新兴微纳电子技术丛书：半导体光伏器件 [Semiconductor Photovoltaic Cells] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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张春福，张进成，马晓华，冯倩 著

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• 半导体光伏
• 光伏器件
• 太阳能
• 微纳电子
• 新能源
• 材料科学
• 电子工程
• 半导体物理
• 光电转换
• 可再生能源

出版社： 西安电子科技大学出版社

ISBN：9787560635378

版次：1

商品编码：11681502

包装：平装

丛书名： 新兴微纳电子技术丛书

外文名称：Semiconductor Photovoltaic Cells

开本：16开

出版时间：2015-04-01

用纸：胶版纸

页数：369

字数：476000

正文

内容简介

　　随着对能源需求的不断增加以及对生存环境的不断重视，人们逐渐将目光转向储量极其丰富而又清洁无污染的太阳能，半导体光伏器件因而越来越为人们所重视。《新兴微纳电子技术丛书：半导体光伏器件》讲述了半导体光伏器件的基本工作原理，论述了主流的硅基、Ⅲ—Ⅴ族化合物以及传统薄膜太阳能电池，介绍了新近迅速发展的染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池，最后对跨越现有极限、获得高效太阳能电池的一些新思路、新方法做了总结。
　　《新兴微纳电子技术丛书：半导体光伏器件》可作为半导体专业高年级本科生以及研究生的教材，对从事半导体光伏太阳能器件研究的科研人员和工程师也有重要的参考价值，材料、能源、信息等领域的科技人员以及对半导体光伏器件感兴趣的其他相关人员也可从《新兴微纳电子技术丛书：半导体光伏器件》中学到相关知识。

作者简介

　　张春福，新加坡国立大学博士、博士后.2010年回国任西安电子科技大学副教授。主持或参与国家自然科学基金、重大专项、973、总装预研、归国人员基金等项目十余项，参与出版外文专著2部，在国际主流期刊及会议发表论文50余篇。主要研究方向为有机及钙钛矿光伏器件、Ⅲ族氮化物材料与器件、IV族锗锡材料与器件等。

内页插图

目录

第1章 太阳能与太阳能电池
1.1 能源消耗与太阳能
1.2 光伏效应及应用
1.3 太阳能电池的发展
1.4 太阳能电池的特性
1.4.1 光电流与量子效率
1.4.2 开路电压
1.4.3 光电转换效率
1.4.4 串联电阻
1.4.5 非理想的二极管特性
1.5 太阳能电池的应用
本章参考文献

第二章 太阳能电池基础
2.1 光子与太阳能光谱
2.1.1 黑体辐射
2.1.2 太阳能光谱及大气质量
2.2 太阳能电池器件原理
2.2.1 半导体材料的基本属性
2.2.2 载流子的产生、复合与输运
2.2.3 半导体结
2.3 太阳能电池的效率上限
2.3.1 细致平衡原理
2.3.2 太阳能电池的最高效率
本章参考文献

第三章 晶体硅太阳能电池
3.1 硅制造工艺
3.1.1 硅材料
3.1.2 太阳能级硅材料
3.1.3 单晶硅的制造
3.1.4 多晶硅的制造
3.1.5 国内太阳能级硅现状
3.2 晶体硅太阳能电池原理及基本结构
3.2.1 晶体硅太阳能电池的原理
3.2.2 晶体硅太阳能电池的基本结构
3.3 晶体硅太阳能电池电特性及限制因素
3.3.1 晶体硅太阳能电池的电特性
3.3.2 晶体硅太阳能电池效率限制因素
3.4 工业生产中的晶体硅太阳能电池结构与制备流程
3.4.1 工业晶体硅太阳能电池结构
3.4.2 工业化基本制作流程
3.5 工艺详解及改进
3.5.1 丝网印刷
3.5.2 薄晶圆工艺
3.5.3 表面钝化工艺
3.5.4 选择性发射极技术
3.5.5 快速加热技术
3.6 制造多晶硅太阳能电池的一些特殊方法
3.6.1 多晶硅太阳能电池的除杂
3.6.2 氢钝化工艺
3.6.3 光捕获工艺
3.7 高效晶体硅太阳能电池技术和结构
3.7.1 带状硅技术
3.7.2 高效低阻硅太阳能电池
3.7.3 钝化发射极和背面结构电池
3.7.4 发射极钝化及背部局部扩散结构电池
3.7.5 刻槽埋栅技术
3.7.6 倾斜蒸镀金属接触式太阳能电池
3.7.7 金属穿孔卷绕技术
3.7.8 插指状背电极结构电池
3.7.9 热载流子太阳能电池
3.7.10 背高效表面反射太阳能电池
3.7.11 异质结结构电池
3.8 晶体硅太阳能电池展望
本章参考文献

