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第1章 绪论1

1.1 无机固态pn结太阳电池1

1.1.1 晶体Si太阳电池2

1.1.2 单晶GaAs太阳电池3

1.2 有机光电化学太阳电池3

1.2.1 染料敏化太阳电池4

1.2.2 聚合物太阳电池5

1.3 低成本薄膜太阳电池5

1.3.1 Si基薄膜太阳电池6

1.3.2 Cu（In、Ga）Se2薄膜太阳电池7

1.3.3 CdTe薄膜太阳电池7

1.4 高效率新概念太阳电池8

1.4.1 量子点中间带太阳电池8

1.4.2 量子点多激子太阳电池9

参考文献9

第2章 太阳光的能量分布与太阳能的光伏转换12

2.1 太阳光的能量分布12

2.1.1 太阳光的吸收峰12

2.1.2 太阳光的辐射强度13

2.1.3 太阳光谱的能量分布14

2.1.4 太阳电池的光谱响应15

2.2 太阳能的光伏转换与细致平衡原理16

2.2.1 太阳能的光伏转换16

2.2.2 细致平衡原理17

参考文献19

第3章 半导体中的光学现象20

3.1 半导体中的光吸收20

3.1.1 本征吸收20

3.1.2 直接带隙半导体的光吸收21

3.1.3 间接带隙半导体的光吸收22

3.1.4 几种主要半导体材料的光吸收23

3.1.5 叠层太阳电池中的自由载流子吸收25

3.2 半导体表面的光反射26

3.2.1 绒面结构26

3.2.2 减反射覆盖层27

3.2.3 透明导电层28

3.2.4 光子晶体29

3.3 表面等离子增强光俘获30

3.3.1 表面等离子光俘获方式30

3.3.2 纳米微粒的等离子光散射30

3.3.3 纳米微粒的等离子光聚焦31

3.3.4 表面等离子激元的光俘获32

参考文献33

第4章 半导体中的载流子输运34

4.1 光照下的载流子产生34

4.2 外场作用下的载流子输运35

4.2.1 外加电场下的载流子漂移35

4.2.2 载流子迁移率36

4.2.3 浓度梯度下的载流子扩散38

4.2.4 载流子连续性方程38

4.3 非平衡载流子的复合40

4.3.1 辐射复合40

4.3.2 SRH复合41

4.3.3 俄歇复合42

4.3.4 表面复合42

4.3.5 载流子寿命43

4.4 光生载流子的收集44

参考文献45

第5章 单带隙pn结太阳电池46

5.1 pn结太阳电池的光生伏特效应46

5.2 太阳电池的光伏参数47

5.2.1 短路电流47

5.2.2 开路电压48

5.2.3 填充因子49

5.2.4 转换效率49

5.3 太阳电池的转换效率50

5.3.1 理想转换效率50

5.3.2 S-Q极限转换效率53

5.3.3 实际转换效率54

5.4 太阳电池的能量损失54

5.4.1 电池表面光吸收与光反射的损失55

5.4.2 体内与表面载流子复合的损失56

5.4.3 寄生与串联电阻的损失58

5.4.4 减少太阳电池能量损失的优化措施59

5.5 具有本征层的p-i-n结构太阳电池59

5.5.1 p-i-n结构的光伏优势59

5.5.2 内建电场的作用60

5.5.3 内建电场的形成61

5.5.4 p-i-n结构太阳电池的外量子效率62

5.5.5 p-i-n结构太阳电池的J-V特性62

5.6 背接触太阳电池63

5.6.1 器件结构类型64

5.6.2 电流输运模型65

参考文献65

第6章 多结叠层太阳电池67

6.1 多结太阳电池的光谱吸收67

6.2 多结太阳电池的转换效率68

6.3 多结太阳电池的J-V特性69

6.3.1 短路电流密度69

6.3.2 J-V特性69

6.4 多结太阳电池的隧穿结特性70

6.4.1 太阳电池对隧穿结的要求71

6.4.2 隧穿结的优化设计72

6.5 温度对多结太阳电池性能的影响74

6.6 影响多结太阳电池光伏性能的各种因素76

6.6.1 带隙能量76

6.6.2 晶格常数77

