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第1章 光伏太阳能发电的现状、趋势、挑战和光明的未来1

1.1 总述1

1.2 什么是光伏2

1.3 光伏技术的六个误解4

1.4 光伏的历史8

1.5 光伏成本、市场和预测11

1.6 现今的光伏研究和制造的目标是什么？14

1.7 性能及应用变化趋势15

1.8 晶体硅技术的进步和挑战17

1.9 薄膜技术的进步和挑战19

1.10 光伏聚光系统23

1.11 平衡系统23

1.12 新兴光伏技术的未来27

1.13 结论29

参考文献30

第2章 光伏应用和开发的动机33

2.1 光伏能量转换的特征33

2.2 对目前传统发电的长期替代——光伏的生态层面35

2.3 离网发电的技术基础——光伏的发展层面40

2.4 为工业系统和产品供电的电站——专业的低功率应用层面42

2.5 为飞船和卫星供电——光伏在地球外应用的层面43

参考文献44

第3章 太阳电池物理46

3.1 引言46

3.2 半导体的基本性质48

3.2.1 晶体结构48

3.2.2 能带结构48

3.2.3 导带和价带态密度50

3.2.4 平衡载流子浓度50

3.2.5 光吸收52

3.2.6 复合55

3.2.7 载流子输运57

3.2.8 半导体方程60

3.2.9 少子扩散方程60

3.3 pn结二极管的静电特性61

3.4 太阳电池基本原理63

3.4.1 太阳电池边界条件63

3.4.2 产生率65

3.4.3 少子扩散方程的解65

3.4.4 终端特性65

3.4.5 太阳电池I-V特性67

3.4.6 有效太阳电池的性能69

3.4.7 寿命和表面复合的影响70

3.4.8 理解太阳电池工作状态的类比说明：部分总结72

3.5 附加主题72

3.5.1 效率和带隙72

3.5.2 光谱响应73

3.5.3 寄生电阻效应74

3.5.4 温度效应76

3.5.5 聚光太阳电池78

3.5.6 高注入78

3.5.7 p-i-n太阳电池80

3.5.8 详细的数值模拟80

3.6 总结81

参考文献81

第4章 光电转换的理论极限83

4.1 引言83

4.2 热力学背景84

4.2.1 基本关系84

4.2.2 热力学第二定律85

4.2.3 局域熵增量85

4.2.4 积分概念86

4.2.5 辐射的热力学方程86

4.2.6 电子的热力学方程88

4.3 光电转换器88

4.3.1 光电转换器的平衡方程88

4.3.2 单色电池91

4.3.3 Shockley-Queisser光伏电池的热力学一致性92

4.3.4 整个Shockley-Queisser太阳电池的熵产生95

4.4 太阳电池转换器的技术转换效率极限96

4.5 超高效概念97

4.5.1 多结太阳电池97

4.5.2 热光伏转换器99

4.5.3 热光子转换器100

4.5.4 量子效率大于1的太阳电池103

4.5.5 热电子太阳电池104

4.5.6 中间能带太阳电池106

4.6 结论108

参考文献109

第5章 太阳能级硅材料112

5.1 引言112

5.2 硅113

5.2.1 与光伏有关的硅的物理特性113

5.2.2 与光伏有关的化学特性114

5.2.3 健康因素114

5.2.4 硅的历史和应用115

5.3 冶金硅的生产117

5.3.1 二氧化硅的碳热还原法117

5.3.2 提纯120

5.3.3 铸锭和粉碎120

5.3.4 经济分析121

5.4 半导体级硅（多晶硅）121

5.4.1 西门子法122

5.4.2 Union Carbide工艺124

5.4.3 Ethyl Corporation法126

5.4.4 经济和商业分析126

5.5 现有太阳电池用的多晶硅127

5.6 晶体硅太阳电池对硅材料的要求130

5.6.1 固化130

5.6.2 晶体缺陷的影响133

5.6.3 不同杂质的影响134

5.7 太阳能级硅的技术路线140

5.7.1 结晶法140

5.7.2 提升冶金级硅纯度140

5.7.3 简化的多晶硅工艺143

5.7.4 其他方法145

5.8 结论145

参考文献146

第6章 光伏用晶体硅的生长和切片149

6.1 引言149

6.2 单晶硅体材料149

6.2.1 Cz硅棒的生长150

6.2.2 三棱硅153