第四章 高效的Ⅲ-Ⅴ族单结及多结太阳能电池
4.1 Ⅲ-Ⅴ族半导体材料
4.1.1 Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的命名
4.1.2 Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的性质
4.2 Ⅲ-Ⅴ族半导体太阳能电池的应用
4.2.1 空间应用
4.2.2 陆地能源应用
4.3 Ⅲ-Ⅴ族单结及多结太阳能电池基础
4.3.1 直接带隙与间接带隙
4.3.2 单结及多结太阳能电池效率的原理限制
4.3.3 光谱分离
4.3.4 器件结构
4.4 GaInP／GaAs／Ge多结电池发展及存在问题
4.4.1 GaInP太阳能电池
4.4.2 GaAs太阳能电池
4.4.3 Ge太阳能电池
4.4.4 隧道结
4.5 高效多结太阳能电池的发展
4.5.1 高效多结太阳能电池存在的问题
4.5.2 高效多结太阳能电池的发展
本章参考文献

第五章 非晶硅基薄膜太阳能电池
5.1 非晶硅基太阳能电池介绍
5.2 非晶硅材料的特性
5.2.1 非晶硅材料的研究和发展现状
5.2.2 原子结构
5.2.3 非晶硅材料的电子态
5.2.4 非晶硅的掺杂和电学特性
5.2.5 非晶硅合金的带宽调整
5.2.6 非晶硅基薄膜材料的光学性质
5.3 非晶硅薄膜的制备技术和非晶硅电池的产业化
5.3.1 常见的a-si薄膜制备技术
5.3.2 非晶硅薄膜生长过程中的反应动力学
5.3.3 等离子增强化学气相沉积
5.3.4 热丝化学气相沉积
5.3.5 微晶硅沉积技术
5.3.6 硅基薄膜材料的优化
5.3.7 非晶硅太阳能电池生产流程及产业化
5.4 非晶硅太阳能电池常见结构及其工作原理
5.4.1 单结非晶硅薄膜太阳能电池的结构及工作原理
5.4.2 多结非晶硅薄膜太阳能电池的结构及工作原理
5.5 非晶硅太阳能电池的发展过程和未来展望
5.5.1 非晶硅太阳能电池的发展过程
5.5.2 未来展望与挑战
本章参考文献

第六章 Cu（InGa）Se2太阳能电池
6.1 材料特性
6.1.1 材料结构及组分
6.1.2 光学性质
6.1.3 电学性质
6.1.4 表面、晶界及衬底
6.2 器件性质
6.2.1 光电流的产生
6.2.2 复合
6.2.3 Cu（InGa）Se2／CdS界面特性
6.2.4 渐变带宽器件
6.3 Cu（InGa）Se2太阳能电池器件的制造
6.3.1 材料的沉积技术
6.3.2 结与器件的形成
6.4 Cu（InGa）Se2太阳能电池的发展
6.4.1 CIGS太阳能电池的发展过程
6.4.2 发展中的挑战
6.4.3 发展前景预测
本章参考文献

第七章 CdTe太阳能电池
7.1 引言
7.2 材料属性
7.3 CdTe太阳能电池的结构及工艺实现
7.3.1 衬底
7.3.2 前电极
7.3.3 窗口层
7.3.4 吸收层
7.3.5 背接触
7.4 CdS／CdTe结特性
7.5 CdTe太阳能电池器件特性
7.6 CdTe太阳能电池的发展前景
本章参考文献

第八章 染料敏化太阳能电池
8.1 引言
8.2 DSSC器件结构
8.2.1 导电基底材料
8.2.2 纳米多孔半导体薄膜
8.2.3 染料光敏化剂
8.2.4 电解质
8.2.5 对电极
8.3 DSSC器件的工作原理
8.4 器件的制造工艺
8.4.1 二氧化钛纳米晶薄膜电极的制备
8.4.2 染料在TiO2纳米薄膜中的填充
8.4.3 电解液的制备
8.4.4 对电极的制备
8.5 DSSC器件的进展
8.5.1 工作电极
8.5.2 电解质
8.5.3 染料敏化剂
8.5.4 对电极
8.6 展望
本章参考文献

