《太陽電池原理與設計》一書包括原理和設計兩部分：第一部分（1～3章）介紹了光電轉換的微觀機制和基本原理，覆蓋太陽輻射、半導體的光吸收、載流子的產生與復合、非平衡載流子的擴散與漂移、常見太陽電池的結構及器件特性描述等；第二部分（4～9章）以晶體硅、砷化鎵、非晶硅、碲化鎘、銅銦鎵硒以及鈣鈦礦等太陽電池為例，從材料的基本性質出發(fā)，分析它們的器件結構，并從減少光、電學損失的角度討論每種電池的設計和優(yōu)化原則。本書重在闡明太陽電池的能量損失機制，圍繞提高太陽電池效率的核心科學問題，分析不同類型太陽電池的器件特點及改進思路，使讀者具備設計高效太陽電池的能力。
本書可作為高等院校新能源材料與器件、新能源科學與工程、儲能科學與工程及相關專業(yè)的教材或教學參考書，也可作為光伏產業(yè)技術人員的參考書。
武莉莉，四川大學材料科學與工程學院，教授，于1998年、2001年、2006年分別獲得四川大學工學學士、理學碩士和工學博士。從2001年7月至今,在材料科學與工程學院任教，2011年破格獲得博士生導師資格，2014年聘為教授�，F(xiàn)為材料科學與工程學院工會主席，中國可再生能源學會光電專業(yè)委員會委員，四川省學術和技術帶頭人后備人選。
已連續(xù)為本科生和研究生分別講授《太陽電池原理與設計》三學年。
科研方面：從事薄膜太陽電池材料與器件的研究21年，作為項目負責人及核心成員參與了國家“十五”、“十一五”“十二五”863項目、973項目、四川省重點研發(fā)等項目近30項，經費累計超過9000萬元。2002~2018年多次創(chuàng)造了碲化鎘薄膜太陽電池的國內較*高效率，并開發(fā)出碲化鎘薄膜太陽電池產業(yè)化技術，建成了我國第#一條具有完全自主知識產權的薄膜太陽電池中試生產線；使用該成果與無錫尚德太陽能電力有限公司開展橫向合作，建成了2兆瓦碲化鎘太陽電池生產線。2015年以來開展了鈣鈦礦薄膜太陽電池的研究，開發(fā)了高效率組件制備技術，25cm2的組件效率達18.8%，為同尺寸組件的國際較*高紀錄。獲得中國高�？萍歼M步二等獎1次（2002年），完成教育部鑒定成果1項。發(fā)表論文65篇，SCI收錄29篇，單篇他引次數61次，獲得授權中國發(fā)明專利12項，出版專著1本。
第1章 太陽輻射與太陽電池
1.1太陽光的屬性 1
1.1.1波粒二象性 1
1.1.2光子能量 1
1.1.3光子通量 2
1.1.4光譜輻照度 3
1.1.5輻射功率密度 3
1.2黑體輻射 3
1.3太陽輻射 5
1.3.1太陽 5
1.3.2太空中的太陽輻射 6
1.3.3地球上的太陽輻射 7
1.3.4大氣質量 8
1.3.5標準光譜 9
1.4太陽能的轉換方式 11
1.5太陽電池概述 12
1.6電能 13
思考題與習題 14
參考文獻 14
第2章 光電轉換物理基礎
2.1半導體宏觀光學性質和光學常數 16
2.1.1折射率和吸收系數 16
2.1.2反射系數和透射系數 18
2.2半導體的光吸收 19
2.2.1本征光吸收 19
2.2.2其他光吸收過程 23
2.3非平衡載流子 25
2.3.1非平衡載流子的注入 25
2.3.2非平衡載流子壽命、準費米能級 26
2.3.3非平衡載流子復合 28
2.4載流子輸運 34
2.4.1載流子擴散運動 34
2.4.2載流子漂移擴散，愛因斯坦關系式 37
2.4.3連續(xù)性方程式及應用 40
思考題與習題 44
參考文獻 44
第3章太陽電池的基本原理和特性
3.1光生伏打效應 45
3.1.1功函數和親和勢 45
3.1.2內建靜電場與有效力場 46
3.1.3一般情況下Voc的表達式 48
3.2半導體界面及其類型 50
3.2.1半導體-真空界面 50
3.2.2半導體-半導體同質結 51
3.2.3半導體-半導體異質結 51
3.2.4半導體-金屬界面 53
