程 198
7. 3. 2 有机太阳能电池的基本结构 199
7. 3. 3 有机太阳能电池的工作原理 199
7. 3. 4 常见有机太阳能电池的给体材料 200
7. 3. 5 常见有机太阳能电池的受体材料 204
7. 3. 6 常见有机太阳能电池界面材料 209
拓展阅读 太阳能电池如何 “以柔为美” 211
思考题 212
参考文献 213
