《太阳能电池基础与应用》从社会发展和生态保护以及能源需求角度出发，阐述光伏利用太阳能的必然性与重要性;讲述半导体基础理论及光伏电池的基本原理。结合该领域的进展，既全面深入地介绍了常规晶体硅电池、III-V族化合物电池，同时又对CIGS电池、CdTe电池、硅基薄膜电池、染料敏化电池、有机电池等各种不同薄膜电池的光伏材料、电池结构及其工艺特色和技术发展予以详细阐述。除叙述光伏应用电力系统、常规应用及应用示例外，还从发展角度讲述了微电子学在未来能源领域中开发应用的途径。*后对更高效率光伏电池的新概念进行了综合的介绍与展望。

目录
序言
前言
第1章 光伏发电：人类能源的希望 1
1.1 光伏是创造社会发展与能源需求平衡的*佳能源形式 1
1.1.1 能源是当今社会发展水平的标志 1
1.1.2 社会进步要求新能源 2
1.1.3 太阳能是未来能源的主力之一 6
1.2 光伏发电历史与现状 13
1.2.1 光伏里程中的重大事件 13
1.2.2 光伏发展历史的启示——寻找新材料，开发新技术，开拓新领域 18
参考文献 40
第2章 光伏原理基础 43
2.1 半导体基础 43
2.1.1 半导体材料结构与表征 43
2.1.2 半导体中电子态与能带结构 46
2.1.3 半导体中的杂质与缺陷 53
2.1.4 平衡态载流子分布 54
2.1.5 半导体光吸收 58
2.1.6 非平衡载流子产生与复合 63
2.1.7 载流子输运性质 71
2.2 半导体pn结基础 75
2.2.1 热平衡的pn结 76
2.2.2 pn结伏安特性 79
2.2.3 pn结电容 86
2.2.4 异质结 87
2.3 太阳电池基础 92
2.3.1 光生伏特效应 92
2.3.2 太阳电池电流-电压特性分析 92
2.3.3 太阳电池性能表征 97
2.3.4 量子效率谱 99
2.3.5 太阳电池效率分析 102
2.3.6 太阳电池效率损失分析 109
2.3.7 p-i-n结电池 110
2.4 太阳电池器件模拟 112
2.4.1 器件模拟的意义 112
2.4.2 硅基薄膜电池的电学模型 114
2.4.3 硅基薄膜电池的光学模拟 119
2.4.4 模拟计算示例 125
参考文献 132
第3章 晶体硅太阳电池 136
3.1 晶体硅太阳电池技术的发展 136
3.1.1 简介 136
3.1.2 早期的硅太阳电池 136
3.1.3 传统的空间电池 138
3.1.4 背面场 139
3.1.5 紫电池 140
3.1.6 “黑体电池” 141
3.1.7 表面钝化 143
3.1.8 PERL电池设计 149
3.1.9 总结 153
3.2 高效电池的产业化 154
3.2.1 介绍 154
3.2.2 丝网印刷电池 154
3.2.3 掩埋栅太阳电池 157
3.2.4 高效背面点接触电极电池 160
3.2.5 HIT电池 164
3.2.6 Pluto电池 172
参考文献 181
第4章 高效Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池 186
4.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物材料及太阳电池的特点 188
4.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池的制备方法 193
4.2.1 液相外延技术 193
4.2.2 金属有机化学气相沉积技术 194
4.2.3 分子束外延技术 195
4.3 Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池的发展历史 196
4.3.1 GaAs基系单结太阳电池 196
4.3.2 GaAs基系多结叠层太阳电池 201
4.3.3 Ⅲ-Ⅴ族聚光太阳电池 211
4.3.4 薄膜型Ⅲ-Ⅴ族太阳电池 214
4.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池的研究热点 216
4.4.1 更多结（三结以上）叠层电池的研究 216
4.4.2 Ⅲ-Ⅴ族量子阱、量子点太阳电池 219
4.4.3 热光伏电池 223
4.4.4 分光谱太阳电池的研究 224
4.4.5 其他类型新概念太阳电池 225
参考文献 226
第5章 硅基薄膜太阳电池 230
5.1 引言 230
5.2 硅基薄膜物理基础及其材料特性 231
5.2.1 硅基薄膜材料的研究历史和发展现状 231
