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| 內容簡介： |
《太阳电池原理与设计》一书包括原理和设计两部分：第一部分（1～3章）介绍了光电转换的微观机制和基本原理，覆盖太阳辐射、半导体的光吸收、载流子的产生与复合、非平衡载流子的扩散与漂移、常见太阳电池的结构及器件特性描述等；第二部分（4～9章）以晶体硅、砷化镓、非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒以及钙钛矿等太阳电池为例，从材料的基本性质出发，分析它们的器件结构，并从减少光、电学损失的角度讨论每种电池的设计和优化原则。本书重在阐明太阳电池的能量损失机制，围绕提高太阳电池效率的核心科学问题，分析不同类型太阳电池的器件特点及改进思路，使读者具备设计高效太阳电池的能力。
本书可作为高等院校新能源材料与器件、新能源科学与工程、储能科学与工程及相关专业的教材或教学参考书，也可作为光伏产业技术人员的参考书。
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| 關於作者： |
武莉莉，四川大学材料科学与工程学院，教授，于1998年、2001年、2006年分别获得四川大学工学学士、理学硕士和工学博士。从2001年7月至今，在材料科学与工程学院任教，2011年破格获得博士生导师资格，2014年聘为教授。现为材料科学与工程学院工会主席，中国可再生能源学会光电专业委员会委员，四川省学术和技术带头人后备人选。
已连续为本科生和研究生分别讲授《太阳电池原理与设计》三学年。
科研方面：从事薄膜太阳电池材料与器件的研究21年，作为项目负责人及核心成员参与了国家“十五”、“十一五”“十二五”863项目、973项目、四川省重点研发等项目近30项，经费累计超过9000万元。2002~2018年多次创造了碲化镉薄膜太阳电池的国内较*高效率，并开发出碲化镉薄膜太阳电池产业化技术，建成了我国第#一条具有完全自主知识产权的薄膜太阳电池中试生产线；使用该成果与无锡尚德太阳能电力有限公司开展横向合作，建成了2兆瓦碲化镉太阳电池生产线。2015年以来开展了钙钛矿薄膜太阳电池的研究，开发了高效率组件制备技术，25cm2的组件效率达18.8%，为同尺寸组件的国际较*高纪录。获得中国高校科技进步二等奖1次（2002年），完成鉴定成果1项。发表论文65篇，SCI收录29篇，单篇他引次数61次，获得授权中国发明专利12项，出版专著1本。
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| 目錄：
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第1章 太阳辐射与太阳电池
1.1太阳光的属性 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光谱辐照度 3
1.1.5辐射功率密度 3
1.2黑体辐射 3
1.3太阳辐射 5
1.3.1太阳 5
1.3.2太空中的太阳辐射 6
1.3.3地球上的太阳辐射 7
1.3.4大气质量 8
1.3.5标准光谱 9
1.4太阳能的转换方式 11
1.5太阳电池概述 12
1.6电能 13
思考题与习题 14
参考文献 14
第2章 光电转换物理基础
2.1半导体宏观光学性质和光学常数 16
2.1.1折射率和吸收系数 16
2.1.2反射系数和透射系数 18
2.2半导体的光吸收 19
2.2.1本征光吸收 19
2.2.2其他光吸收过程 23
2.3非平衡载流子 25
2.3.1非平衡载流子的注入 25
2.3.2非平衡载流子寿命、准费米能级 26
2.3.3非平衡载流子复合 28
2.4载流子输运 34
2.4.1载流子扩散运动 34
2.4.2载流子漂移扩散，爱因斯坦关系式 37
2.4.3连续性方程式及应用 40
