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本书重点介绍光伏器件的工作原理及特性参数、各类电池的材料、结构与制备技术，力图从材料学的角度解析各类太阳能电池的材料-结构-性能之间的关系。全书共分7章，第1章介绍太阳电池的发展史及发展方向。第2章介绍半导体及p-n结相关基础知识，太阳能电池相关基础知识。第3～7章分别介绍了晶体硅太阳电池、Ⅲ-Ⅴ族化合物电池、非晶硅薄膜电池、铜铟硒薄膜太阳电池、染料敏化电池与有机电池的原理、器件结构及性能。

本书可作为新能源材料与器件、光电材料、功能材料等相关专业本科生、研究生专业基础课教材，也可作为太阳能电池、硅材料等光伏行业生产企业技术指导参考书。

第1章 绪论

1.1太阳与太阳能1

1.1.1太阳是地球和大气的能量源泉1

1.1.2太阳常数和大气质量1

1.1.3太阳光谱分布3

1.1.4太阳辐射能量的影响因素4

1.2光伏发电历史与现状6

1.2.1光伏发展过程的里程碑6

1.2.2光伏发展历史的启示——寻找新材料，开发新技术，开拓新领域7

思考题及习题11

第2章 光伏原理基础

2.1半导体基础12

2.1.1半导体中电子态与能带结构12

2.1.2半导体中的杂质与缺陷20

2.1.3平衡态载流子分布22

2.1.4半导体光吸收25

2.1.5非平衡载流子的产生与复合28

2.1.6载流子输运性质33

2.2半导体p-n结基础36

2.2.1热平衡的p-n结36

2.2.2p-n结伏安特性39

2.2.3异质结43

2.3太阳电池基础46

2.3.1光生伏特效应46

2.3.2太阳电池电流-电压特性分析46

2.3.3太阳电池性能表征49

2.3.4量子效率谱51

2.3.5太阳电池效率分析52

2.3.6太阳电池效率损失分析56

2.3.7p-i-n结电池57

思考题及习题58

第3章 晶体硅电池

3.1晶体硅太阳电池59

3.1.1早期的硅太阳电池59

3.1.2传统的空间电池60

3.1.3紫电池61

3.1.4黑体电池62

3.1.5表面钝化64

3.1.6PERL电池设计67

3.2高效晶体硅电池69

3.2.1丝网印刷电池69

3.2.2掩埋栅太阳电池71

3.2.3高效背面点接触电极电池72

3.2.4异质结电池74

3.2.5Pluto电池77

思考题及习题79

第4章 高效Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池

4.1Ⅲ-Ⅴ族化合物材料及太阳电池的特点80

4.2Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池的制备方法82

4.2.1液相外延技术82

4.2.2金属有机化学气相沉积技术83

4.2.3分子束外延技术84

4.3Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池85

4.3.1GaAs基系单结太阳电池85

4.3.2GaAs基系多结叠层太阳电池87

4.3.3Ⅲ-Ⅴ族聚光太阳电池93

4.3.4薄膜型Ⅲ-Ⅴ族太阳电池94

4.4Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池的研究热点95

4.4.1更多结(三结以上)叠层电池的研究95

4.4.2Ⅲ-Ⅴ族量子阱、量子点太阳电池97

4.4.3热光伏电池99

4.4.4分光谱太阳电池99

4.4.5其他类型新概念太阳电池100

思考题及习题100

第5章 硅基薄膜太阳电池

5.1硅基薄膜物理基础及其材料特性101

5.1.1硅基薄膜材料的研究历史和发展现状101

5.1.2非晶硅基薄膜材料的结构和电子态102

5.1.3非晶硅基薄膜材料的电学特性105

5.1.4非晶硅基薄膜材料的光学特性107

5.1.5非晶硅基薄膜材料的光致变化109

5.2非晶硅基薄膜材料制备方法和沉积动力学111

5.2.1非晶硅基薄膜材料制备方法111

5.2.2硅基薄膜材料制备过程中的反应动力学116

5.2.3氢稀释的作用以及对薄膜硅材料微结构的影响118

5.3硅基薄膜太阳电池122

5.3.1单结硅基薄膜太阳电池122

5.3.2多结硅基薄膜太阳电池125

5.4硅基薄膜太阳电池的产业化130

