太阳电池物理基础

第1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2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3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4章 非平衡载流子的产生与复合 53

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5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

习题 91

参考文献 91

第6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Jdark 93

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7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

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 常见太阳电池材料物理参数表 130

附录C 标准AM1.5 太阳光谱辐照度 131

附录D 参考符号表 135