思考题与习题 44
参考文献 44
第3章太阳电池的基本原理和特性
3.1光生伏打效应 45
3.1.1功函数和亲和势 45
3.1.2内建静电场与有效力场 46
3.1.3一般情况下Voc的表达式 48
3.2半导体界面及其类型 50
3.2.1半导体-真空界面 50
3.2.2半导体-半导体同质结 51
3.2.3半导体-半导体异质结 51
3.2.4半导体-金属界面 53
3.2.5半导体-绝缘体界面 53
3.2.6金属-绝缘体-半导体和半导体-绝缘体-半导体界面 54
3.3用于太阳电池的半导体界面组态 55
3.3.1光生伏打效应的界面结构 55
3.3.2欧姆接触 55
3.3.3选择性欧姆接触 57
3.4精细平衡原理 57
3.4.1黑暗状态 58
3.4.2光照状态 59
3.5电流 60
3.5.1光生电流 61
3.5.2暗电流 61
3.6太阳电池的特性 63
3.6.1伏安特性曲线 63
3.6.2短路电流 64
3.6.3光生电压 66
3.6.4填充因子和转换效率 68
3.6.5量子效率和光谱响应 69
3.7影响太阳电池性能的因素 72
3.7.1寄生电阻 72
3.7.2温度的影响 73
3.7.3光强的影响 74
3.8理论转换效率极限 76
3.9太阳电池的设计原则 77
3.10叠层太阳电池 78
3.10.1叠层太阳电池原理 79
3.10.2叠层太阳电池结构 79
3.10.3两端叠层太阳电池的性能与设计 80
3.11小结 81
思考题与习题 82
参考文献 82
第4章 晶体硅太阳电池
4.1单晶硅材料的性质 84
4.1.1基本性质 84
4.1.2光吸收特性 84
4.1.3掺杂特性 85
4.1.4载流子复合特性 86
4.1.5载流子输运特性 89
4.2晶体硅太阳电池的早期结构演变 90
4.2.1早期硅太阳电池 90
4.2.2背面场 91
4.2.3紫电池 91
4.2.4黑硅电池 92
4.3晶体硅太阳电池的效率损失及提高策略 93
4.3.1效率损失机制 93
4.3.2减反射技术 94
4.3.3陷光技术 96
4.3.4电极优化 98
4.3.5掺杂工艺优化 101
4.3.6钝化技术 106
4.4高效电池结构 112
4.4.1高效电池的设计思想 112
4.4.2PERC、PERL和PERT太阳电池 112
4.4.3硅异质结太阳电池 113
4.4.4TOPCon太阳电池 114
4.4.5刻槽埋栅太阳电池 115
4.4.6背接触背结太阳电池 115
4.4.7硅球太阳电池 116
4.4.8多种高效技术结合的太阳电池 116
思考题与习题 117
参考文献 117
第5章 砷化镓太阳电池
5.1砷化镓材料的性质 119
5.1.1砷化镓的晶体结构 119
5.1.2砷化镓的能带结构 120
5.1.3砷化镓作为太阳电池材料的优缺点 120
5.1.4砷化镓薄膜材料的制备 121
5.2砷化镓太阳电池的设计和优化 123
5.2.1砷化镓太阳电池的发展 123
5.2.2砷化镓太阳电池类型 123
5.2.3单结砷化镓太阳电池的设计与优化 127
5.2.4多结砷化镓太阳电池的设计与优化 129
5.3聚光太阳电池与空间太阳电池原理与设计 132
5.3.1聚光太阳电池 132
5.3.2聚光太阳能发电系统组件 132
5.3.3聚光太阳电池设计 135
5.3.4空间太阳电池 136
5.4砷化镓太阳电池的发展趋势 138
思考题与习题 139
参考文献 139
第6章 非晶硅太阳电池
6.1非晶硅材料结构与电子态 141
6.1.1非晶硅材料结构 141
6.1.2非晶硅材料的电子态 141
6.2非晶硅材料的光学特性 143
6.2.1非晶硅材料的光吸收 143
6.2.2非晶硅材料的光谱响应 144
6.2.3非晶硅材料的红外吸收及拉曼光谱 144
6.2.4光致衰减效应 146