6.3 多晶硅体材料155

6.3.1 铸锭155

6.3.2 掺杂156

6.3.3 晶体缺陷157

6.3.4 杂质158

6.4 切片161

6.4.1 多线硅片切割技术162

6.4.2 切片工艺细节163

6.4.3 硅片质量和切割损伤165

6.4.4 成本和尺寸考虑166

6.5 硅带和硅箔的生产166

6.5.1 技术工艺描述168

6.5.2 生产能力的比较172

6.5.3 制造技术172

6.5.4 硅带特性和太阳电池173

6.5.5 硅带／硅箔技术——未来的发展方向175

6.6 数值模拟工具176

6.6.1 模拟工具176

6.6.2 硅结晶技术的热模型177

6.6.3 体硅晶化模拟178

6.6.4 模拟硅带的生长179

6.7 结论180

6.8 致谢181

参考文献181

第7章 晶体硅太阳电池和组件184

7.1 引言184

7.2 光伏用晶体硅185

7.2.1 体材料特性185

7.2.2 表面185

7.3 晶体硅太阳电池187

7.3.1 电池结构187

7.3.2 衬底188

7.3.3 前表面技术190

7.3.4 背表面191

7.3.5 尺寸效应193

7.3.6 电池光学特性193

7.3.7 特性比较195

7.4 制备工艺196

7.4.1 工艺流程196

7.4.2 丝印技术199

7.4.3 产能和成品率202

7.5 对基本工艺的改进202

7.5.1 硅片薄片化203

7.5.2 背表面钝化203

7.5.3 前发射区的改善203

7.5.4 快速热退火204

7.6 多晶硅太阳电池204

7.6.1 多晶硅电池的吸杂205

7.6.2 氢钝化205

7.6.3 光学限制206

7.7 其他产业化工艺208

7.7.1 硅带技术209

7.7.2 带本征层的异质结电池209

7.7.3 刻槽埋栅技术210

7.8 晶硅光伏组件211

7.8.1 电池矩阵211

7.8.2 组件中的层212

7.8.3 层压和固化212

7.8.4 层压后处理步骤213

7.8.5 特殊的组件213

7.9 组件的电学和光学特性214

7.9.1 电学和热学特性214

7.9.2 制备过程中的分散性和失配损失215

7.9.3 局部阴影和热斑的形成216

7.9.4 光学特性218

7.10 组件的现场特性218

7.10.1 寿命218

7.10.2 质量219

7.11 结论219

参考文献220

第8章 薄膜硅太阳电池225

8.1 引言225

8.2 现有薄膜硅电池综述227

8.2.1 采用单晶硅衬底的单晶薄膜234

8.2.2 多晶硅衬底234

8.2.3 非硅衬底235

8.3 薄膜硅太阳电池的设计概念237

8.3.1 薄膜硅太阳电池中的陷光238

8.3.2 PV Optics介绍239

8.3.3 电学模拟244

8.3.4 用于太阳电池的薄膜硅的制备方法250

8.3.5 a-Si／μc-Si薄膜的晶粒增大方法251

8.3.6 薄膜硅太阳电池制备的工艺考虑255

8.4 结论258

参考文献258

第9章 高效Ⅲ-Ⅴ族多结太阳电池262

9.1 引言262

9.2 应用265

9.2.1 空间太阳电池265

9.2.2 地面发电265

9.3 Ⅲ-Ⅴ族多结和单结太阳电池物理学265

9.3.1 不同波长下的光子转换效率265

9.3.2 多结效率的理论极限266

9.3.3 光谱分裂266

9.4 电池结构267

9.4.1 四端子267

9.4.2 三端子电压匹配连接267

9.4.3 两端子串联（电流匹配）267

9.5 串联器件性能计算267

9.5.1 概述267

9.5.2 顶部和底部子电池的QE和JSC268

9.5.3 多结J-V曲线269

9.5.4 效率与带隙270

9.5.5 顶电池的减薄271

9.5.6 电流匹配对填充因子和VOC的影响272

9.5.7 入射光谱的作用273

9.5.8 AR膜的影响273

9.5.9 聚光应用274

9.5.10 温度的影响277

9.6 GaInP/GaAs/Ge太阳电池相关材料278

9.6.1 概述278

9.6.2 MOCVD279

9.6.3 GaInP太阳电池279

9.6.4 GaAs电池286

9.6.5 Ge电池287

9.6.6 隧道结互联288

9.6.7 化学腐蚀剂289

