太陽(yáng)能電池

前言

　　人類的生活需要能源。我們除了需要食物中的能量以維持身體所需外（100W），另外平均還需要較之食物中30倍的能量來(lái)滿足我們的生活。而電能幾乎可以用于任何用途，所以它是這些能源中最重要的形式之一。地球上所有的生命都是基于太陽(yáng)能的（通過(guò)藻類植物的光合作用發(fā)現(xiàn)）。人類可以用太陽(yáng)能電池通過(guò)光電能量轉(zhuǎn)換來(lái)生產(chǎn)電能，這是人類歷史上首次無(wú)需借助植物，而直接利用太陽(yáng)能就可以制造出高品質(zhì)的能量。因?yàn)槿魏慰沙掷m(xù)的，例如：長(zhǎng)期能源的提供都必須是基于太陽(yáng)能的，所以未來(lái)光電能量轉(zhuǎn)換將是一種必不可少的生產(chǎn)能源的方式。　　本書(shū)對(duì)太陽(yáng)能電池的基本原理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。在對(duì)原理的討論中盡量對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和將來(lái)發(fā)展的原理做出全面的描述。太陽(yáng)能電池中能量的轉(zhuǎn)換包括兩個(gè)步驟。第一步是吸收太陽(yáng)輻射，生產(chǎn)化學(xué)能。這個(gè)過(guò)程可以發(fā)生在每個(gè)半導(dǎo)體中。第二步是通過(guò)產(chǎn)生電流和電壓轉(zhuǎn)換成電能。這個(gè)過(guò)程就需要適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)和力去驅(qū)動(dòng)由于入射光產(chǎn)生的電子和空穴以電流的方式通過(guò)太陽(yáng)能電池。這種由于特殊結(jié)構(gòu)和力引起的電荷定向傳輸將在本書(shū)中有詳細(xì)介紹。在這個(gè)過(guò)程中可以看出存在于暗區(qū)pn結(jié)中的電場(chǎng)（通常被認(rèn)為是太陽(yáng)能電池工作的先決條件），實(shí)際上是一個(gè)附加現(xiàn)象，是由于其他原因所必需的結(jié)構(gòu)，并不是太陽(yáng)能電池的基本特性。太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)可以由具有半導(dǎo)體特性的吸收體來(lái)描述，其內(nèi)發(fā)生太陽(yáng)熱轉(zhuǎn)換成化學(xué)能且包含兩個(gè)半滲透膜，一個(gè)位于末端傳輸電子阻礙空穴，另一個(gè)位于另一末端傳輸空穴阻礙電子。此書(shū)力圖以一種便于理解的方式全面闡述太陽(yáng)能電池的基本物理原理。除了極少數(shù)的例外，所有的物理關(guān)系都會(huì)被推導(dǎo)且以實(shí)例說(shuō)明，以便于沒(méi)有物理背景的讀者理解本書(shū)?！　〈藭?shū)重點(diǎn)將放在熱力學(xué)方法上，它獨(dú)立于太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)而存在。這有利于對(duì)太陽(yáng)能熱輻射轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換效率限制給出全面的判斷，也可以說(shuō)明現(xiàn)有太陽(yáng)能電池的發(fā)展?jié)撃芗跋拗?。我們將依循W.Shockley和H J Queisser開(kāi)辟的路線進(jìn)行說(shuō)明??！　”緯?shū)是綜合了一系列關(guān)于太陽(yáng)能電池物理學(xué)的講座而成的。我非常感謝那些給我提出建議和指出錯(cuò)誤的學(xué)生。這里所展現(xiàn)的素材與一般依賴于電場(chǎng)提供驅(qū)逐力的太陽(yáng)能電池的處理不同，它是多年來(lái)與我的老師W?Ruppel合作研究的成果?！　≡谀撤N程度上來(lái)說(shuō)，本書(shū)相比于一般的半導(dǎo)體物理學(xué)和太陽(yáng)能電池物理學(xué)更為嚴(yán)謹(jǐn)。最明顯的就是同樣的物理量將用同樣的物理符號(hào)表示，如：流量密度將用j表示，它所傳輸?shù)牧坑貌煌南聵?biāo)來(lái)區(qū)分，jQ表示電荷流的密度，je表示電子流的密度。根據(jù)此原則，所有微粒的濃度都用n表示，ne表示電子的濃度，nh表示空穴的濃度，nγ表示光子的濃度。希望習(xí)慣于用n和p表示電子和空穴濃度的讀者不會(huì)覺(jué)得很難適應(yīng)這種更合理的表示方法?！　〈偈刮覀儚南膬?chǔ)存能源轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂每稍偕茉矗⒉皇窍膬?chǔ)存能源本身，盡管油、氣儲(chǔ)量只能夠維持一百年。能源的耗盡并不會(huì)困擾我們，因?yàn)檫@將是我們有生之年看不到的事情。但假設(shè)我們能活到500歲，那我們就不得不去面對(duì)現(xiàn)在這樣消耗能源的后果了。促使我們轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂每稍偕茉吹膽?yīng)該是使用化石燃料和核能產(chǎn)生的副產(chǎn)物對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的災(zāi)難性后果。因?yàn)檫@是使用太陽(yáng)能電池的最實(shí)際動(dòng)機(jī)，本書(shū)將從討論我們現(xiàn)有能源經(jīng)濟(jì)引起的后果和對(duì)氣候的影響開(kāi)始展開(kāi)。因?yàn)樘?yáng)能經(jīng)濟(jì)被證明可以消除上述問(wèn)題，所以我們應(yīng)大力發(fā)展光電技術(shù)，此書(shū)將為此提供理論基礎(chǔ)。

