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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