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太阳电池物理基础Physical Fundamentals of Solar Cells白一鸣 陈诺夫 戴松元 姚建曦 编机 械 工 业 出 版 社本书系华北电力大学可再生能源学院光伏科学与工程专业的专业课教材。全书系统地介绍了太阳辐射的定量描述、细致平衡原理与太阳电池所涉及的基本概念、物理模型、伏安特性及一些典型太阳电池设计的基本理念。全书共 7 章，包括太阳能与太阳电池、细致平衡原理与太阳电池 J-V 关系、载流子的统计分布与电流、非平衡载流子的产生与复合、pn 结及其伏安特性、太阳电池的伏安特性和半导体结。全书内容深入浅出、概念清晰、图文并茂、物理图像鲜明，非常适合作为光伏专业、能源专业或其他相关专业的本科生和研究生的专业教材。本书也可以作为光伏领域科学工作者和工程技术人员的参考资料，帮助其在太阳电池领域打下坚实的物理基础，为研发各种类型的太阳电池提供指导和帮助。图书在版编目（CIP）数据太阳电池物理基础/白一鸣等编.北京：机械工业出版社，2014 8ISBN 9787111473695 太 白 太阳能电池-高等学校-教材 TM914 4中国版本图书馆 CIP 数据核字（2014）第 155243 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：张俊红 责任编辑：张俊红版式设计：赵颖喆 责任校对：樊钟英封面设计：马精明 责任印制：北京圣夫亚美印刷有限公司印刷2014 年 9 月第 1 版第 1 次印刷169mm 239mm9 5 印张184 千字00013000 册标准书号：ISBN 9787111473695定价：29.80元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务社 服 务 中 心：（010）88361066销 售 一 部：（010）68326294销 售 二 部：（010）88379649读者购书热线：（010）88379203网络服务教材网：http：/机工官网：http：/机工官博：http：/ 岚能源是人类发展和社会进步的动力。随着经济和社会的发展，人类对能源的需求日益增加。而煤、石油、天然气等化石能源，经过数百年的巨大消耗，已经不可逆转地走向枯竭。与此同时，环境污染日益加剧、极端天气频繁出现，不断挑战着人类的忍耐极限，也促使人们越来越清楚地认识到绿色可再生能源对国家经济发展、社会稳定及国家安全的重要性。1954 年，美国贝尔实验室第一块单晶硅太阳电池问世，揭开了现代太阳电池研究和开发的序幕。经过 60 年的发展，一方面，传统晶体硅太阳电池效率不断提高，成本逐渐下降；同时新概念太阳电池不断涌现；另一方面，世界光伏产业蓬勃发展，迅速成为备受瞩目的朝阳产业。根据欧洲光伏产业协会（EPIA）统计，2013 年全球光伏组件产量达到 40GW，光伏市场新增装机容量为 37GW，累计装机容量达到 136GW，同比增长 35%；同时，EPIA 保守预测，全球光伏市场仍将继续保持持续增长的势头，2014 年装机容量有望突破 42GW。欧盟联合研究中心（JRC）也大胆预测，到2030 年，光伏发电在全球总电力供应中的比例将达到10%以上，到 21 世纪末将达到 60%以上。由这些数据可见，光伏发电在人类能源结构中的战略地位日益凸显，光伏技术与产业高速发展的时代已经到来。中国，在这个新兴的产业中迅速崛起。从 2008 年开始，中国光伏组件产量跃居世界第一。2013 年，光伏组件产量达到 26GW，为世界总产量的 65%；同时，中国也一改往日两头在外的尴尬境地，国内装机容量仅 2013 年就突破 10GW，2014 年有望突破 14GW，且这种强劲的增长趋势在未来数年内仍将持续不变。在这样的背景下，尽管越来越多的有识之士抓住历史的契机，投身于光伏产业的基础研究和技术研发工作，但是光伏行业“人才荒”的问题已经日益凸显，而且随着光伏产业规模持续扩大，人力资源的缺口将成为制约我国光伏产业持续、快速发展的一个主要瓶颈。