6.3非晶硅材料的电学特性 147
6.3.1本征非晶硅材料的电学特性 147
6.3.2非晶硅的掺杂特性 148
6.3.3非晶硅的光电导 149
6.4非晶硅太阳电池设计和优化 150
6.4.1非晶硅电池特点 150
6.4.2非晶硅电池结构设计 151
6.4.3制备工艺设计优化 153
6.5非晶硅叠层太阳电池 154
6.5.1非晶硅叠层电池概述 154
6.5.2a-Si：H双结叠层太阳电池 154
6.5.3a-Si：H三结叠层太阳电池 156
6.6非晶硅太阳电池的发展趋势 157
思考题与习题 157
参考文献 157
第7章 碲化镉太阳电池和铜铟镓硒太阳电池
7.1引言 159
7.1.1电池结构 159
7.1.2发展历史 159
7.2多晶半导体材料 160
7.2.1晶界 161
7.2.2晶界对载流子输运的影响 162
7.2.3晶界的耗尽层近似 163
7.2.4多数载流子的输运 166
7.2.5光照的影响 168
7.2.6少数载流子的输运 169
7.2.7晶界效应 170
7.3多晶异质结薄膜太阳电池的设计原则 170
7.3.1吸收层禁带宽度 174
7.3.2能级排列 175
7.3.3窗口层掺杂 176
7.3.4费米能级钉扎 177
7.3.5吸收层掺杂 177
7.3.6吸收层厚度 178
7.3.7晶界 179
7.3.8背接触势垒 179
7.3.9缓冲层厚度 179
7.3.10前表面梯度带隙 180
7.3.11背表面梯度带隙 180
7.4碲化镉的性质 180
7.4.1碲化镉的物理性质 180
7.4.2碲化镉的电学性质 181
7.5碲化镉太阳电池的设计 182
7.5.1窗口层设计 183
7.5.2窗口层 吸收层界面 184
7.5.3吸收层掺杂及设计优化 185
7.5.4背接触优化 186
7.6铜铟镓硒的性质 187
7.6.1CIGS的结构特性 187
7.6.2CIGS的电学特性 189
7.6.3CIGS的光学性质及制备方法 191
7.7铜铟镓硒太阳电池的设计 191
7.7.1铜铟镓硒太阳电池基本结构 191
7.7.2窗口层及界面 194
7.7.3吸收层掺杂 194
7.7.4吸收层带隙梯度 195
思考题与习题 197
参考文献 197
第8章 钙钛矿太阳电池
8.1钙钛矿太阳电池材料 201
8.1.1钙钛矿材料的结构和性质 201
8.1.2电子传输层 203
8.1.3介孔骨架材料 207
8.1.4空穴传输层材料 209
8.1.5电极材料 212
8.2钙钛矿太阳电池器件结构、工作原理及设计优化 214
8.2.1钙钛矿太阳电池器件结构 214
8.2.2钙钛矿太阳电池工作原理 215
8.2.3钙钛矿太阳电池结构设计及性能优化 216
8.3钙钛矿基叠层太阳电池 221
8.3.1钙钛矿 Si叠层太阳电池 223
8.3.2钙钛矿 CIGS叠层太阳电池 227
8.3.3全钙钛矿叠层太阳电池 229
8.4钙钛矿基太阳电池的稳定性 233
8.4.1本征稳定性 233
8.4.2封装器件的稳定性 237
思考题与习题 238
参考文献 238
第9章 新概念太阳电池
9.1引言 248
9.2中间带太阳电池 248
9.2.1中间带太阳电池的基本概念 248
9.2.2量子点中间带电池 251
9.2.3体材料的中间带与电池 254
9.2.4薄膜中间带材料 256
9.3碰撞电离太阳电池 257
9.3.1基本概念 257
9.3.2碰撞电离太阳电池效率 258
9.3.3量子点中多激子产生 259
9.4热载流子太阳电池 261
9.4.1光生载流子热弛豫过程 262
9.4.2热载流子太阳电池的理论效率极限 263
9.5热光电及热光子转换器 263
9.5.1热光伏电池 263
9.5.2热光子转换器 266
思考题与习题 267
参考文献 267
