实用光伏手册：原理与应用（下）（原著第2版） [Practical Handbook of Photovoltaics Fundamentals and Application(Second Edition)] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[瑞士] Augustin McEvoy，Tom Markvart，Luis Castaner 著

图书标签:

• 光伏
• 太阳能
• 可再生能源
• 能源
• 电力
• 半导体
• 光电转换
• 工程技术
• 应用
• 手册

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030357915

版次：1

商品编码：11170610

包装：平装

丛书名： 新能源技术应用系列

外文名称：Practical Handbook of Photovoltaics Fundamentals and Application(Second Edition)

开本：16开

出版时间：2013-01-

内容简介

　　《实用光伏手册：原理与应用（下）（原著第2版）》涵盖了太阳电池功能的原则、原材料、光伏发电系统、标准、校准、测试、经济学等方面的内容。本书分为4个部分。第1部分介绍了太阳电池、结晶硅太阳电池、薄膜技术、空间和聚光电池、有机染料敏化太阳电池，第2部分介绍了光伏系统、系统组件的平衡、并网系统、空间和聚光系统，第3部分介绍了一些研究案例，最后介绍了光伏产业带来的环境和健康问题。

目录

第2版序言
第1版序言
编者
引论
Part Ⅰ A：太阳电池
Part Ⅰ B：晶硅太阳电池
Part Ⅰ C：薄膜技术
Part Ⅰ D：空间太阳电池和聚光电池
Part Ⅰ E：染料敏化和有机太阳电池
Part Ⅱ A：光伏系统
Part Ⅱ B：系统平衡构件
Part Ⅱ C：光伏并网系统
Part Ⅱ D：空间和聚光系统
Part Ⅱ E：案例研究
Part Ⅲ 测试，监控和校准
Part Ⅳ 环境和健康
附录
索引