在这样的历史契机下，华北电力大学依托学校能源电力领域的两个国家级重点学科，在国内首批申请并建立了“大电力”背景下特色鲜明的光伏科学与工程专业，开始致力于培养具有较强实践能力、良好发展潜力的高级太阳能发电技术与管理人才、具有国际竞争力的创新型专业人才。但是，迄今为止，国内尚无完善的光伏科学与工程人才教育和培养体系的经验可以借鉴。华北电力大学可再生能源学院学术委员会邀请光伏领域知名专家学者进行了十余次研讨，制定了以“厚基础、重实践、强能力”为目标的专业培养方案。培养方案中专业课程包括太阳电池物理基础、太阳电池材料与器件、太阳电池材料测试分析、光伏电站设计、运行与控制等专业课程，该培养方案在同类专业建设中起到了引领作用。仅就光伏科学与工程这个新专业的教材体系而言，尽管目前市面上存在一些关于太阳电池方面的图书，这些图书也为光伏科技工作者提供了很好的学习和参考素材，但是这些图书多涉及材料、器件和工艺层面，关于太阳电池物理基础的系统理论知识的介绍较少。基于此，为了更加科学、全面地培养基础理论扎实的专业人才，也为了光伏科技工作者基础物理知识的获取，作者结合十余年光伏领域的研究和三年本科 太阳电池物理基础 的实践教学工作编写了此书。此书系统全面地介绍了太阳辐射、太阳电池基本原理、载流子的统计分布与电流、非平衡载流子的产生与复合、pn 结及其伏安特性、太阳电池的伏安特性和半导体结等内容，在每一章的最后给出了一些习题，以帮助读者掌握该领域的主要理论基础。本书的很多内容是基于编者在半导体材料与器件方面长期的教学和科研工作的实践体会和积累，书中的内容也参考了大量国内外相关领域的图书和文献，引用了参考文献中的部分内容和数据，在此特向书刊作者由衷地致以谢意。在本书的撰写过程中，我们也有幸得到了很多人的帮助和支持。首先感谢华北电力大学可再生能源学院太阳能中心各位老师的帮助和指导；此外，本书是在机械工业出版社的大力支持下出版的，作者对于出版社各位老师的辛勤付出表示衷心的感谢。另外，为便于采用本书当教材的老师的教学工作，本书专门配备了电子课件，凡一次性购书 30 册以上的教师，我们均免费赠送一份电子课件，请通过电子信箱buptzjh163 com 与我们联系。由于编写时间仓促、水平有限，书中难免会存在不妥和不足之处，殷切希望各位专家学者和广大读者批评指正，您的指正是本书日臻完善的动力！编 者2014 年 9 月太阳电池物理基础前言第章 太阳能与太阳电池1 1 1 太阳辐射1 1 1 1 几个重要名词1 1 1 2 太阳表面辐照度的计算3 1 1 3 地球大气层外太阳辐照度的计算4 1 1 4 不同特征温度下黑体辐射的光子通量5 1 1 5 影响地球表面太阳辐射的各种因素6 1 2 世界太阳能资源分布7 1 3 我国太阳能资源分布8 1 4 太阳能的利用方式10 1 5 太阳电池基本工作原理10 1 6 太阳电池发展历程12 1 7太阳电池芯片、组件和系统15 1 8 小结16 习题17 参考文献17第章 细致平衡原理与太阳电池 J-V 关系19 2 1 细致平衡原理19 2 1 1 几个重要概念19 2 1 2 细致平衡原理的基本假设20 2 1 3 细致平衡原理的证明21 2 2 太阳电池的光电流与暗电流22 2 3 太阳电池的 J-V 关系23 2 4 小结25 习题25 参考文献25第章 载流子的统计分布与电流27 3 1 半导体材料的分类27 3 2 半导体材料的晶格结构28 3 2 1 金刚石型结构29 3 2 2 闪锌矿型结构29 3 2 3 纤锌矿型结构30 3 2 4 岩盐结构30 3 3 半导体中电子的状态和能带30 3 3 1 薛定谔方程与布洛赫波31 3 3 2 直接带隙和间接带隙32 3 4 热平衡状态载流子的统计分布与电流34 3 4 1 状态密度34 3 4 2 费米-狄拉克分布36 3 4 3 麦克斯韦-玻尔兹曼分布37 3 4 4 