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| 內容試閱：
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近二十年来我国光伏产业快速发展，现今，光伏产业链多个环节的市场占有率位居全球首位，我国成为世界上重要的光伏大国。未来在“双碳”目标的激励下，作为构建新型电力体系的重要组成部分，我国光伏产业将迎来更加迅猛的发展。良好的产业发展形势为投身光伏产业的研发和工程技术人员学电池相关知识提供了充足的动力。
目前已有不少关于太阳电池技术的书籍，但有些仅介绍了晶体硅太阳电池的原理和制备技术等内容，有些虽然较全面地介绍了各类太阳电池的结构与工艺，但在太阳电池的设计原则和优化思路方面比较欠缺。为了使读者在认知太阳电池光电转换原理的基础上，了解设计太阳电池的基本原则，能够从材料的基本性质出发分析器件的关键结构，从减少光、电学损失的角度讨论电池的具体设计和优化原则，从而使读者面对各类光伏器件时都具备设计高效太阳电池的能力，作者结合长期的教学、科研工作与工程应用实践，组织编写了本书。
本书共分9章，分为原理和设计两大部分：第一部分（1～3章）介绍了光电转换的微观机制和基本原理，覆盖太阳辐射、半导体的光吸收、载流子的产生与复合、非平衡载流子的扩散与漂移、常见太阳电池的结构及器件特性描述等；第二部分（4～9章）以晶体硅、砷化镓、非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒以及钙钛矿等太阳电池为例，分析材料性质与器件结构的内在联系，讨论每种电池的具体设计原则，最后介绍几种新概念太阳电池的设计思路。
第1章介绍了太阳电池的发展概况和太阳的辐射特性。第2章介绍了光电转换过程中的半导体基础知识及材料的光吸收、载流子的产生和输运、非平衡载流子的扩散与漂移等物理过程。第3章给出了开路电压的来源和一般表达式，并基于精细平衡原理定量描述了太阳电池器件的电流电压特性，讨论了太阳电池转换效率的影响因素，给出了太阳电池的一般设计原则。第4章介绍了晶体硅太阳电池器件结构发展历程，能量损失来源，减少光电损失的途径、效果及高效硅太阳电池的设计思路等。第5章分析了砷化镓太阳电池的材料特点和器件结构，介绍了单结和叠层砷化镓太阳电池的设计原则和优化方法。第6章分析了非晶硅太阳电池的材料特点和器件结构，介绍了单结和叠层非晶硅太阳电池的设计原则和优化方法，讨论了非晶硅材料及器件的稳定性问题。第7章介绍了多晶薄膜材料的特点，给出了多晶薄膜太阳电池的一般设计原则，讨论了碲化镉和铜铟镓硒太阳电池的器件结构和优化思路。第8章分析了钙钛矿薄膜的材料性质和太阳电池器件结构，讨论了单结和叠层钙钛矿电池的设计和优化思路。第9章介绍了具有较高理论转换效率的新概念太阳电池技术。每章后附有思考题及习题。
本书有两个特色，其一在于阐明了从光能转换为电能的微观物理机制，引导读者在面对不同类型的太阳电池问题时，都能从光电转换的根本原理出发去分析和解决。其二在于重视“设计”，基于对器件原理的认知，以晶体硅等太阳电池为应用案例，通过分析各种器件结构的设计和改进思路，力求使读者具备优化现有器件结构和设计新型太阳电池的能力。
《太阳电池原理与设计》可作为高等院校新能源材料与器件、新能源科学与工程、储能科学与工程等相关专业的教材或教学参考书，也可作为光伏产业技术人员的参考书和培训用书，还可供光伏技术爱好者选用。
本书第1章、第3章和第4章由武莉莉撰写，第2章由张静全撰写，第5章和第6章由曾广根撰写，第7章和第9章由郝霞撰写，第8章由赵德威、陈聪撰写。全书最后由武莉莉进行修改与整理。在编写过程中，作者参考并引用了多名学者和专家的著作与研究成果，在此一并表示感谢。
由于作者水平有限，书中难免有不妥之处，恳请广大读者不吝批评指正！
编著者
2024年4月于四川大学
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