9.6.8 材料的获取290

9.7 问题处理290

9.7.1 外延层的表征291

9.7.2 传输线测量292

9.7.3 多结电池的I-V测量292

9.7.4 形态缺陷的评定292

9.7.5 器件诊断292

9.8 下一代太阳电池294

9.8.1 GaInP/GaAs/Ge电池的优化294

9.8.2 机械叠层295

9.8.3 在其他衬底上的生长296

9.8.4 光谱分解296

9.9 地面系统中的应用296

9.9.1 经济问题296

9.9.2 聚光系统296

9.9.3 地面光谱297

参考文献297

第10章 空间太阳电池和阵列301

10.1 空间太阳电池的历史301

10.2 空间太阳电池的挑战304

10.2.1 空间环境304

10.2.2 热环境307

10.2.3 太阳电池的校准和测量309

10.3 硅基太阳电池310

10.4 Ⅲ-Ⅴ族太阳电池311

10.5 空间太阳电池阵列315

10.5.1 体安装阵列316

10.5.2 刚性电池板平面阵列316

10.5.3 柔性可折叠阵列317

10.5.4 薄膜或柔性卷状阵列319

10.5.5 聚光阵列319

10.5.6 高温／强度阵列320

10.5.7 静电清洁阵列321

10.5.8 火星太阳能阵列321

10.5.9 电力管理与配电（PMAD）322

10.6 未来可能的电池和阵列322

10.6.1 低强度低温（LILT）电池322

10.6.2 量子点太阳电池323

10.6.3 集成发电系统323

10.6.4 高功率比阵列323

10.6.5 高辐射环境太阳能阵列324

10.7 发电系统的品质因素324

参考文献326

第11章 光伏聚光器328

11.1 引言328

11.2 聚光器的基本类型330

11.2.1 光学类型330

11.2.2 聚光比332

11.2.3 跟踪类型333

11.2.4 静态聚光器335

11.3 历史回顾337

11.3.1 Sandia国家实验室聚光器计划（1976～1993年）338

11.3.2 Martin Marietta点聚焦菲涅尔系统339

11.3.3 Entech的线聚焦菲涅尔系统340

11.3.4 Sandia的其他项目341

11.3.5 聚光器启动项目341

11.3.6 早期示范项目342

11.3.7 EPRI高聚光项目343

11.3.8 其他聚光器计划345

11.3.9 性能提高的历史347

11.4 聚光器光学347

11.4.1 基本原理348

11.4.2 反射和折射350

11.4.3 抛物面聚光器350

11.4.4 复合抛物面聚光器352

11.4.5 V形槽聚光器354

11.4.6 折射透镜354

11.4.7 二级光学357

11.4.8 静态聚光器358

11.4.9 聚光器的创新360

11.4.10 聚光器光学中的问题361

11.5 聚光器目前的研究进展361

11.5.1 Amonix361

11.5.2 澳大利亚国立大学362

11.5.3 BP Solar和马德里工业大学362

11.5.4 Entech362

11.5.5 Fraunhofer太阳能系统研究所363

11.5.6 Ioffe物理技术研究所363

11.5.7 （美国）国家可再生能源实验室363

11.5.8 马德里工业大学363

11.5.9 太阳能研究公司（Solar Resarch Corporation）364

11.5.10 Spectrolab公司364

11.5.11 SunPower公司364

11.5.12 雷丁大学364

11.5.13 东京农工大学364

11.5.14 Baden Wurttenberg太阳能氢能研究中心（ZSW）364

参考文献365

第12章 非晶硅基太阳电池369

12.1 概论369

12.1.1 非晶硅：第一种双极非晶半导体369

12.1.2 非晶硅太阳电池设计371

12.1.3 Staebler-Wronski效应373

12.1.4 本章摘要374

12.2 氢化非晶硅的原子和电子结构374

12.2.1 原子结构374

12.2.2 缺陷和亚稳定性374

12.2.3 电子态密度376

12.2.4 带尾、带边和带隙376

12.2.5 缺陷和带隙态377

12.2.6 掺杂377

12.2.7 合金和光学性能378