前言/序言

太阳能电池板的诞生：从硅晶片到电力的奇迹 本书将带您深入探索，追溯太阳能电池板的每一个制造环节，揭示从最基础的原材料提炼，到最终闪耀着发电潜力的成品，这其中蕴含的复杂工艺与尖端技术。我们将一同见证，一块看似平凡的硅晶片，如何通过一系列精密的物理和化学过程，最终成为捕捉阳光、转化电能的“绿色心脏”。 第一章：硅的旅程——纯净的基石 一切的起点，是那得天独厚的元素——硅。在自然界中，硅元素以二氧化硅（SiO2）的形式广泛存在于沙子和石英中。然而，要制造出高性能的太阳能电池，我们需要的远非普通的沙粒。本书将详细介绍从天然矿石中提取高纯度硅的严苛过程。 提纯之旅： 工业级硅的生产，往往始于电弧炉中将二氧化硅与碳还原。这个过程虽然能获得相对纯净的硅，但离制造半导体器件的要求仍有差距。因此，我们将重点关注进一步的化学提纯方法，例如西门子法（Siemens process）。这是一种利用三氯氢硅（SiHCl3）气体作为载体的化学气相沉积技术。纯度极高的三氯氢硅在高温下分解，在加热的硅棒上沉积出多晶硅。这个过程需要精确控制温度、压力和反应物浓度，以最大程度地去除金属杂质、硼、磷等其他可能影响半导体性能的元素。 单晶还是多晶？ 提纯后的硅，将根据最终电池的类型，被塑造成单晶硅或多晶硅。单晶硅，顾名思义，其原子排列高度有序，形成一个连续的晶体结构。通过柴可拉斯基法（Czochralski process），熔化的硅被缓慢地从坩埚中提出，在旋转的同时向上生长，形成一个圆柱状的单晶硅棒。这种晶体结构纯净，载流子迁移率高，能量转换效率也相对更高。本书将深入剖析柴可拉斯基法中的温度梯度控制、晶体生长速度、拉晶和旋转速率等关键参数，以及它们如何影响最终单晶硅棒的质量。 而多晶硅，则是由多个尺寸不一的晶粒组成，晶粒之间存在晶界。它通常通过定向凝固法（Directional Solidification）制备，将熔化的硅倒入方形模具中，然后从底部向上缓慢冷却，使硅从一侧开始结晶，逐渐形成多个晶粒。多晶硅的制备工艺相对简单，成本也较低，尽管其载流子迁移率受晶界影响稍有降低，但其稳定性和性价比使其在市场上占据重要地位。我们将对比单晶和多晶硅的微观结构差异，以及这些差异如何转化为宏观的性能表现。 第二章：晶圆的诞生——精密的切割与抛光 从硅棒到能够承载电子的“心脏”，还需要经过一系列精密加工。 切割的艺术： 无论是单晶硅棒还是多晶硅锭，都需要被切割成薄而均匀的硅片，也就是我们常说的“晶圆”。本书将详细介绍线锯切割（Wire Sawing）技术。这种技术使用浸满金刚石磨料的钢丝，在高速往复运动中同时切割多根硅棒，从而实现高效、高精度且材料损耗小的切割。我们会探讨金刚石颗粒的粒径、钢丝的速度、张力以及冷却液的选择，这些因素共同决定了晶圆的厚度、表面粗糙度和尺寸精度。 平整如镜： 切割后的晶圆表面会存在微小的划痕和不平整。为了确保后续工艺的顺利进行以及电池的优异性能，晶圆表面需要经过精密的研磨和抛光。本书将介绍化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing, CMP）技术。这是一种结合了化学腐蚀和机械研磨的双重作用的工艺。通过使用含有纳米级研磨颗粒和化学活性剂的抛光液，在旋转的晶圆和抛光垫之间进行协同作用，能够高效地去除表面缺陷，获得达到原子级平整度的镜面。我们将深入探讨抛光液的配方，例如氧化硅、二氧化铈等研磨剂，以及过氧化氢、氨水等化学助剂的作用，以及抛光压力、转速等参数的优化。 第三章：光伏转换的奥秘——P-N结的形成 太阳能电池的核心在于其独特的光电转换机制，而这一机制的实现，离不开P-N结的构建。 掺杂的魔法： 硅是一种半导体材料，其导电性介于导体和绝缘体之间。要使其具备光电转换能力，就需要对其进行掺杂，即引入微量的杂质元素，改变其本征导电特性。本书将详细讲解两种主要的掺杂方式：P型掺杂和N型掺杂。 N型掺杂： 在硅晶体中引入具有比硅原子价电子数更多的杂质原子，例如磷（P）或砷（As），这些杂质原子会提供额外的自由电子，使得材料呈现出N型导电特性（负电荷载流子占主导）。 P型掺杂： 在硅晶体中引入具有比硅原子价电子数更少的杂质原子，例如硼（B）或镓（Ga），这些杂质原子会形成“空穴”（缺失电子的位置），使得材料呈现出P型导电特性（正电荷载流子占主导）。 P-N结的诞生： 当一块P型半导体材料与一块N型半导体材料紧密接触时，在它们的界面处就会形成一个P-N结。由于N型区域的自由电子和P型区域的空穴会相互扩散，在界面区域会形成一个耗尽区，这里几乎没有自由载流子。这个耗尽区会产生一个内建电场，阻止载流子进一步扩散，并为光生载流子的分离提供动力。本书将深入剖析P-N结的形成过程，包括扩散、复合以及空间电荷区的形成，并阐述其在光伏效应中的关键作用。我们将详细讲解用于实现掺杂的工艺，如扩散炉（Diffusion Furnace）或离子注入（Ion Implantation）。扩散炉通过高温将掺杂气体引入硅片表面，杂质原子渗透到硅晶格中；离子注入则利用加速器将掺杂离子直接轰击到硅片表面，具有更高的掺杂精度和深度控制能力。 