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参数符号表1

第1章 太阳能电池的特性1

1.1 太阳能电池发展简史1

1.2 光伏效应3

1.3 电池片、组件和系统4

1.4 太阳能电池的特性5

1.4.1 伏安特性曲线5

1.4.2 光生电流和量子效率7

1.4.3 肖克莱方程和光生电压8

1.4.4 填充因子和转换效率10

1.4.5 求解最佳工作点11

1.4.6 寄生电阻15

1.4.7 理想因子16

1.5 小结16

参考文献18

第2章 从光子到电流19

2.1 概论19

2.2 太阳辐射19

2.3 太阳能的转换方式24

2.4 精细平衡原理26

2.4.1 黑暗中26

2.4.2 光照下27

2.5 电流29

2.5.1 光生电流29

2.5.2 暗电流30

2.6 理论转换效率极限32

2.7 太阳能电池的设计35

2.8 小结36

参考文献37

第3章 载流子38

3.1 概论38

3.2 半导体38

3.2.1 能带和晶格38

3.2.2 电子和空穴40

3.3 能带41

3.3.1 薛定谔方程和布洛赫波41

3.3.2 密勒指数和布里渊区42

3.3.3 导带43

3.3.4 价带44

3.3.5 直接带隙和间接带隙44

3.3.6 状态密度45

3.3.7 激子47

3.3.8 载流子浓度48

3.3.9 载流子电流49

3.4 热平衡状态49

3.4.1 费米-狄拉克分布49

3.4.2 热平衡状态的载流子浓度50

3.4.3 麦克斯韦-玻尔兹曼分布51

3.4.4 热平衡状态的电流53

3.5 掺杂53

3.5.1 本征半导体53

3.5.2 n型半导体54

3.5.3 p型半导体55

3.5.4 重掺杂的简并半导体57

3.5.5 缺陷57

3.6 准热平衡状态58

3.6.1 准热平衡状态的统计分布58

3.6.2 准热平衡状态的载流子浓度59

3.6.3 准热平衡状态的电流60

3.7 漂移和扩散62

3.7.1 漂移-扩散电流方程62

3.7.2 漂移-扩散电流方程的适用范围64

3.7.3 非晶硅在准热平衡状态的电流65

3.8 小结66

第4章 载流子的产生和复合67

4.1 概论67

4.2 半导体输运方程组：连续性方程和泊松方程68

4.3 产生率和复合率69

4.4 跃迁率69

4.4.1 费米黄金规则69

4.4.2 二能级系统71

4.5 载流子的产生72

4.5.1 吸收系数73

4.5.2 声子的产生75

4.5.3 离散偶极子近似76

4.5.4 直接带隙半导体77

4.5.5 间接带隙半导体78

4.5.6 真实太阳能电池中载流子的产生79

4.6 载流子的复合81

4.6.1 载流子复合的分类81

4.6.2 辐射复合82

4.6.3 俄歇复合88

4.6.4 陷阱复合90

4.6.5 表面复合和晶界复合93

4.7 一维稳态半导体输运方程组95

4.8 小结98

参考文献99

第5章 半导体结100

5.1 概论100

5.2 载流子分离的机理100

5.3 功函数103

5.4 金属-半导体接触104

5.4.1 肖特基接触104

5.4.2 肖特基接触的特性106

5.4.3 欧姆接触108

5.5 半导体-半导体接触109

5.5.1 p-n结109

5.5.2 p-i-n结110

5.5.3 异质结111

5.6 半导体-电解质接触112

5.7 体异质结114

5.8 表面态和界面态116

5.8.1 表面态116

5.8.2 界面态117

5.9 小结119

参考文献119

第6章 p-n结121

6.1 概论121

6.2 p-n结121

6.2.1 p-n结的形成121

6.2.2 近似条件122

6.3 计算耗尽宽度123

6.4 计算载流子浓度和电流127

6.4.1 电中性区的载流子浓度和电流127

6.4.2 空间电荷区的载流子浓度和电流128

6.4.3 净电流129

6.5 计算伏安特性130

6.6 外加电压下的p-n结136

6.7 光照下的p-n结139

6.7.1 短路电流139

6.7.2 量子效率141

6.7.3 太阳能电池中的p-n结143

6.8 影响p-n结特性的因素144

6.8.1 寄生电阻的影响144

6.8.2 辐照度的影响144

6.8.3 温度的影响145

6.8.4 高级半导体结146

6.8.5 近似条件的适用范围146

6.9 小结147

参考文献147

第7章 晶体硅太阳能电池148

7.1 概论148

7.2 材料和设计148

7.2.1 半导体材料148

7.2.2 p-n结的设计149

7.3 硅的特性150

7.3.1 光吸收的特性150

7.3.2 掺杂的特性151

7.3.3 载流子复合的特性151

7.3.4 载流子输运的特性153

7.4 生产工艺154

7.5 设计的优化158

7.5.1 优化的原则158

7.5.2 光吸收的优化159

7.5.3 表面复合的优化160

7.5.4 串联电阻的优化161

7.6 高转换效率的晶体硅太阳能电池161

7.7 小结163

参考文献164

第8章 砷化镓太阳能电池165

8.1 概论165

8.2 砷化镓的特性165

8.2.1 Ⅲ-Ⅴ族半导体材料165

8.2.2 砷化镓167

8.2.3 掺杂的特性168

8.2.4 载流子复合的特性168

8.2.5 载流子输运的特性169

8.2.6 反射的特性170