內(nèi)容概要

　　《太陽(yáng)能電池從原理到新概念》是在非常成功的德文版基礎(chǔ)上補(bǔ)充和更新而成的，此版包含了關(guān)于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換機(jī)理的最新知識(shí)。書(shū)中綜合了一系列關(guān)于太陽(yáng)能電池物理學(xué)的講座，對(duì)太陽(yáng)能電池原理與概念進(jìn)行了極具深度和廣度的精辟闡述，內(nèi)容豐富且實(shí)用。　　書(shū)中首先深入闡述了各類太陽(yáng)能電池的基本原理，如黑體輻射與太陽(yáng)光譜，半導(dǎo)體及其電子與空穴，熱輻射—化學(xué)能的轉(zhuǎn)換，化學(xué)能—電能的轉(zhuǎn)換，太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)（包括硅太陽(yáng)能電池、薄膜太陽(yáng)能電池、染料敏化太陽(yáng)能電池等），太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換的限制因素，提高太陽(yáng)能電池效率的概念等。重點(diǎn)放在熱力學(xué)方法上，它獨(dú)立于太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)存在，這有利于對(duì)太陽(yáng)能熱輻射轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換效率限制給出全面的判斷，也可以說(shuō)明現(xiàn)有太陽(yáng)能電池的發(fā)展?jié)撃芗跋拗?。最后討論了改善太?yáng)能電池品質(zhì)及提高其效率所需要考慮的問(wèn)題?！　∵@是一本非常好的研究參考書(shū)和教科書(shū)，它既是從事太陽(yáng)能電池研究開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)制造及使用運(yùn)行的必備基礎(chǔ)書(shū)，又適合相關(guān)專業(yè)研究生及高年級(jí)本科生作為教材使用。