第四章：捕捉阳光的“翅膀”——电极与钝化层 要将P-N结产生的电能有效地导出并加以利用，还需要为太阳能电池“安装”好收集电荷的“翅膀”——电极，以及保护电池免受外界干扰的“外衣”——钝化层。 金属电极的绘制： 太阳能电池的正面和背面都需要覆盖金属电极，以收集产生的电子和空穴。本书将重点介绍丝网印刷（Screen Printing）技术。通过特制的丝网模板，将导电浆料（通常包含银、铝等金属粉末和粘合剂）精确地印刷在晶圆表面。正面电极的设计需要考虑光线透过率，因此通常采用细密的栅线结构，以尽量减少对入射光的遮挡，同时保证良好的导电性。背面电极则通常覆盖整个表面，以提供稳定的导电通路。我们将探讨浆料的配方、印刷网版的精度、印刷压力和速度等参数如何影响电极的厚度、宽度、连续性以及与硅片的接触电阻。 减反射的保护： 为了最大限度地吸收太阳光，减少光的反射，太阳能电池的表面会覆盖一层减反射涂层。本书将介绍化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）技术，尤其是等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术，用于制备氮化硅（SiNx）减反射层。氮化硅层具有适中的折射率，能够有效降低光在空气和硅之间的反射。我们将深入探讨PECVD工艺中的气体配方（如SiH4、NH3）、等离子体功率、基板温度和工艺压力等参数，这些参数的精确控制能够影响氮化硅层的厚度、折射率和表面形貌，从而优化电池的光吸收性能。 表面钝化的艺术： 硅的表面存在大量的悬挂键和缺陷，这些缺陷会成为载流子的“陷阱”，导致载流子的复合，降低电池的效率。为了减少这些表面复合，需要在硅表面形成一层钝化层，例如氧化硅（SiO2）或氮化硅（SiNx）。本书将详细介绍这些钝化层的制备工艺，以及它们如何有效地降低表面态密度，提高载流子的寿命，从而提升电池的整体性能。 第五章：组件的组合——从单片到阵列 单个太阳能电池的输出功率相对有限，要满足实际应用的需求，就需要将许多电池串联和并联起来，形成功能强大的太阳能电池组件（Module）。 串联与并联： 本书将详细介绍电池片的焊接工艺。通常采用汇流条（Busbar）和指状电极（Finger）的连接方式。多片电池通过汇流条和指状电极相互连接，形成串联电路，以提高输出电压。然后，多串电池又通过母线（Interconnects）并联起来，以提高输出电流。我们将探讨焊接材料的选择（如含锡焊料）、焊接温度和时间控制，以及焊接过程中可能出现的缺陷（如虚焊、冷焊），这些都直接影响组件的电气性能和可靠性。 封装的保护： 太阳能电池组件需要在各种复杂的户外环境中长期稳定运行，因此必须进行有效的封装。本书将深入介绍组件的典型封装结构，包括： 玻璃层： 通常采用高透光率的钢化玻璃，提供结构支撑并保护电池免受机械损伤和雨水侵蚀。 EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）封装膜： EVA膜具有优良的透光性、粘结性和耐候性，能够将电池片、玻璃和背板牢固地粘合在一起，并起到缓冲作用。 背板： 通常采用耐候性优良的聚合物材料，如PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）或PVF（聚偏氟乙烯），起到绝缘、防潮和保护电池片的作用。 铝边框： 提供结构强度，便于安装和固定。 本书将详细阐述EVA层与电池片、玻璃和背板之间的层压工艺，包括真空层压机的工作原理、温度曲线控制、层压时间和压力设置，以及这些参数如何影响封装的均匀性、气泡的去除以及组件的长期可靠性。 第六章：性能的检验——品质的保证 每一片电池片、每一个组件在最终交付使用之前，都需要经过严格的质量检测，以确保其性能符合设计要求。 光学显微镜下的审视： 在制造的各个环节，都会使用光学显微镜来检查晶圆的表面缺陷、电极的印刷质量、焊接的完整性等。 电学性能的评估： 太阳能电池的性能主要通过其I-V特性曲线来表征。本书将详细介绍在标准测试条件（STC）下，使用太阳模拟器（Solar Simulator）进行I-V曲线测试的方法。我们将重点讲解光电流（Iph）、短路电流（Isc）、开路电压（Voc）、填充因子（FF）和最大功率点（Pmax）等关键参数的含义，以及它们如何反映电池的效率和性能。 可靠性与耐久性测试： 为了评估太阳能电池在长期使用中的表现，还需要进行一系列可靠性测试，例如： 湿热循环测试（Damp Heat Test）： 模拟在高温高湿环境下的长期暴露，检测组件的密封性能和材料的老化情况。 冷热循环测试（Thermal Cycling Test）： 模拟温度在低温和高温之间的快速变化，检测组件的焊接点和材料的机械应力。 紫外线照射测试（UV Exposure Test）： 模拟长期紫外线照射对材料的影响。 盐雾腐蚀测试（Salt Mist Corrosion Test）： 模拟沿海地区或受到盐雾影响地区的使用环境。 我们将详细阐述这些测试的标准、方法和判定依据，以及它们在确保太阳能电池组件长期可靠运行中的重要性。 通过对以上各个环节的深入剖析，本书旨在为您构建一幅全面而细致的太阳能电池板制造图景，让您理解从最原始的材料到高效能源转化器件的每一个精密步骤。