8.3 砷化镓太阳能电池的设计170

8.3.1 基本设计170

8.3.2 优化的原则170

8.3.3 前表面表面复合的优化172

8.3.4 串联电阻的优化173

8.3.5 衬底成本的优化173

8.4 小结173

参考文献174

第9章 非晶硅薄膜太阳能电池175

9.1 概论175

9.2 薄膜太阳能电池材料176

9.3 非晶硅的特性178

9.3.1 非晶硅的优势178

9.3.2 非晶硅的缺陷178

9.3.3 光吸收的特性179

9.3.4 掺杂的特性179

9.3.5 载流子输运的特性180

9.3.6 S-W效应181

9.3.7 非晶硅的合金181

9.4 非晶硅薄膜太阳能电池的设计182

9.4.1 非晶硅的p-i-n结182

9.4.2 p-i-n结的伏安特性182

9.4.3 非晶硅薄膜太阳能电池的结构185

9.4.4 非晶硅薄膜太阳能电池的优化186

9.5 微晶硅薄膜太阳能电池187

9.5.1 微晶硅的特性187

9.5.2 微晶硅薄膜太阳能电池的设计188

9.6 小结188

参考文献189

第10章 铜铟镓硒薄膜太阳能电池和碲化镉薄膜太阳能电池190

10.1 概论190

10.2 多晶半导体材料的晶界190

10.2.1 晶界190

10.2.2 晶界对载流子输运的影响192

10.2.3 晶界的耗尽近似193

10.2.4 多数载流子的输运197

10.2.5 光照的作用199

10.2.6 少数载流子的输运200

10.2.7 晶界效应202

10.3 铜铟镓硒薄膜太阳能电池202

10.3.1 铜铟镓硒的特性202

10.3.2 异质结薄膜太阳能电池203

10.3.3 铜铟镓硒薄膜太阳能电池的设计204

10.4 碲化镉薄膜太阳能电池204

10.4.1 碲化镉的特性204

10.4.2 碲化镉薄膜太阳能电池的设计205

10.5 小结205

参考文献206

第11章 光学优化207

11.1 概论207

11.2 朗伯-比耳定律209

11.3 减反膜210

11.3.1 反射率210

11.3.2 减反膜的设计211

11.4 聚光太阳能电池214

11.4.1 聚光系数214

11.4.2 聚光系统215

11.4.3 低注入216

11.4.4 高注入217

11.4.5 聚光太阳能电池的理论转换效率极限219

11.4.6 温度的影响219

11.4.7 串联电阻220

11.4.8 聚光太阳能电池的设计220

11.4.9 聚光太阳能电池的材料221

11.5 陷光结构221

11.5.1 光程长和光线跟踪221

11.5.2 反射镜222

11.5.3 朗伯表面223

11.5.4 绒面224

11.5.5 反射腔和光伏眼226

11.5.6 陷光作用227

11.6 光子循环228

11.7 小结231

参考文献232

第12章 高转换效率技术234

12.1 概论234

12.2 热力学转换效率极限235

12.3 精细平衡转换效率极限236

12.4 多带隙239

12.5 叠层太阳能电池241

12.5.1 光学串联241

12.5.2 四电极叠层和双电极叠层241

12.5.3 叠层太阳能电池的设计242

12.6 中间能带太阳能电池243

12.6.1 上导带和中导带243

12.6.2 中间能带太阳能电池的特性244

12.6.3 中间能带太阳能电池的设计246

12.7 热载流子太阳能电池248

12.7.1 光生作用的过程248

12.7.2 热载流子太阳能电池的特性249

12.7.3 热载流子太阳能电池的设计253

12.8 碰撞电离太阳能电池255

12.8.1 俄歇产生255

12.8.2 碰撞电离太阳能电池的特性256

12.8.3 碰撞电离太阳能电池的设计257

12.9 小结258

参考文献258

附录1 物理常数260

附录2 习题和解答261

2.1 非理想二极管模型和理想因子（第1章）261

2.2 太阳能电池的串联和并联（第1章）262

2.3 寄生电阻（第1章）263

2.4 理想二极管模型和入射光强度（第1章）264

2.5 本征半导体和掺杂半导体中载流子浓度（第3章和第4章）265

2.6 异质结（第3章和第5章）266

2.7 量子效率（第6章）267

2.8 陷阱复合和萨-诺伊斯-肖克莱近似（第4章和第6章）268

2.9 非晶硅薄膜太阳能电池（第9章）270

2.10 叠层非晶硅薄膜太阳能电池（第9章）271

2.11 异质结和铜铟镓硒薄膜太阳能电池（第10章）272

2.12 陷光结构（第11章）273

2.13 费米-狄拉克分布和选择性接触（第2章和第12章）274

附录3 Roth＆Rau公司太阳能电池生产设备277

3.1 Roth＆Rau公司简介277

3.2 封面图片解释278

3.3 SiNUS 840和TiTUS 1200278

3.4 CALiPSO280

3.5 SiNA281

3.6 MAiA283

3.7 DEPX2000285

3.8 CAMiNI287

3.9 PRiMELiNEc-Si289

3.10 PRiMELiNECdTe294

附录4 Semilab公司太阳能电池测试设备297

4.1 Semilab公司简介297

4.2 封底图片的解释298

4.3 WT-2000300

4.4 PV-2000301

4.5 WA-200303

4.6 RT-100303

4.7 LE-100PV/LE-200PV304

4.8 IRB-50306

英汉索引308

汉英索引365