5.2.2 非晶硅基薄膜材料的结构和电子态 232
5.2.3 非晶硅基薄膜材料的电学特性 237
5.2.4 非晶硅基薄膜材料的光学特性 240
5.2.5 非晶硅基薄膜材料的光致变化 247
5.2.6 非晶硅碳和硅锗合金薄膜材料 251
5.2.7 微晶硅及纳米硅薄膜材料 252
5.3 非晶硅基薄膜材料制备方法和沉积动力学 261
5.3.1 非晶硅基薄膜材料制备方法 261
5.3.2 硅基薄膜材料制备过程中的反应动力学 282
5.3.3 硅基薄膜材料的优化 287
5.4 硅基薄膜太阳电池结构及工作原理 299
5.4.1 单结硅基薄膜太阳电池的结构及工作原理 299
5.4.2 多结硅基薄膜太阳电池的结构及工作原理 311
5.4.3 硅薄膜太阳电池的计算机模拟 320
5.5 硅基薄膜太阳电池制备技术及产业化 322
5.5.1 以玻璃为衬底的硅基薄膜太阳电池制备技术 322
5.5.2 柔性衬底，卷-到-卷非晶硅基薄膜太阳电池制备技术 327
5.6 硅基薄膜太阳电池的产业化：现状、发展方向以及未来的展望 333
5.6.1 非晶硅基薄膜太阳电池的优势 334
5.6.2 硅基薄膜太阳电池所面临的挑战 335
5.6.3 硅基薄膜太阳电池的发展方向 335
参考文献 337
第6章 铜铟镓硒薄膜太阳电池 344
6.1 CIGS薄膜太阳电池发展史 344
6.2 CIGS薄膜太阳电池吸收层材料 349
6.2.1 CIGS薄膜的制备方法 349
6.2.2 CIGS薄膜材料特性 357
6.3 CIGS薄膜太阳电池的典型结构 366
6.3.1 Mo背接触层 366
6.3.2 CdS缓冲层 367
6.3.3 氧化锌（ZnO）窗口层 369
6.3.4 顶电极和减反膜 369
6.3.5 CIGS薄膜光伏组件 370
6.4 CIGS薄膜太阳电池的器件性能 371
6.4.1 CIGS薄膜太阳电池的电流-电压方程和输出特性*线 371
6.4.2 CIGS薄膜太阳电池的量子效率 374
6.4.3 CIGS薄膜太阳电池的弱光特性 376
6.4.4 CIGS薄膜太阳电池的温度特性 379
6.4.5 CIGS薄膜太阳电池的抗辐照能力 383
6.4.6 CIGS薄膜电池的稳定性 385
6.5 CIGS薄膜太阳电池的异质结特性 388
6.5.1 CIGS薄膜太阳电池异质结能带图 388
6.5.2 能带边失调值 390
6.5.3 贫Cu的CIGS表面层 392
6.6 柔性衬底CIGS薄膜太阳电池 392
6.6.1 柔性衬底CIGS薄膜太阳电池的性能特点 392
6.6.2 柔性金属衬底CIGS太阳电池 394
6.6.3 聚合物衬底CIGS薄膜电池 396
6.6.4 CIGS柔性光伏组件 397
6.7 CIGS薄膜太阳电池的发展动向 397
6.7.1 无Cd缓冲层 398
6.7.2 其他Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物半导体材料 399
6.7.3 叠层电池 401
参考文献 402
第7章 染料敏化太阳电池 408
7.1 引言 408
7.1.1 染料敏化太阳电池的发展历史 408
7.1.2 染料敏化太阳电池的结构和组成 410
7.1.3 染料敏化太阳电池的工作原理 412
7.2 染料敏化太阳电池及材料 413
7.2.1 衬底材料 413
7.2.2 纳米半导体材料 414
7.2.3 染料光敏化剂 420
7.2.4 电解质 425
7.2.5 对电极 432
7.3 有机聚合物太阳电池 432
7.3.1 器件结构和工作原理 434
7.3.2 给体光伏材料 436
7.3.3 受体材料 439
7.4 染料敏化太阳电池性能 441
7.4.1 电化学性能 441
7.4.2 光伏性能 446
7.5 染料敏化太阳电池未来的发展 453
参考文献 455
第8章 光伏器件的测试与应用 463
8.1 光伏器件的测试 463
8.1.1 太阳常数和大气质量 463
8.1.2 标准测试条件和标准太阳电池 465
8.1.3 光伏器件的基本测量 467
8.1.4 多结叠层太阳电池的测试 475
8.2 光伏发电技术及应用 478
8.2.1 太阳能辐射资源 478
8.2.2 光伏系统的工作原理、技术性能及电子学问题 488
8.2.3 光伏发电应用 533
8.2.4 光伏发电应用系统的设计 542
参考文献 567
第9章 高效电池新概念 569
9.1 引言 569