评分☆☆☆☆☆

评价一： 这本书给我带来的最大冲击，绝非书中详尽的公式推导或者对各种组件特性的细致剖析，而是它成功地将一个曾经遥不可及的“高科技”领域，拉近到了我触手可及的距离。我并非是专业的光伏工程师，甚至在拿到这本书之前，我对“光伏”的理解还停留在屋顶上那些黑色的板子能发电这个层面。然而，当我翻开这本书，特别是“应用”这部分的内容时，我被彻底吸引住了。它没有回避技术细节，但更重要的是，它将这些技术细节与我们日常生活中的具体场景紧密联系起来。从小型离网系统如何为偏远地区的家庭带来光明，到大型地面电站如何改变区域能源结构，再到光伏技术如何融入建筑设计，成为可持续建筑的重要组成部分，这些案例的呈现让我深刻地体会到了光伏技术的实际价值和无限可能。书中对不同应用场景下，技术选择、系统设计、经济性分析的深入探讨，仿佛为我打开了一扇扇了解这个行业不同侧面的窗户。我开始理解，为什么在某些地方，光伏发电的成本会如此之低；为什么在另一些地方，光伏的应用会遇到独特的挑战。这本书让我不再仅仅是旁观者，而是有了一定的“理解能力”，能够开始思考和判断，看到光伏技术在解决能源问题、应对气候变化方面的巨大潜力，并且感受到它正在悄然改变着我们的世界。

评分☆☆☆☆☆

评价二： 不得不说，这本书的设计实在是太有“分量”了。从拿在手里的质感，到翻开后的沉甸甸的知识感，都预示着这是一本值得认真对待的读物。尽管我不是直接从事光伏研发工作的，但我一直对能源技术的前沿进展抱有浓厚的兴趣，尤其是那些能够对社会产生深远影响的技术。这本书之所以吸引我，在于它对“原理”的阐述，并非只是枯燥的物理定律罗列，而是以一种循序渐进、逻辑清晰的方式，逐步揭示了光伏转换的奥秘。从半导体的基础知识，到PN结的形成，再到光生伏特效应的产生机制，作者用扎实的学识和精炼的语言，将复杂的概念化繁为简，让我这个非专业人士也能领略到其中的智慧。更重要的是，书中对不同类型太阳能电池的性能、效率、成本以及发展趋势的介绍，让我对这个技术领域有了更宏观的认识。比如，对于晶硅电池的成熟与普及，薄膜电池的灵活性与应用前景，以及近年来备受关注的新型光伏技术，作者都进行了客观且深入的分析。这种既有深度又不失广度的介绍，为我提供了一个理解光伏技术演进路径的良好框架，也让我对未来光伏技术的创新方向有了初步的判断，受益匪浅。

