太阳电池--从新概念到新技术 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

　　本书是原著第二版，基于读者对版的关注，本版内容进行了全面更新和扩展，包含了太阳能转换机制的*知识。书中详细介绍了太阳电池功能的各个方面，如黑体辐射与太阳光谱，半导体及其电子与空穴，热辐射?化学能的转换，化学能?电能的转换，太阳电池基本结构（包括硅太阳电池、薄膜太阳电池、染料敏化太阳电池等），太阳电池能量转换的限制因素，提高太阳电池效率要考虑的所有问题等。重点放在热力学方法上，它独立于太阳电池结构存在，这有利于对太阳热辐射能转换成电能的转换效率限制给出全面的判断，也可以说明现有太阳电池的发展潜能及限制。

这是一本非常好的研究参考书和教科书，它既是从事太阳电池研究开发、生产制造及使用运行的基础书，又适合相关专业研究生及高年级本科生作为教材使用。

1能源经济问题 1

1.1能源经济

1.2化石能源储量的估算

1.3温室效应

1.3.1燃烧

1.3.2地球温度

习题

2光子 11

2.1黑体辐射

2.1.1空腔光子密度nγ（普朗克辐射定律）

2.1.2通过面积dA进入立体角dΩ的能量电流

2.1.3从球面进入立体角dΩ的辐射

2.1.4从表面单元进入半球的辐射（斯蒂芬.玻耳兹曼辐射定律）

2.2非黑体辐射的基尔霍夫定律

2.2.1半导体吸收

2.3太阳光谱

2.3.1大气质量

2.4太阳辐射强度

2.4.1阿贝正弦条件

2.4.2几何光学

2.4.3正弦条件下的辐射强度

2.5太阳能转化的效率

习题

3半导体 37

3.1半导体中的电子

3.1.1电子的排布函数

3.1.2电子的状态密度De

3.1.3电子的密度

3.2空穴

3.3掺杂

3.4准费米分布

3.4.1费米能级及电化学电位

3.4.2功函

3.5电子和空穴对的产生

3.5.1光子吸收

3.5.2电子.空穴对的发生

3.6电子与空穴的复合

3.6.1辐射复合，光子发射

3.6.2非辐射复合

3.6.3寿命

3.7半导体发光

3.7.1跃迁率与吸收系数

习题

4热辐射转化为化学能 83

4.1化学能产生的效率

习题

5化学能转化为电能 93

5.1电子及空穴传输

5.1.1场电流

5.1.2扩散电流

5.1.3总电荷电流

5.2电子和空穴的分离

5.3少数载流子的扩散距离

5.4介电弛豫

5.5双极性扩散

5.6丹倍效应

5.7数学描述

习题

6太阳电池的基本结构 109

6.1化学太阳电池

6.2太阳电池基本原理

6.3染料敏化太阳电池

6.4pn结

6.4.1暗区中电子在pn结中的电化学平衡

6.4.2pn结电位分布

6.4.3pn结的伏安（电流.电压）特性

6.5pn结掺杂复合的二极管模型

6.6异质结

6.7半导体.金属接触

6.7.1肖特基接触

6.7.2金属.绝缘体.半导体接触

6.8电场在太阳电池中的作用

6.9有机太阳电池

6.9.1激子

6.9.2有机太阳电池结构

6.10发光二极管

习题

7太阳电池能量转换限制 145

7.1太阳电池效率

7.2太阳电池效率与能隙的函数

7.3理想的硅太阳电池

7.3.1光捕捉

7.4薄膜太阳电池

7.4.1太阳电池的小厚度

7.5等效电路

7.6开路电压对温度的依赖

7.7效率对强度的依赖

7.8单个能量转换过程的效率

习题

8提高太阳电池效率的方法 163

8.1串接电池

8.1.1串接电池的电连接

8.2聚光太阳电池

8.3光伏能量转换

8.4碰撞电离

8.4.1碰撞电离热电子

8.4.2热电子与空穴的能量转换