6.6.3 子电池厚度78

6.6.4 中间反射层79

6.6.5 光照射强度79

6.7 单片Ⅲ-Ⅴ族叠层太阳电池80

6.7.1 GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池80

6.7.2 GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池80

6.7.3 GaInP/GaAs/GaInNAs三结太阳电池81

6.7.4 三结以上的叠层太阳电池81

参考文献83

第7章 Si基薄膜太阳电池84

7.1 Si基薄膜的结构性质84

7.1.1 α-Si:H薄膜的无序化特征84

7.1.2 μc-Si:H薄膜的微晶化特征85

7.1.3 nc-Si:H薄膜的小晶粒特征86

7.1.4 pc-Si薄膜的大晶粒特征86

7.2 Si基薄膜的电学性质87

7.2.1 α-Si:H薄膜的载流子导电机理87

7.2.2 μc-Si:H薄膜的电导特性88

7.2.3 nc-Si:H薄膜的载流子隧穿机制89

7.2.4 pc-Si薄膜的载流子迁移理论89

7.3 Si基薄膜的光吸收特性90

7.3.1 α-Si:H薄膜的光吸收谱90

7.3.2 α-Si:H薄膜的光致衰退效应91

7.3.3 μc-Si:H薄膜的光谱响应91

7.3.4 α-Si1-xGex:H薄膜的光吸收系数92

7.3.5 nc-Si:H薄膜的增强光吸收93

7.3.6 pc-Si薄膜的光吸收特性94

7.4 p-i-n结构Si基薄膜太阳电池94

7.4.1 器件结构94

7.4.2 工作原理95

7.4.3 光谱响应96

7.4.4 光照稳定性96

7.4.5 电场崩溃效应98

7.4.6 本征吸收层厚度98

7.4.7 n-i-p结构Si基薄膜太阳电池99

7.5 p-i-n结构α-Si：H薄膜太阳电池的J-V特性99

7.6 Si基薄膜叠层太阳电池100

7.7 pc-Si薄膜太阳电池101

参考文献103

第8章 Cu（In、Ga）Se2薄膜太阳电池104

8.1 CIGS薄膜材料的物理性质104

8.1.1 结构性质104

8.1.2 禁带宽度106

8.1.3 导电特性106

8.1.4 光吸收谱107

8.2 CIGS薄膜太阳电池的器件结构107

8.2.1 衬底材料与Mo背接触层108

8.2.2 CdS缓冲层与ZnO窗口层108

8.2.3 Ni-Al顶电极与MgF2减反射层109

8.3 CIGS薄膜太阳电池的光伏性能109

8.3.1 能带特性109

8.3.2 短路电流111

8.3.3 开路电压111

8.3.4 填充因子112

8.3.5 量子效率113

8.3.6 抗辐照能力114

8.3.7 温度特性114

8.4 CdTe薄膜太阳电池115

8.4.1 CdTe材料的物理与化学性质115

8.4.2 CdTe材料的光吸收系数116

8.4.3 CdTe薄膜太阳电池的器件结构117

8.4.4 CdTe薄膜太阳电池的光伏性能118

参考文献119

第9章 染料敏化太阳电池120

9.1 染料敏化太阳电池的器件结构与工作原理120

9.1.1 器件结构120

9.1.2 工作原理120

9.2 染料敏化太阳电池的材料类型与光伏性质122

9.2.1 光阳极122

9.2.2 敏化剂123

9.2.3 电解质125

9.3 氧化还原体系的电化学性质126

9.4 染料敏化太阳电池中的载流子输运128

9.4.1 载流子输运过程128

9.4.2 载流子输运动力学129

9.5 染料敏化太阳电池的光伏性能132

9.5.1 量子效率132

9.5.2 开路电压与短路电流133

9.5.3 载流子收集效率134

9.6 蓄电型染料敏化太阳电池135

9.6.1 器件结构与工作原理135

9.6.2 WO3与PPy蓄电性质的比较136

参考文献136

第10章 聚合物太阳电池138