12.3 淀积非晶硅379

12.3.1 淀积技术综述379

12.3.2 RF辉光放电淀积380

12.3.3 不同频率下的辉光放电淀积381

12.3.4 热丝化学气相淀积383

12.3.5 其他淀积方法383

12.3.6 氢稀释383

12.3.7 合金和掺杂384

12.4 理解a-Si pin电池385

12.4.1 pin器件的电学结构385

12.4.2 在吸收层中的光生载流子漂移386

12.4.3 pin太阳电池的吸收层设计388

12.4.4 开路电压389

12.4.5 a-Si:H太阳电池的光学设计391

12.4.6 太阳辐照下的电池393

12.4.7 光老化效应394

12.5 多结太阳电池395

12.5.1 多结太阳电池的好处395

12.5.2 采用合金的具有不同带隙的电池396

12.5.3 a-Si/a-SiGe双叠层和a-Si/a-SiGe/a-SiGe三结太阳电池398

12.5.4 微晶硅太阳电池402

12.5.5 Micromorph以及其他微晶硅基多结电池402

12.6 组件制造403

12.6.1 不锈钢衬底上的连续卷对卷制造403

12.6.2 玻璃衬底上的a-Si组件生产405

12.6.3 制造成本、安全性及其他405

12.6.4 组件性能406

12.7 结论和将来的方向406

12.7.1 a-Si光伏的现状和竞争力406

12.7.2 进一步提升的关键问题和潜力407

12.8 致谢408

参考文献408

第13章 Cu(InGa)Se2太阳电池414

13.1 引言414

13.2 材料性质416

13.2.1 结构和成分417

13.2.2 光学性质419

13.2.3 电学性质419

13.2.4 表面和晶界420

13.2.5 衬底的影响421

13.3 沉积方法422

13.3.1 衬底422

13.3.2 背接触422

13.3.3 共蒸发制备Cu(InGa)Se2423

13.3.4 两步工艺424

13.3.5 其他沉积方法426

13.4 结和器件的形成426

13.4.1 化学浴法426

13.4.2 界面影响427

13.4.3 其他沉积方法428

13.4.4 其他可选缓冲层428

13.4.5 透明电极430

13.4.6 缓冲层431

13.4.7 器件完成431

13.5 电池运行432

13.5.1 光生电流432

13.5.2 复合434

13.5.3 Cu(InGa)Se2/CdS界面436

13.5.4 宽带隙和梯度带隙器件437

13.6 制造问题438

13.6.1 工艺和设备438

13.6.2 组件制备439

13.6.3 组件性能440

13.6.4 生产成本442

13.6.5 环境问题442

13.7 Cu(InGa)Se2的前景444

参考文献445

第14章 碲化镉太阳电池451

14.1 引言451

14.2 CdTe的性质和薄膜制备方法454

14.2.1 Cd和Te2蒸气的表面凝聚／反应459

14.2.2 Cd和Te离子在表面的电还原461

14.2.3 表面化学前驱物反应461

14.3 CdTe薄膜太阳电池462

14.3.1 窗口层463

14.3.2 CdTe吸收层和CdCl2处理463

14.3.3 CdS/CdTe的混合467

14.3.4 背电极471

14.3.5 太阳电池表征472

14.3.6 CdTe电池的现状综述477

14.4 CdTe组件477

14.5 CdTe基太阳电池的未来479

14.6 感谢482

参考文献482

第15章 染料敏化太阳电池488

15.1 染料敏化太阳电池（DSSC）简介488

15.1.1 背景488

15.1.2 结构和材料489

15.1.3 机理493

15.1.4 电荷传输动力学497

15.1.5 特性499

15.2 DSSC电池制备（η＝8％）500

15.2.1 制备TiO2胶体500

15.2.2 制备TiO2电极501

15.2.3 染料在TiO2表面的固定501

15.2.4 氧化还原电解质502

15.2.5 对电极502

15.2.6 电池组装和电池性能502

15.3 新进展503

15.3.1 新的氧化物半导体薄膜光电极503

15.3.2 新染料光敏化剂504

15.3.3 新电解质508

15.3.4 准固态和固态DSSC电池508