第九章 有机太阳能电池
9.1 有机半导体的特点
9.2 有机半导体光伏器件材料
9.2.1 电子给体材料
9.2.2 电子受体材料
9.2.3 缓冲层界面材料
9.2.4 代替ITO的一些新型材料
9.3 有机太阳能电池的基本结构
9.3.1 单层有机太阳能电池
9.3.2 双层异质结有机太阳能电池
9.3.3 体异质结有机太阳能电池
9.3.4 有机太阳能电池的常规结构及反转结构
9.4 有机太阳能电池的工作原理
9.4.1 光子的吸收
9.4.2 激子的产生
9.4.3 激子扩散
9.4.4 激子的分离
9.4.5 电荷传输
9.4.6 电极的收集
9.5 有机太阳能电池的宏观电学特性
9.5.1 开路电压
9.5.2 短路电流和填充因子
9.6 有机叠层太阳能电池
9.6.1 有机叠层电池机理
9.6.2 有机叠层电池结构介绍
9.6.3 叠层结构中的中间连接层工程
9.7 有机太阳能电池衰退机理
9.7.1 器件的化学衰退
9.7.2 物理及机械衰退机理
9.7.3 器件的封装
9.8 有机太阳能电池的制造工艺
9.9 有机太阳能电池的发展
本章参考文献

第十章 高效半导体光伏器件概述
10.1 太阳能电池的效率
10.2 太阳能电池效率的极限
10.2.1 太阳能电池效率的热力学极限
10.2.2 太阳能电池效率的细致平衡原理极限
10.3 含有多带隙吸光结构的电池
10.3.1 叠层太阳能电池
10.3.2 中间带隙及多带隙太阳能电池
10.4 热载流子太阳能电池
10.5 碰撞电离太阳能电池
10.6 总结
本章参考文献