10.1 聚合物太阳电池中的光伏过程138

10.2 单层聚合物太阳电池139

10.3 p-i-n型聚合物太阳电池140

10.4 共混聚合物太阳电池142

10.4.1 器件结构与工作原理142

10.4.2 光伏性能与改善措施143

10.5 叠层聚合物太阳电池143

10.6 给体与受体光伏材料145

10.6.1 给体光伏材料145

10.6.2 受体光伏材料146

参考文献146

第11章 量子阱太阳电池147

11.1 量子阱中的电子状态147

11.1.1 量子阱中的二维电子能量147

11.1.2 量子阱中二维电子的有效状态密度148

11.1.3 量子阱中二维电子的浓度分布149

11.2 量子阱的光吸收特性149

11.2.1 多量子阱的反射率149

11.2.2 多量子阱的光吸收系数150

11.3 量子阱中的载流子逃逸现象151

11.3.1 载流子产生速率方程152

11.3.2 载流子输运时间152

11.3.3 载流子逃逸时间153

11.4 量子阱太阳电池的J-V特性154

11.5 AlxGa1-xAs/GaAs量子阱太阳电池155

11.5.1 J-V特性155

11.5.2 转换效率156

11.5.3 量子效率157

11.6 InGaAs/GaAsP量子阱太阳电池158

参考文献159

第12章 量子点中间带太阳电池160

12.1 中间带材料中的电子转移过程160

12.2 中间带太阳电池的工作原理162

12.2.1 能量上转换原理162

12.2.2 细致平衡原理162

12.3 量子点中间带的物理性质164

12.3.1 量子点中间带的结构特点164

12.3.2 量子点阵列的光吸收特性165

12.3.3 量子点阵列中的载流子复合166

12.4 量子点中间带太阳电池的理论转换效率167

12.5 量子点中间带太阳电池电流输运的理论分析168

12.5.1 等效电路模型168

12.5.2 太阳电池结构形式169

12.5.3 电流输运分析169

12.6 影响量子点中间带太阳电池光伏性能的因素171

12.6.1 量子点层位置171

12.6.2 量子点的掺杂172

12.6.3 量子点的层数173

参考文献174

第13章 量子点多激子太阳电池176

13.1 多激子产生的能量作用过程与时间分辨光谱测定176

13.1.1 能量作用过程176

13.1.2 时间分辨光谱测定177

13.2 多激子产生的微观统计理论177

13.3 影响多激子产生的各种物理因素178

13.3.1 能量阈值178

13.3.2 载流子有效质量179

13.3.3 量子点尺寸180

13.4 量子点多激子太阳电池的理论转换效率181

13.4.1 量子产额181

13.4.2 转换效率182

13.5 PbSe量子点中的多激子产生182

13.5.1 PbSe量子点中的碰撞电离182

13.5.2 载流子倍增的量子产额183

13.6 Si量子点中的多激子产生184

13.6.1 多激子产生的量子产额184

13.6.2 多激子产生太阳电池的转换效率186

13.7 PbSe量子点多激子太阳电池的光伏特性186

参考文献187

第14章 其他类型的太阳电池189

14.1 肖特基势垒太阳电池189

14.1.1 器件结构与工作原理189

14.1.2 光伏优势与J-V特性190

14.2 聚光太阳电池191

14.2.1 聚光系数191

14.2.2 转换效率191

14.3 热光伏太阳电池192

14.3.1 工作原理192

14.3.2 热光伏太阳电池的J-V特性193

14.4 热载流子太阳电池194

14.4.1 热载流子太阳电池的工作原理194

14.4.2 热载流子的变冷收集过程194

14.4.3 热载流子太阳电池的结构组态195

14.4.4 热载流子的等熵输出195

14.4.5 转换效率的理论计算196

参考文献197

主要物理符号表198

索引200