太阳电池物理基础

前言

第章太阳能与太阳电池1

★1.1太阳辐射1

1.1.1几个重要名词1

1.1.2太阳表面辐照度的计算3

1.1.3地球大气层外太阳辐照度的计算4

1.1.4不同特征温度下黑体辐射的光子通量5

1.1.5影响地球表面太阳辐射的各种因素6

★1.2世界太阳能资源分布7

★1.3我国太阳能资源分布8

★1.4太阳能的利用方式10

★1.5太阳电池基本工作原理10

★1.6太阳电池发展历程12

★1.7太阳电池芯片、组件和系统15

★1.8小结16

习题17

参考文献17

第章细致平衡原理与太阳电池J-V关系19

★2.1细致平衡原理19

2.1.1几个重要概念19

2.1.2细致平衡原理的基本假设20

2.1.3细致平衡原理的证明21

★2.2太阳电池的光电流与暗电流22

★2.3太阳电池的J-V关系23

★2.4小结25

习题25

参考文献25

第章载流子的统计分布与电流27

★3.1半导体材料的分类27

★3.2半导体材料的晶格结构28

3.2.1金刚石型结构29

3.2.2闪锌矿型结构29

3.2.3纤锌矿型结构30

3.2.4岩盐结构30

目录太阳电池物理基础★3.3半导体中电子的状态和能带30

3.3.1薛定谔方程与布洛赫波31

3.3.2直接带隙和间接带隙32

★3.4热平衡状态载流子的统计分布与电流34

3.4.1状态密度34

3.4.2费米-狄拉克分布36

3.4.3麦克斯韦-玻尔兹曼分布37

3.4.4导带中电子浓度与价带中空穴浓度38

3.4.5热平衡状态的电流38

★3.5半导体的载流子浓度39

3.5.1本征半导体的载流子浓度39

3.5.2n型半导体的载流子浓度40

3.5.3p型半导体费米能级42

3.5.4补偿半导体43

3.5.5简并半导体与非简并半导体43

3.5.6缺陷44

3.5.7半导体的电导率和迁移率44

★3.6准热平衡状态载流子的统计分布与电流45

3.6.1准热平衡状态的载流子浓度45

3.6.2准热平衡状态载流子的统计分布46

3.6.3准热平衡状态载流子的电流47

★3.7漂移电流与扩散电流48

3.7.1电子亲和势48

3.7.2功函数49

3.7.3扩散和漂移50

★3.8小结50

习题51

参考文献52

第章非平衡载流子的产生与复合53

★4.1非平衡载流子产生与复合的分类53

4.1.1非平衡载流子产生的分类53

4.1.2非平衡载流子复合的分类54

4.1.3产生率与复合率55

4.1.4非平衡载流子的寿命56

★4.2非平衡载流子的产生56

4.2.1非平衡载流子产生的微观物理图像56

4.2.2非平衡载流子产生的宏观表现58

★4.3非平衡载流子的复合61

4.3.1辐射复合61

4.3.2俄歇复合66

4.3.3陷阱复合67

4.3.4表面复合和晶界复合70

★4.4载流子的输运方程71

4.4.1连续性方程71

4.4.2泊松方程72

4.4.3一维稳态半导体的连续性方程72

★4.5小结74

习题75

参考文献76

第章pn结及其伏安特性77

★5.1pn结的形成77

5.1.1pn结形成的物理过程77

5.1.2pn结接触电势差与势垒高度79

5.1.3空间电荷区电场、电势的分布及耗尽宽度的计算79

5.1.4空间电荷区实际载流子的分布82

★5.2pn结电流电压特性83

5.2.1pn结的单向导电性83

5.2.2理想pn结的电流电压特性86

★5.3pn结的制备方法89

5.3.1扩散法89

5.3.2合金法89

5.3.3薄膜外延法89

5.3.4离子注入法90

★5.4小结90

习题91

参考文献91

第章太阳电池的伏安特性92

★6.1太阳电池的工作原理92

6.1.1从载流子输运的角度分析光电流Jph与暗电流Jdark93

6.1.2光照条件下pn结能带的变化94

★6.2光生载流子的浓度和电流94

6.2.1电中性区的载流子浓度和电流95

6.2.2空间电荷区的载流子浓度和电流96

6.2.3净电流97

★6.3太阳电池的伏安特性97

6.3.1电中性区的电流表达式97

6.3.2空间电荷区的电流表达式98

6.3.3净电流表达式99

6.3.4暗电流表达式99

6.3.5短路电流与伏安特性方程100

★6.4太阳电池的伏安特性曲线101

6.4.1理想太阳电池的等效电路图与伏安特性曲线101

6.4.2描述太阳电池的几个重要参数102

6.4.3实际太阳电池的等效电路图与伏安特性曲线103

★6.5太阳电池的伏安特性测试与外量子效率测试105

6.5.1太阳电池伏安特性测试105

6.5.2太阳电池外量子效率测试108

★6.6小结110

习题110

参考文献111

第章半导体结113

★7.1载流子分离的内部驱动力113

★7.2金属－半导体接触113

7.2.1欧姆接触113

7.2.2肖特基接触116

★7.3pin结118

★7.4同质结与异质结120

7.4.1同质结120

7.4.2异质结120

★7.5体异质结122

7.5.1有机太阳电池122

7.5.2染料敏化太阳电池124

★7.6表面态与界面态126

7.6.1表面态126

7.6.2界面态127

★7.7小结128

习题128

参考文献128

附录130

★附录A常用物理常数表130

★附录B常见太阳电池材料物理参数表130

★附录C标准AM1.5太阳光谱辐照度131

★附录D参考符号表135

《太阳电池物理基础》系华北电力大学可再生能源学院光伏科学与工程专业的专业课教材。《太阳电池物理基础》系统地介绍了太阳辐射的定量描述、细致平衡原理与太阳电池所涉及的基本概念、物理模型、伏安特性及一些典型太阳电池设计的基本理念。全书共7章，包括太阳能与太阳电池、细致平衡原理与太阳电池J-V关系、载流子的统计分布与电流、非平衡载流子的产生与复合、pn结及其伏安特性、太阳电池的伏安特性和半导体结。全书内容深入浅出、概念清晰、图文并茂、物理图像鲜明，非常适合作为光伏专业、能源专业或其他相关专业的本科生和研究生的专业教材。本书也可以作为光伏领域科学工作者和工程技术人员的参考资料，帮助其在太阳电池领域打下坚实的物理基础，为研发各种类型的太阳电池提供指导和帮助。