書(shū)籍目錄

1 能源經(jīng)濟(jì)問(wèn)題11.1 能源經(jīng)濟(jì)21.2 化石能源最大儲(chǔ)量的估算41.3 溫室效應(yīng)71.3.1 燃燒71.3.2 地球的溫度72 光子112.1 黑體輻射122.1.1 空腔光子密度ｎγ（普朗克輻射定律）122.1.2 通過(guò)面積ｄＡ進(jìn)入立體角ｄΩ的能量電流172.1.3 從球面進(jìn)入立體角ｄΩ的輻射202.1.4 從表面單元進(jìn)入半球的輻射(斯蒂芬?玻耳茲曼輻射定律)212.2 非黑體輻射的基爾霍夫定律232.2.1 半導(dǎo)體吸收252.3 太陽(yáng)光譜262.3.1 大氣質(zhì)量282.4 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度292.4.1 阿貝正弦條件312.4.2 幾何光學(xué)322.4.3 正弦條件下的輻射強(qiáng)度332.5 太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的最大效率343 半導(dǎo)體433.1 半導(dǎo)體中的電子453.1.1 電子的分布函數(shù)463.1.2 電子的態(tài)密度De473.1.3 電子的密度513.2 空穴533.3 摻雜563.4 準(zhǔn)費(fèi)米分布603.4.1 費(fèi)米能級(jí)及電化學(xué)勢(shì)633.4.2 功函683.5 電子和空穴的產(chǎn)生693.5.1 光子吸收693.5.2 電子?空穴對(duì)的發(fā)生723.6 電子與空穴的復(fù)合763.6.1 輻射復(fù)合，光子發(fā)射763.6.2 非輻射復(fù)合793.6.3 壽命893.7 半導(dǎo)體發(fā)光913.7.1 躍遷率與吸收系數(shù)924 熱輻射轉(zhuǎn)化為化學(xué)能974.1 化學(xué)能產(chǎn)生的最大效率1005 化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能1075.1 電子及空穴傳輸1085.1.1 場(chǎng)電流1085.1.2 擴(kuò)散電流1105.1.3 總電荷電流1115.2 電子和空穴的分離1145.3 少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度1165.4 介電弛豫1185.5 雙極擴(kuò)散1195.6 丹培效應(yīng)1205.7 數(shù)學(xué)描述1236 太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)1256.1 化學(xué)太陽(yáng)能電池1266.2 太陽(yáng)能電池基本機(jī)理1306.3 染料太陽(yáng)能電池1316.4 pn結(jié)1336.4.1 黑暗中電子在pn結(jié)中的電化學(xué)平衡1336.4.2 pn結(jié)電位分布1346.4.3 pn結(jié)的伏安（電流?電壓）特性1386.5 pn結(jié)摻雜復(fù)合二極管模型1436.6 異質(zhì)結(jié)1466.7 半導(dǎo)體?金屬接觸1486.7.1 肖特基接觸1506.7.2 金屬?絕緣體?半導(dǎo)體接觸1516.8 電場(chǎng)在太陽(yáng)能電池中的作用1527 太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換限制1577.1 太陽(yáng)能電池最大效率1587.2 太陽(yáng)能電池效率與能隙的函數(shù)1617.3 最理想的硅太陽(yáng)能電池1627.3.1 光捕捉1647.4 薄膜太陽(yáng)能電池1687.4.1 太陽(yáng)能電池的最小厚度1697.5 等效電路1717.6 開(kāi)路電壓的溫度依賴1727.7 效率的強(qiáng)度依賴1737.8 單個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程效率1748 提高太陽(yáng)能電池效率的概念1778.1 串接電池1788.1.1 串接電池的電連接1818.2 聚光器電池1838.3 熱伏能量轉(zhuǎn)換1848.4 碰撞電離1868.4.1 碰撞電離熱電子1898.4.2 熱電子與空穴的能量轉(zhuǎn)換1898.5 三水平體系中的兩步激發(fā)1928.5.1 雜質(zhì)光伏效應(yīng)1938.5.2 光子的上轉(zhuǎn)換與下轉(zhuǎn)換1979 前景展望203附錄208索引211

章節(jié)摘錄

　　1　能源經(jīng)濟(jì)問(wèn)題　　所有國(guó)家（特別是發(fā)達(dá)國(guó)家）的能源經(jīng)濟(jì)都是基于儲(chǔ)存能源的利用，主要是以煤、油、氣形式存在的化石能源以及以鈾的同位素U235形式存在的核能。用這些儲(chǔ)藏的能源來(lái)滿足我們的能源需求會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)問(wèn)題。一種能源只能持續(xù)使用到它耗盡。在這種能源耗盡前，我們必須考慮能源耗盡后生活要如何繼續(xù)，所以我們必須開(kāi)發(fā)替代的能源。此外，隨著能源的消耗還伴隨著一些不好的效應(yīng)。長(zhǎng)久埋藏于地下的物質(zhì)得到釋放后會(huì)通過(guò)一些途徑侵入到大氣、水和食物中。雖然直到目前，這些弊端還不是很明顯，但它會(huì)對(duì)后世子孫造成影響。在這一章中我們將要精確評(píng)估化石能源的數(shù)量，不僅包括化石載體的部分，也包括隨大氣中氧氣一起燃燒的部分。另外，我們還要研究溫室效應(yīng)的原因，它實(shí)際上是燃燒化石燃料所不可避免的后果。　　1.1　能源經(jīng)濟(jì)　　儲(chǔ)存在化石能源載體中的化學(xué)能的數(shù)量以能源單位來(lái)估量，有些多，有些則很少。最常用的基本單位是焦耳，簡(jiǎn)寫(xiě)為J，它是一個(gè)很小的單位，代表給1g水加熱0.25℃所需的能量或功率1kw的吹風(fēng)機(jī)1ms所消耗的能量。更實(shí)用的單位是千瓦時(shí)(kw·h)，等于3.6 x 106J。1kw·h表示在100g巧克力中所包含的能量。這個(gè)單位有一個(gè)問(wèn)題，就是它是通過(guò)瓦特這個(gè)功率的單位延伸而來(lái)的，表示的是單位時(shí)間的能量。

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