9.2 Shockley-Queisser光伏转换效率理论极限 571
9.2.1 黑体辐射 572
9.2.2 细致平衡原理 574
9.2.3 理想光伏电池的转换效率 577
9.3 多结太阳电池 584
9.4 热载流子太阳电池 591
9.4.1 光生载流子热弛豫过程 591
9.4.2 热载流子太阳电池的理论效率极限 593
9.4.3 热载流子太阳电池的实验研究与进展 596
9.5 碰撞电离太阳电池 598
9.5.1 碰撞电离基本概念 598
9.5.2 碰撞电离太阳电池极限效率 599
9.5.3 碰撞电离电池的实验研究 601
9.6 中间带及多能带太阳电池 602
9.7 热光电及热光子转换器 608
9.7.1 热光伏电池 608
9.7.2 热光子转换器 610
9.8 小结 611
参考文献 613
附录 617
附录A 标准AM1.5太阳光谱辐照度数据 617
附录B 铅酸蓄电池的分类、命名和表征 621
B.1 铅酸蓄电池的分类 621
B.2 蓄电池的命名方法、型号组成及其代表意义 621
B.3 电池的表征参量 622
附录C 典型的单片机及外围电路 623
C.1 CPU、EEPROM、RAM、I/O单片微处理器 623
C.2 LCD液晶显示器 624
C.3 自定义4×4矩阵键盘 624
C.4 RS232异步串行通信接口 624
C.5 多路模拟开关和串行A/D模数转换器 624
附录D 脉宽调制方波逆变器产品实例 625
D.1 概述 625
D.2 技术指标 625
D.3 方波逆变器的电路结构和工作原理 625

第1章光伏发电：人类能源的希望熊绍珍南开大学
　　从“蒸汽机”到“电动机”的一系列动力技术发明，人们逐渐认识到，能源技术的革新带动人类社会日益进步，并对社会发展起着巨大的推动作用。因此，能源是社会发展的动力，已逐步被人们接受。至今所采用的化石燃料能源，带给人类文明与进步的同时，却因能源需求消耗的大幅提高以及随之带来的环境污染，给人类生存环境造成灾难。因此“改变能源结构，保护地球”成为全球的呼声，被各国政府所关注。*新的资料表明，电解水产生的氢能、太阳光的充分利用，包括光热及阳光发电，是*清洁、环保，取之不尽、用之不竭的可再生能源。即使地球上所有的化石燃料已经用尽，阳光和水依旧存在，这时，它们将继续为人类提供新的能源！实际上深究煤和石油的来源，它们现在所发出的热量，无不是从亿万年前深埋地下时，将从太阳那里得到的能量储存至今，重新转换而来的。也就是说，即使是化石燃料，也来源于太阳！所以说，阳光和水始终是人类赖以生存的支柱！
　　1.1光伏是创造社会发展与能源需求平衡的*佳能源形式
　　1.1.1能源是当今社会发展水平的标志
　　联合国组织编制各类数据、图表，用以表述当今国际社会的各类问题。图1.1示出60多个国家、占全球人口90%以上的国家的人类发展指数（human development index，HDI）与各国人均年电力需求量之间的关系[1]，表征各国发展的先进水平。现在很多国家都开始用HDI来标志各国的生活质量。这就是说，使用电量的多少描述该国人民的生活质量。为了进一步改善生活质量，电力消费要在现有水平上再提高10倍以上，即从现在的每人每年的几百度（kW_h）提高到几千度。面对这样强大的电力需求，能源从那里来？显然我们不能选择无节制地燃烧更多的化石燃料、释放更多兆吨级的温室气体（co2、so2*no2）;抑或不管是否有办法对大剂量辐射废料进行安全处置，仍然继续不断地建造更多的核工厂。而是应该开发利用不产生污染、可持续再生的清洁能源，以保障世界长期安全稳定的发展。
　　1.1.2社会进步要求新能源
　　来的温室效应增长趋势[3]。从图1.2我们看到，以工业革命为标志，社会发展大致可分成三个阶段：前工业化时代、工业化时代和后工业化时代。前工业化时代是一个以刀耕火种为特点的技术落后的时代，以人力、畜力、风能、薪柴为主的初级绿色能源，能源消耗和以此带来的环境问题基本不显现。以蒸汽机发明为先导的工业化时代，寻找到的化石燃料（如燃烧煤和石油作能源）就成为当时、乃至现今社会发展的原动力。