15.4 商业化应用途径509

15.4.1 DSSC电池的稳定性509

15.4.2 组件的组装和商业化的其他主题512

15.5 总结和展望513

参考文献514

第16章 太阳电池和组件的测量和表征519

16.1 引言519

16.2 光伏性能的标定519

16.2.1 标准辐照度条件（SRC）519

16.2.2 峰值功率标定的其他方法533

16.2.3 基于能量的性能标定方法533

16.2.4 转换到标准条件下的方程536

16.3 电流与电压测量537

16.3.1 辐照度的测试537

16.3.2 基于模拟器的I-V测量：理论538

16.3.3 一级标准电池的标定方法539

16.3.4 在标准电池校准过程中的不确定估计541

16.3.5 标准电池校准相互比较程序542

16.3.6 多结太阳电池的测量543

16.3.7 电池和组件的I-V测试系统545

16.3.8 太阳模拟器549

16.4 光谱响应550

16.4.1 基于滤波片的系统551

16.4.2 基于光栅单色仪的光谱响应测试系统553

16.4.3 光谱响应的不确定性554

16.5 组件的标定和认证556

16.6 致谢557

参考文献558

第17章 光伏系统563

17.1 光伏系统及各种应用简述563

17.2 光伏发电系统的原理和应用564

17.2.1 小规模离网光伏系统和应用564

17.2.2 偏远地区的中、大型光伏系统569

17.2.3 分布式并网光伏系统579

17.2.4 集中并网光伏系统582

17.2.5 空间应用584

17.3 PV系统组件587

17.3.1 蓄电池587

17.3.2 电源控制器589

17.3.3 逆变器589

17.3.4 辅助发电机591

17.3.5 系统的规模591

17.3.6 日常节能应用593

17.4 光伏技术的未来展望594

17.4.1 光伏离网电站的未来发展594

17.4.2 并网光伏系统的未来发展595

参考文献596

第18章 光伏中的电化学储能598

18.1 引言598

18.2 电化学电池的一般概念599

18.2.1 电化学电池的基础599

18.2.2 有内外存储器的蓄电池604

18.2.3 常用的技术术语和定义605

18.2.4 容量和荷电状态的定义606

18.3 在光伏应用中蓄电池的典型工作条件607

18.3.1 能量分析的一个示例607

18.3.2 在光伏系统中蓄电池工作条件的分类609

18.4 带有内部贮存器的二次电化学电池611

18.4.1 概述611

18.4.2 NiCd电池613

18.4.3 金属氢化物Ni蓄电池614

18.4.4 可充电碱锰电池615

18.4.5 Li离子电池和Li-聚合物电池615

18.4.6 双层电容器617

18.4.7 铅酸蓄电池618

18.5 带有外存储器的二次电化学电池系统635

18.5.1 氧化还原液流电池636

18.5.2 氢／氧存储系统638

18.6 投资和寿命成本的考虑641

18.7 结论643

参考文献644

第19章 光伏发电系统的功率调节646

19.1 光伏发电系统中的充电控制器和蓄电池监测系统646

19.1.1 充电控制器647

19.1.2 长蓄电池串的充电均衡器656

19.2 逆变器658

19.2.1 光伏逆变器的普遍特征658

19.2.2 并网系统逆变器658

19.2.3 独立电站中的逆变器660

19.2.4 逆变器原理661

19.2.5 逆变器的电能质量670

19.2.6 电网中的主动质量控制672

19.2.7 并网逆变器的安全方面673

19.3 致谢675

参考文献675

第20章 光伏组件的能量收集和传递676

20.1 引言676

20.2 太阳和地球之间的运动677

20.3 太阳辐射成分681

20.4 太阳辐射数据和不确定性683

20.5 倾斜表面上的辐射686

20.5.1 给定总辐射，评估水平辐射的直接和漫辐射成分687

20.5.2 从日辐照量中估计每小时的辐照量690

20.5.3 已知地面水平面的上辐照分量，估计在任意方向表面上的辐照692

20.6 环境温度的日间变化696

20.7 入射角和灰尘的影响696

20.8 一些计算工具698

20.8.1 日辐射结果的产生698

20.8.2 参考年份698

20.8.3 遮光和轨道图700