3.2.5半導體-絕緣體界面 53
3.2.6金屬-絕緣體-半導體和半導體-絕緣體-半導體界面 54
3.3用于太陽電池的半導體界面組態(tài) 55
3.3.1光生伏打效應的界面結構 55
3.3.2歐姆接觸 55
3.3.3選擇性歐姆接觸 57
3.4精細平衡原理 57
3.4.1黑暗狀態(tài) 58
3.4.2光照狀態(tài) 59
3.5電流 60
3.5.1光生電流 61
3.5.2暗電流 61
3.6太陽電池的特性 63
3.6.1伏安特性曲線 63
3.6.2短路電流 64
3.6.3光生電壓 66
3.6.4填充因子和轉換效率 68
3.6.5量子效率和光譜響應 69
3.7影響太陽電池性能的因素 72
3.7.1寄生電阻 72
3.7.2溫度的影響 73
3.7.3光強的影響 74
3.8理論轉換效率極限 76
3.9太陽電池的設計原則 77
3.10疊層太陽電池 78
3.10.1疊層太陽電池原理 79
3.10.2疊層太陽電池結構 79
3.10.3兩端疊層太陽電池的性能與設計 80
3.11小結 81
思考題與習題 82
參考文獻 82
第4章 晶體硅太陽電池
4.1單晶硅材料的性質 84
4.1.1基本性質 84
4.1.2光吸收特性 84
4.1.3摻雜特性 85
4.1.4載流子復合特性 86
4.1.5載流子輸運特性 89
4.2晶體硅太陽電池的早期結構演變 90
4.2.1早期硅太陽電池 90
4.2.2背面場 91
4.2.3紫電池 91
4.2.4黑硅電池 92
4.3晶體硅太陽電池的效率損失及提高策略 93
4.3.1效率損失機制 93
4.3.2減反射技術 94
4.3.3陷光技術 96
4.3.4電極優(yōu)化 98
4.3.5摻雜工藝優(yōu)化 101
4.3.6鈍化技術 106
4.4高效電池結構 112
4.4.1高效電池的設計思想 112
4.4.2PERC、PERL和PERT太陽電池 112
4.4.3硅異質結太陽電池 113
4.4.4TOPCon太陽電池 114
4.4.5刻槽埋柵太陽電池 115
4.4.6背接觸背結太陽電池 115
4.4.7硅球太陽電池 116
4.4.8多種高效技術結合的太陽電池 116
思考題與習題 117
參考文獻 117
第5章 砷化鎵太陽電池
5.1砷化鎵材料的性質 119
5.1.1砷化鎵的晶體結構 119
5.1.2砷化鎵的能帶結構 120
5.1.3砷化鎵作為太陽電池材料的優(yōu)缺點 120
5.1.4砷化鎵薄膜材料的制備 121
5.2砷化鎵太陽電池的設計和優(yōu)化 123
5.2.1砷化鎵太陽電池的發(fā)展 123
5.2.2砷化鎵太陽電池類型 123
5.2.3單結砷化鎵太陽電池的設計與優(yōu)化 127
5.2.4多結砷化鎵太陽電池的設計與優(yōu)化 129
5.3聚光太陽電池與空間太陽電池原理與設計 132
5.3.1聚光太陽電池 132
5.3.2聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)組件 132
5.3.3聚光太陽電池設計 135
5.3.4空間太陽電池 136
5.4砷化鎵太陽電池的發(fā)展趨勢 138
思考題與習題 139
參考文獻 139
第6章 非晶硅太陽電池
6.1非晶硅材料結構與電子態(tài) 141
6.1.1非晶硅材料結構 141
6.1.2非晶硅材料的電子態(tài) 141
6.2非晶硅材料的光學特性 143
6.2.1非晶硅材料的光吸收 143
6.2.2非晶硅材料的光譜響應 144
6.2.3非晶硅材料的紅外吸收及拉曼光譜 144
6.2.4光致衰減效應 146
6.3非晶硅材料的電學特性 147
6.3.1本征非晶硅材料的電學特性 147
6.3.2非晶硅的摻雜特性 148