　　但是由燃烧化石燃料释放出大量co2、S〇2气体和烟尘，它们是造成大气污染的主要来源，进而引发的温室效应，逐渐显现、不断恶化。直至今日成为危害社会发展的元凶？。分析不同年代冰核数据表明，如图1.3（a）所示，前工业化时代（公元1000～1800年），C02的排放量不过280ppm（lppm=10-6），然而到工业时代，如图1.3（a）中的插图所示，几乎呈指数式增长，到2000年则达到约365PPm。该图右侧示出用不同模型模拟C02的排放量随使用化石能源的增长而增长的趋势。可见从2000～2100年一百年间，如不予以限制，C〇2排放量将增长1～2倍。化石燃料是对远古时代宇宙能量的储存，历经上亿甚至几十亿万年的时间，进行转化、演变而来。人类如此这般、乃至加速度地使用它们，只过二百年，就将趋于殆尽！图1.3（b）描述的是因温室效应导致全球变暖随年度增长的趋势。其纵轴是相对于1990年地球平均温度的偏差，横轴是年份。该图显示，以北半球的观察数据作参考，至19世纪后半叶（工业革命初期），地球的平均温度较1990年还低0.5°C。但是，随着工业的日益发达，温室效应开始受到关注，仪器实测的结果显示，环境温度快速递增。到21世纪，依据不同数学模型推演的预测，若对化石燃料不加以限制，至22世纪，整个地球的环境温度，相对1990年，将增长1.5～5.5°C，其后果不堪设想。
　　图1.4展示各国温室排放状况以及预测的比较，该数据发表在2006年世界能源展望（IEA）上。对中国这样一个谋求快速发展的发展中国家，对环境保护考虑不够的情况下，随着工业化发展程度的提高，温室排放造成的危害速度十分惊人！经过约20年，排放温室气体的数量就赶上并将超过世界发达国家——美国。我国近年气候变化和云雾天气、自然灾害的增多，给人们的生产、生活均带来损失和严重不便。这应该给人以警示：环境是自洽的，你带给它以破坏，它会成倍予以“奉还”。为此1997年12月11日各国政府间签订了“京都议定书”，制订各国逐年减少温室气体排放量计划以及相应实施措施，以努力拯救地球环境。从另外一个角度，化石燃料来源于地层亿万年变化的能量储存的结果，与人类生活发展的年代相比非常漫长，这些能源是无法在短期内再生的。图1.5示出了化石燃料能源的有限性以及各类可再生能源发展的潜力[卜5]，其中光伏与太阳热发电，其效能*为鲜明长远。
　　co2排放持续上升、温室效应致使气候变化的危险，唤起人们保护环境的安全意识。“可持续发展”的“绿色”之声，在各行各业的生产、科研，以及人们生活的各个领域正在积极响应[6]。人们对co2排放进行长期监控的状况极为推崇。2007年12月6日出版的Nature杂志，称查尔斯？克翎（Charles Keeling）对夏威夷莫纳罗亚（Mauna Loa）活火山地区C02排放量连续监测50年的报告，是地球监控项目中*有价值的集锦[7]。要真正能解决环境问题，关键是要从根本上解决化石燃料带来的危害，找到能改变现有能源结构的、可持续发展的再生能源！如何改变现有能源结构，认真对待新能源的开发利用，已经成为世界各国人民与政府极为关注的课题。
　　1.1.3太阳能是未来能源的主力之一
　　表1.1示出当前可再生能源的发展现状及其潜力。该数据取自2000年联合国开发署就世界能源发展前景发表的报告[8]。其中数据的可比性是以1998年全球总能源年需求量为402exaj为依据的（lexa=1018）。“当前用量”一栏中的电力部分是以总能源需求乘以0.385的有效因子而来。由表1.1结果可知，无论从理论还是技术发展本身，太阳能利用都显示是*具发展潜力的支撑性能源技术。这是为什么呢？简言之，这是因为可再生能源的概念中*重要的要保证两点：**，要求提供可再生能源的源头应该是巨大的、无限制的。第二，从整体技术效率而言，要有明显的安全保障性。以这两点作判据，太阳能来源无穷无尽，并具有稳定性，其技术与现有电力的技术完全兼容，同时呈现很高的安全保障性。这几方面表明它比其他再生能源在技术应用方面有更大的潜力。充分说明太阳能的利用在可再生能源领域中的重要地位。
　　1.1.3.1太阳是地球和大气能量的源泉
　　太阳能是来自于太阳内部核聚变所酝藏着的、并能爆发向外辐射的能量。据粗略估计，太阳的发光度（luminosity），即太阳向宇宙全方位辐射的总能量流是4X1026J/so其中向地球输送的光和热可达2.5X1018cal/min，相当于燃烧4X108t烟煤所产生的能量。一年中太阳辐射到地球表面的能量，相当于人类现有各种能源在同期内所提供能量的上万倍。而地球从其他天体，如来自宇宙的辐射能仅为太阳辐射能的二十亿分之一。地球表面除了从太阳那里取得能源外，也从地球内部获得能量，地球内部传到地球表面的热量，全年仅约为5.4X104cal/m2，与太阳辐射能（约9.12X108cal/m2）相比可忽略不计。所以说，太阳是地球和大气能量的源泉。因此地面上能够接受到的太阳能量的大小及其光谱分布，以及太阳能随地域的分布状况，都是我们利用太阳能的依据。
　　1）对于太阳辐射能量的计量
　　在描述太阳离地球的距离中，有一个由天文学定义的距离，称为日地平均距