20.9 最广泛研究的表面上的辐照量700

20.9.1 表面固定的情况703

20.9.2 跟踪太阳的表面704

20.9.3 聚光器706

20.10 实际工作条件下的PV电源行为706

20.10.1 所选定的方法707

20.10.2 二阶效应710

20.11 独立PV系统的规模和可靠性713

20.12 家用太阳能系统范例717

20.13 并网PV系统的能量产出719

20.14 结论720

20.15 致谢721

参考文献721

第21章 光伏系统的经济和环境分析724

21.1 背景724

21.2 经济分析725

21.2.1 关键概念725

21.2.2 通用方法731

21.2.3 案例研究734

21.3 能量回收和环境保护744

21.4 未来前景746

参考文献749

第22章 建筑中的光伏750

22.1 引言750

22.1.1 作为建筑师和工程师的挑战的光伏技术750

22.1.2 建筑集成的定义750

22.2 建筑学中的光伏752

22.2.1 光伏组件的建筑功能752

22.2.2 光伏技术作为“绿色设计”的一部分754

22.2.3 光伏系统被集成做屋顶天窗、幕墙和遮阳板755

22.2.4 集成良好的系统757

22.2.5 光伏系统在建筑中的一体化760

22.2.6 个案研究764

22.3 BIPV基础767

22.3.1 建筑的分类和类型767

22.3.2 电池和组件772

22.4 光伏设计的步骤774

22.4.1 城市朝向774

22.4.2 一体化的实用规则776

22.4.3 设计步骤776

22.4.4 设计过程：规划策略777

22.5 结论777

参考文献778

延深阅读780

第23章 光伏和发展781

23.1 电和人类发展的关系781

23.1.1 能源与早期的人类781

23.1.2 我们需要电781

23.1.3 1/3的人类仍处于黑暗之中782

23.1.4 中央电力系统782

23.1.5 乡村电气化782

23.1.6 乡村能源使用现状783

23.2 打破落后的束缚783

23.2.1 乡村的电力应用783

23.2.2 电力的基本来源784

23.3 光伏的替代性分析784

23.3.1 光伏系统在乡村地区的应用785

23.3.2 光伏推广的障碍787

23.3.3 技术障碍787

23.3.4 非技术问题789

23.3.5 人力资源培训792

23.4 四个乡村电气化实例793

23.4.1 阿根廷793

23.4.2 玻利维亚794

23.4.3 巴西795

23.4.4 墨西哥795

23.4.5 斯里兰卡796

23.4.6 撒哈拉的水泵系统798

23.5 乡村电气化新案例798

参考文献799

第24章 光伏发展需要的资助与资金802

24.1 光伏资金筹措的发展史802

24.2 资金需求803

24.2.1 市场驱动力803

24.2.2 发展展望804

24.2.3 资金需求804

24.3 光伏资金筹措的特点805

24.4 屋顶并网系统的资金筹措806

24.4.1 贷款期限对贷款成本的影响806

24.4.2 居民贷款类型807

24.4.3 放贷机构需注意的问题808

24.4.4 借贷方经验808

24.4.5 实例计算808

24.4.6 屋顶光伏系统资金筹措的改善方式809

24.5 在发展中国家乡村地区的光伏资金筹措809

24.5.1 乡村应用809

24.5.2 融资方式对市场需求的影响810

24.5.3 乡村地区光伏资金筹措实例811

24.6 国际资金来源812

24.6.1 国际援助和捐赠基金812

24.6.2 联合国813

24.6.3 世界银行太阳能户用系统项目813

24.6.4 国际金融公司（IFC）814

24.6.5 全球环境基金814

24.7 为光伏产业提供资金816

24.8 政府的鼓励措施和项目817

24.8.1 政府政策对光伏融资的潜在影响817

24.8.2 直接补贴（买断）818

24.8.3 软贷款（利息补贴）819

24.8.4 收入税抵扣和信贷819

24.9 资助政府研发820

24.9.1 美国的光伏研究项目820

24.9.2 日本的光伏项目820

24.9.3 欧洲光伏项目821

24.9.4 光伏研发项目的未来822

24.9.5 研发基金来源822

附录823

参考文献835