6.3.3非晶硅的光電導 149
6.4非晶硅太陽電池設計和優(yōu)化 150
6.4.1非晶硅電池特點 150
6.4.2非晶硅電池結構設計 151
6.4.3制備工藝設計優(yōu)化 153
6.5非晶硅疊層太陽電池 154
6.5.1非晶硅疊層電池概述 154
6.5.2a-Si：H雙結疊層太陽電池 154
6.5.3a-Si：H三結疊層太陽電池 156
6.6非晶硅太陽電池的發(fā)展趨勢 157
思考題與習題 157
參考文獻 157
第7章 碲化鎘太陽電池和銅銦鎵硒太陽電池
7.1引言 159
7.1.1電池結構 159
7.1.2發(fā)展歷史 159
7.2多晶半導體材料 160
7.2.1晶界 161
7.2.2晶界對載流子輸運的影響 162
7.2.3晶界的耗盡層近似 163
7.2.4多數載流子的輸運 166
7.2.5光照的影響 168
7.2.6少數載流子的輸運 169
7.2.7晶界效應 170
7.3多晶異質結薄膜太陽電池的設計原則 170
7.3.1吸收層禁帶寬度 174
7.3.2能級排列 175
7.3.3窗口層摻雜 176
7.3.4費米能級釘扎 177
7.3.5吸收層摻雜 177
7.3.6吸收層厚度 178
7.3.7晶界 179
7.3.8背接觸勢壘 179
7.3.9緩沖層厚度 179
7.3.10前表面梯度帶隙 180
7.3.11背表面梯度帶隙 180
7.4碲化鎘的性質 180
7.4.1碲化鎘的物理性質 180
7.4.2碲化鎘的電學性質 181
7.5碲化鎘太陽電池的設計 182
7.5.1窗口層設計 183
7.5.2窗口層 吸收層界面 184
7.5.3吸收層摻雜及設計優(yōu)化 185
7.5.4背接觸優(yōu)化 186
7.6銅銦鎵硒的性質 187
7.6.1CIGS的結構特性 187
7.6.2CIGS的電學特性 189
7.6.3CIGS的光學性質及制備方法 191
7.7銅銦鎵硒太陽電池的設計 191
7.7.1銅銦鎵硒太陽電池基本結構 191
7.7.2窗口層及界面 194
7.7.3吸收層摻雜 194
7.7.4吸收層帶隙梯度 195
思考題與習題 197
參考文獻 197
第8章 鈣鈦礦太陽電池
8.1鈣鈦礦太陽電池材料 201
8.1.1鈣鈦礦材料的結構和性質 201
8.1.2電子傳輸層 203
8.1.3介孔骨架材料 207
8.1.4空穴傳輸層材料 209
8.1.5電極材料 212
8.2鈣鈦礦太陽電池器件結構、工作原理及設計優(yōu)化 214
8.2.1鈣鈦礦太陽電池器件結構 214
8.2.2鈣鈦礦太陽電池工作原理 215
8.2.3鈣鈦礦太陽電池結構設計及性能優(yōu)化 216
8.3鈣鈦礦基疊層太陽電池 221
8.3.1鈣鈦礦 Si疊層太陽電池 223
8.3.2鈣鈦礦 CIGS疊層太陽電池 227
8.3.3全鈣鈦礦疊層太陽電池 229
8.4鈣鈦礦基太陽電池的穩(wěn)定性 233
8.4.1本征穩(wěn)定性 233
8.4.2封裝器件的穩(wěn)定性 237
思考題與習題 238
參考文獻 238
第9章 新概念太陽電池
9.1引言 248
9.2中間帶太陽電池 248
9.2.1中間帶太陽電池的基本概念 248
9.2.2量子點中間帶電池 251
9.2.3體材料的中間帶與電池 254
9.2.4薄膜中間帶材料 256
9.3碰撞電離太陽電池 257
9.3.1基本概念 257
9.3.2碰撞電離太陽電池效率 258
9.3.3量子點中多激子產生 259
9.4熱載流子太陽電池 261
9.4.1光生載流子熱弛豫過程 262
9.4.2熱載流子太陽電池的理論效率極限 263
9.5熱光電及熱光子轉換器 263
9.5.1熱光伏電池 263
9.5.2熱光子轉換器 266
思考題與習題 267
參考文獻 267
書單推薦