导带中电子浓度与价带中空穴浓度38 3 4 5 热平衡状态的电流38 3 5 半导体的载流子浓度39 3 5 1 本征半导体的载流子浓度39 3 5 2 n 型半导体的载流子浓度40 3 5 3 p 型半导体费米能级42 3 5 4 补偿半导体43 3 5 5 简并半导体与非简并半导体43 3 5 6 缺陷44 3 5 7 半导体的电导率和迁移率44 3 6 准热平衡状态载流子的统计分布与电流45 3 6 1 准热平衡状态的载流子浓度45 3 6 2 准热平衡状态载流子的统计分布46 3 6 3 准热平衡状态载流子的电流47 3 7 漂移电流与扩散电流48 3 7 1 电子亲和势48 3 7 2 功函数49 3 7 3 扩散和漂移50 3 8 小结50 习题51 参考文献52第章 非平衡载流子的产生与复合53太阳电池物理基础 4 1 非平衡载流子产生与复合的分类53 4 1 1 非平衡载流子产生的分类53 4 1 2 非平衡载流子复合的分类54 4 1 3 产生率与复合率55 4 1 4 非平衡载流子的寿命56 4 2 非平衡载流子的产生56 4 2 1 非平衡载流子产生的微观物理图像56 4 2 2 非平衡载流子产生的宏观表现58 4 3 非平衡载流子的复合61 4 3 1 辐射复合61 4 3 2 俄歇复合66 4 3 3 陷阱复合67 4 3 4 表面复合和晶界复合70 4 4 载流子的输运方程71 4 4 1 连续性方程71 4 4 2 泊松方程72 4 4 3 一维稳态半导体的连续性方程72 4 5 小结74 习题75 参考文献76第章 pn 结及其伏安特性77 5 1 pn 结的形成77 5 1 1 pn 结形成的物理过程77 5 1 2 pn 结接触电势差与势垒高度79 5 1 3 空间电荷区电场、电势的分布及耗尽宽度的计算79 5 1 4 空间电荷区实际载流子的分布82 5 2 pn 结电流电压特性83 5 2 1 pn 结的单向导电性83 5 2 2 理想 pn 结的电流电压特性86 5 3 pn 结的制备方法89 5 3 1 扩散法89 5 3 2 合金法89 5 3 3 薄膜外延法89 5 3 4 离子注入法90 5 4 小结90目 录 习题91 参考文献91第章 太阳电池的伏安特性92 6 1 太阳电池的工作原理92 6 1 1 从载流子输运的角度分析光电流 Jph与暗电流 Jdark93 6 1 2 光照条件下 pn 结能带的变化94 6 2 光生载流子的浓度和电流94 6 2 1 电中性区的载流子浓度和电流95 6 2 2 空间电荷区的载流子浓度和电流96 6 2 3 净电流97 6 3 太阳电池的伏安特性97 6 3 1 电中性区的电流表达式97 6 3 2 空间电荷区的电流表达式98 6 3 3 净电流表达式99 6 3 4 暗电流表达式99 6 3 5 短路电流与伏安特性方程100 6 4 太阳电池的伏安特性曲线101 6 4 1 理想太阳电池的等效电路图与伏安特性曲线101 6 4 2 描述太阳电池的几个重要参数102 6 4 3 实际太阳电池的等效电路图与伏安特性曲线103 6 5 太阳电池的伏安特性测试与外量子效率测试105 6 5 1 太阳电池伏安特性测试105 6 5 2 太阳电池外量子效率测试108 6 6 小结110 习题110 参考文献111第章 半导体结113 7 1 载流子分离的内部驱动力113 7 2 金属-半导体接触113 7 2 1 欧姆接触113 7 2 2 肖特基接触116 7 3 pin 结118 7 4 同质结与异质结120太阳电池物理基础 7 4 1 同质结120 7 4 2 异质结120 7 5 体异质结122 7 5 1 有机太阳电池122 7 5 2 染料敏化太阳电池124 7 6 表面态与界面态126 7 6 1 表面态126 7 6 2 界面态127 7 7 小结128 习题128 参考文献128附录130 附录 A 常用物理常数表130 附录 B 常见太