评分☆☆☆☆☆

评价三： 作为一个对新兴技术应用领域抱有好奇心的人，我一直试图寻找能够让我快速进入一个全新领域的“敲门砖”。而这本《实用光伏手册》恰恰扮演了这样的角色。我特别喜欢书中那种“学以致用”的导向，它并没有把我困在象牙塔般的理论海洋里，而是不断地将我拉回到现实世界，思考技术如何落地，如何创造价值。在阅读“应用”部分时，我惊叹于光伏技术在不同领域的多元化渗透。从家庭分布式发电的普及，到工商业的能源转型，再到智慧能源管理系统的构建，书中都提供了详实的案例和可借鉴的思路。我尤其关注到书中关于光伏与其他能源形式（如储能、电动汽车）协同发展的讨论，这让我意识到，光伏的未来绝不仅仅是独立发电，而是与整个能源生态系统融为一体，共同构建一个更加清洁、高效、智能的能源未来。此外，书中对系统设计、并网要求、运维管理等实用性问题的探讨，也为我了解光伏项目从规划到运营的整个生命周期提供了重要的参考。这种“大局观”与“细节并重”的风格，让我对光伏产业的复杂性和系统性有了更深刻的认识。

评分☆☆☆☆☆

评价四： 当我怀着一种“试试看”的心态翻开这本书时，并没有预料到它能够如此全面而系统地概括光伏领域的方方面面。虽然我对其中的一些高深理论还在消化中，但通过阅读，我开始清晰地勾勒出光伏技术从基础原理到实际应用的完整图景。书中在“原理”部分对太阳能电池材料、结构、光电转换过程的讲解，逻辑严谨，层次分明，即使是一些我不太熟悉的物理概念，也能通过作者的解释和图示，逐渐建立起理解。而当进入“应用”部分，这本书的实用价值才真正显现出来。它并没有止步于介绍几种典型的应用模式，而是深入分析了不同应用场景下的技术选型、系统配置、成本效益以及市场前景。我特别欣赏书中对于不同国家和地区光伏政策、市场发展情况的介绍，这让我看到了光伏产业在全球范围内的发展差异和驱动因素。例如，书中对一些发达国家在发展分布式光伏、推动能源革命方面的经验分享，以及一些发展中国家在利用光伏解决能源贫困问题上的实践，都给我留下了深刻的印象。这本书不仅仅是一本技术手册，更是一扇观察全球能源转型趋势的窗口。

评分☆☆☆☆☆

评价五： 这本书给我最大的启发，在于它打破了我对技术书籍“生硬”、“枯燥”的刻板印象。虽然它是一本“手册”，但其内容远不止于简单的操作指南，而是充满了对光伏技术发展脉络的梳理和未来趋势的展望。在“原理”的阐述上，作者并没有仅仅停留在概念的介绍，而是深入探讨了不同材料、不同结构的太阳能电池在性能上的差异，以及它们所面临的挑战和机遇。这让我意识到，光伏技术并非是一个停滞不前的领域，而是在不断地创新和突破中演进。而当翻到“应用”部分，我更是被其中丰富多样的案例所吸引。从最基础的离网供电系统，到复杂的智能电网集成，再到光伏技术在交通、农业、通信等领域的跨界应用，都得到了细致的描绘。书中对于每个应用场景的分析，都兼顾了技术可行性、经济效益和社会影响，让我能够从更全面的角度去理解光伏技术的价值。特别是关于系统集成、安全可靠性以及长期运维方面的讨论，都显示出作者在实际应用层面的深入思考，为我这样的读者提供了宝贵的实践指导和理论支撑。这本书让我看到了光伏技术的广阔前景，也激发了我对这个领域的进一步探索的兴趣。