8.5三水平体系中的两步激发

8.5.1杂质光伏效应

8.5.2光子的上转换与下转换

习题

前景展望 184

习题答案 187

附录 202

参考文献 204

索引 205

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前言

人类生活需要能量。我们除了从食物中获得能量用以维持身体及其基本机能外（100W），平均还需要较食物提供的30多倍能量来满足我们舒适的生活。电能是有用的能源之一，它几乎可以用于任何用途。地球上所有的生命都是基于太阳能通过藻类植物的光合作用而创造的。人类可以用太阳电池通过光电能量转换来生产电能，这是人类历史上首次无需借助植物，而直接利用太阳能就可以制造出高品质的能量。由于它的可持续性，也就是说，长期能源的提供都必须是基于太阳能的，所以未来光电能转换将是必不可少的一种生产能源的方式。

本书对太阳电池的基本原理进行了深入阐述。在对原理的讨论中对现有技术和将来的发展进行了通俗的描述。太阳电池中能量的转换包括两个步骤。步是吸收太阳辐射，即产生化学能。这个过程发生在每个半导体中。第二步是通过产生电流和电压转换成电能。这个过程就需要适当的结构和力去驱动由于入射光产生的电子和空穴以电流的方式通过太阳电池。这种由于特殊结构和力引起的电荷定向传输将在本书中详细介绍。在这个过程中可以看出存在于暗区pn结中的电场（通常被认为是太阳电池工作的先决条件），实际上是一个附加现象，是由于其他原因所必需的结构，并不是太阳电池的基本特性。太阳电池的结构可以由具有半导体特性的吸收体来描述，其内发生太阳能转换成化学能且包含两个半渗透膜，一个位于末端传输电子阻碍空穴，另一个位于另一末端传输空穴阻碍电子。此书力图以一种便于理解的方式全面阐述太阳电池的基本物理原理。除了极少数的例外，所有的物理关系都会被推导且以实例说明，以便于没有物理背景的读者理解本书。

此书将重点放在热力学方法上，它独立于太阳电池结构的存在。这有利于对太阳热辐射能转换成电能的转换效率限制给出全面的判断，也可以说明现有太阳电池的发展潜能及限制。我们将依循W?

Shockley和H? J? Queisser开辟的路线进行说明W? Shockley, H? J? Queisser,J?

Appl? Phys? 32, (1961), 510?。

本书是综合了一系列关于太阳电池物理学的讲座而成的。非常感谢那些给我提出建议和指出错误的学生。这里所展现的素材与一般依赖于电场提供驱动力的太阳电池的处理不同，它是多年来与我的老师W?

Ruppel合作研究的成果。

从某种程度上来说，本书相较于一般的半导体物理学和太阳电池物理学更为严谨。明显的就是同样的物理量将用同样的物理符号表示，如：流量密度将用j表示，它所传输的量用不同的下标来区分，jQ表示电荷流的密度，je表示电子流的密度。根据此原则，所有微粒的浓度都用n表示，ne表示电子的浓度，nh表示空穴的浓度，nγ表示光子的浓度。希望习惯于用n和p表示电子和空穴浓度的读者不会觉得很难适应这种更合理的表示方法。

尽管油、气储量只能够维持不足一百年，但是按照现行做法，促使我们从消耗储备能源转向使用可再生能源，并不在于消耗储备能源的本身。能源的枯竭并不会困扰我们，因为这将是我们有生之年看不到的事情。但假设我们能活到500岁，那我们就不得不去面对现在这样消耗能源的后果了。促使我们转变为使用可再生能源的应该是使用化石燃料和核能产生的副产物对环境产生的灾难性后果。因为这是使用太阳电池的实际动机，本书将从讨论我们现有能源经济引起的后果和对气候的影响开始展开。因为太阳能经济被证明可以消除上述问题，所以我们应大力发展和完善光电技术，此书将为此提供理论依据。

Peter Würfel