5.4.1非晶硅基薄膜太阳电池的优势130

5.4.2硅基薄膜太阳电池所面临的挑战130

5.4.3硅基薄膜太阳电池的发展方向130

思考题及习题131

第6章 铜铟镓硒薄膜太阳电池

6.1CIGS薄膜太阳电池发展史132

6.2CIGS薄膜太阳电池吸收层材料135

6.2.1CIGS薄膜材料135

6.2.2CIGS薄膜的制备方法142

6.3CIGS薄膜太阳电池148

6.3.1CIGS薄膜太阳电池的异质结特性148

6.3.2CIGS薄膜电池的结构151

6.3.3CIGS薄膜太阳电池的器件性能155

6.4柔性衬底CIGS薄膜太阳电池165

6.4.1柔性衬底CIGS薄膜太阳电池的性能特点165

6.4.2柔性金属衬底CIGS太阳电池166

6.4.3聚合物衬底CIGS薄膜电池167

6.4.4CIGS柔性光伏组件168

6.5CIGS薄膜太阳电池的发展动向168

6.5.1无Cd缓冲层168

6.5.2其他Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物半导体材料170

6.5.3叠层电池171

思考题及习题171

第7章 染料敏化太阳电池

7.1染料敏化太阳电池基础172

7.1.1染料敏化太阳电池的发展历史172

7.1.2染料敏化太阳电池的工作原理173

7.1.3染料敏化太阳电池的结构和组成175

7.2染料敏化太阳电池及材料176

7.2.1衬底材料176

7.2.2纳米半导体材料177

7.2.3染料光敏化剂181

7.2.4电解质186

7.2.5对电极190

7.3有机聚合物太阳电池191

7.3.1有机聚合物太阳电池的发展191

7.3.2器件结构和工作原理192

7.3.3给体光伏材料194

7.3.4受体材料196

7.4染料敏化太阳电池性能198

7.4.1电化学性能198

7.4.2光伏性能202

7.5染料敏化太阳电池未来的发展207

无

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前言

相对其他绿色能源而言，太阳能电池的发明到现在仅有半个多世纪，但无论是太阳能电池的新材料、新技术及新工艺的研究，还是太阳能电池的产业化规模，都受到了前所未有的重视和获得高速的发展。光伏产业是新兴的高科技产业，它对人才的需求相比传统产业显得更加迫切。为满足这种对人才的强烈需求，经过近几年的发展，光伏行业所需的专业研究人才（研究生层次）和产业工人（高职层次）都得到了蓬勃发展，但是，作为研究人员的后备人才以及产业技术升级技术人才的本科层次的人才培养相对滞后。

新能源材料与器件专业是*2011年批准的战略性新兴产业相关专业之一。专业设置主要依托能源科学、材料科学、化学等多个学科，培养能掌握新能源材料专业基本理论、基本知识和工程技术技能，掌握新能源材料组成、结构、性能的测试技术与分析方法，了解新能源材料科学的发展方向，具备开发新能源材料、研究新工艺、提高和改善材料性能的基本能力的新能源材料专门人才。为满足这种本科层次人才培养需求，我们组织编写了这本《光伏材料学》教材。

本书重点介绍光伏器件的工作原理及特性参数、各类电池的材料、结构与制备技术，力图从材料学的角度解析各类太阳能电池的材料-结构-性能之间的关系。通过本课程的学习，使学生获得较广泛的光伏电池材料基础知识，初步掌握各种太阳能电池的工作原理、性能参数及其影响因素，能够进行材料的研究，改进传统材料和研制新材料。

全书共分7章，第1章绪论介绍了太阳电池的发展史及发展方向。第2章光伏原理基础介绍半导体及p-n结相关基础知识，太阳能电池相关基础知识。第3～7章分别介绍了晶体硅太阳电池、Ⅲ-Ⅴ族化合物电池、非晶硅薄膜电池、铜铟硒薄膜太阳电池、染料敏化电池与有机电池的原理、器件结构及性能。本书由常启兵、王艳香任主编，第1～2章、第4～6章由常启兵编写，第3章由陈云霞和曾涛编写，第7章由王艳香和杨志胜编写。

编者力图将光伏电池的材料和工艺的相关知识进行平衡，使本书既不同于太阳能电池的专著，又不同于太阳能电池的技术手册，能够满足本科层次人才的培养需求。本书编写中参考借鉴了熊绍珍、朱美芳主编的《太阳能电池基础与应用》，对此，编者表示衷心感谢。因编者的水平有限、时间仓促，书中难免有不当之处，衷心希望能够得到广大读者和同行批评、指正，以利于后续改进。

编者

2013年3月