前言/序言

新兴微纳电子技术丛书：半导体光伏器件 深度解析与前沿探索 《半导体光伏器件》作为“新兴微纳电子技术丛书”的重要一环，并非仅仅罗列已知技术与原理，而是致力于为读者提供一个全面、深入且具备前瞻性的视角，理解当前半导体光伏器件的现状、挑战与未来发展脉络。本书旨在成为半导体光伏领域研究人员、工程师、高校学生以及对新能源技术抱有浓厚兴趣的读者，不可或缺的参考与学习资源。 本书内容编排严谨，从基础理论的夯实出发，逐步过渡到器件结构与制备工艺的精细化讲解，再深入探讨性能优化与关键挑战，最终触及下一代光伏技术的无限可能。我们力求在每一个环节都做到内容翔实、逻辑清晰，避免流于表面。 第一部分：半导体光伏器件的物理基石 在深入探讨器件之前，扎实的理论基础是理解一切的前提。本部分将系统梳理半导体光伏器件工作的核心物理原理。我们不会停留在教科书式的概念介绍，而是会深入剖析光电转换的微观机制。 晶体结构与能带理论：详细阐述不同半导体材料（如硅、III-V族化合物、窄带隙半导体、有机半导体等）的晶体结构特点，及其对能带结构的影响。我们将重点解读价带、导带、禁带宽度、电子-空穴对的产生与复合等关键概念，并结合第一性原理计算的思想，说明如何从原子尺度理解材料的电学和光学性质。 光吸收与载流子产生：深入分析光子与半导体材料的相互作用。我们将详细介绍光生载流子的产生效率、吸收光谱、表面和体复合机制，并讨论如何通过材料改性、掺杂调控、等离子体增强等手段来提升光吸收效率。 载流子输运与分离：阐述光生载流子在器件内部的输运过程，包括扩散、漂移。重点讲解PN结、肖特基结、异质结等核心结型结构如何实现载流子的有效分离，以及内建电场在其中扮演的关键角色。此外，还会深入讨论表面缺陷、晶界、杂质等对载流子输运和复合的影响。 光伏效应的基本方程：从电流-电压（J-V）特性曲线入手，详细推导并分析开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）、填充因子（FF）和能量转换效率（η）等关键性能参数的物理意义和影响因素。我们将探讨理想情况下的性能极限，并分析实际器件中各种损耗机制。 第二部分：主流半导体光伏器件的结构与工艺 理解了基本原理，接下来我们将聚焦于当下主流及具有重要应用价值的半导体光伏器件，对其结构设计、材料选择和制备工艺进行详尽的剖析。 晶体硅光伏器件：作为目前市场的主导力量，本书将深度还原晶体硅光伏器件的发展历程和核心技术。 单晶硅与多晶硅：对比分析两种材料在结晶质量、载流子寿命、光电性能和成本上的差异。 P型与N型硅衬底：深入讲解掺杂方式及其对载流子类型和电学特性的影响。 PN结的形成与调控：详细介绍扩散、离子注入等工艺过程，以及如何通过栅极氧化、钝化层等手段来优化PN结特性。 钝化技术：重点讲解表面钝化的重要性，包括Al2O3、SiNx、SiO2等钝化层的制备及其在抑制表面复合方面的作用。 金属接触与互连：分析栅线设计、金属化工艺（如丝网印刷、PVD），及其对导电性能和光利用率的影响。 PERC、TOPCon、HJT等先进结构：逐一剖析这些叠层或背接触技术的原理、结构特点、制备难点以及相较于传统结构的性能提升机制。例如，PERC中的钝化接触，TOPCon中的隧穿氧化层和多晶硅层，HJT中的非晶硅层和透明导电氧化物（TCO）层。 薄膜光伏器件：针对资源节约、柔性化、低成本等优势，本书将详细介绍各类薄膜光伏技术。 非晶硅（a-Si:H）：分析其结构缺陷如何影响性能，以及光致衰退（Staebler-Wronski Effect）等问题。 碲化镉（CdTe）：详细介绍其低成本、高效率的优势，以及CdTe/CdS异质结的形成机理和后处理（如CdCl2处理）的重要性。 铜铟镓硒（CIGS）：深入探讨其组分调控、吸收层制备（如共蒸发、溅射）、缓冲层（如ZnS、CdS）的作用，以及硒化处理对器件性能的影响。 有机光伏器件（OPV）：介绍给体-受体材料的设计、本体异质结（BHJ）的形成、形貌控制、界面工程在提升器件性能中的作用。 钙钛矿光伏器件：作为当前研究热点，我们将深入分析钙钛矿材料的结晶动力学、缺陷钝化、相稳定性，以及界面工程、空穴/电子传输层的选择和优化，并讨论铅的毒性问题和无铅钙钛矿的研究进展。 第三部分：性能优化、挑战与先进技术 在掌握了主流器件的原理与工艺后，本书将进一步探讨如何突破性能瓶颈，应对技术挑战，以及展望未来的发展方向。 光管理技术： 抗反射涂层（ARC）：讲解单层、多层ARC的原理，以及纳米结构（如纳米压印、自组装）在实现宽带、大角度减反射方面的应用。 表面纹理化：分析金字塔结构、随机纹理等如何通过光线散射和陷光效应来提升光吸收。 等离子体共振增强：探讨金属纳米颗粒如何通过局域表面等离子体共振（LSPR）来增强特定波长下的光吸收。 载流子复合的抑制与管理： 缺陷态的表征与控制：深入介绍DLTS（深层瞬态谱）、PL（光致发光）、EL（电致发光）等表征技术，以及如何通过退火、化学处理、钝化层等手段来降低缺陷密度。 表面和界面工程：讨论ALD（原子层沉积）等技术在制备超薄、致密钝化层和界面层中的应用。 器件可靠性与耐久性： 光致衰退、热致衰退、湿热老化、光照老化等失效机制的分析。 封装技术：介绍EVA、PVB、玻璃-玻璃封装等技术，以及水汽阻隔、紫外线防护的重要性。 PID（电势诱导衰减）：分析其发生机理，以及抗PID材料和结构设计。 叠层光伏器件（Tandem Solar Cells）： 串联与并联结构：详细介绍不同叠层方式的原理和优势。 宽禁带与窄禁带材料的组合：以钙钛矿/硅叠层、III-V族叠层为例，分析其光谱匹配、电流匹配的优化策略，以及隧道结的重要性。 其他前沿与新兴技术： 量子点光伏器件（QDSC）：探讨量子尺寸效应、多激子产生（MEG）等特性，以及量子点材料的制备与稳定性。 染料敏化光伏器件（DSSC）：分析染料分子、氧化还原介质、TiO2纳米结构的作用。 微生物光伏电池（MPVC）：介绍生物电化学在光伏领域的应用潜力。 智能光伏与集成技术：包括自清洁、自供能传感器、光伏建筑一体化（BIPV）等。 《半导体光伏器件》将以严谨的科学态度、详实的案例分析、清晰的逻辑脉络，为读者呈现一场关于半导体光伏领域的深度探索之旅。我们力求将复杂的物理原理、精密的工艺流程、尖端的研发进展，以最易于理解和吸收的方式呈现给您，助力您在这个充满活力和无限可能的新兴领域取得突破。

评分☆☆☆☆☆

阅读这本书，让我对半导体光伏器件的理解提升到了一个新的高度。作者在书中对不同光伏技术路线的分析，提供了非常具有价值的参考。我尤其关注了书中关于“效率极限”的讨论，从肖克莱-奎瑟极限到多结太阳能电池的突破，作者清晰地阐述了理论上的瓶颈以及工程上的创新是如何不断推动效率边界的。书中对材料科学与器件物理的交叉融合也进行了深入的探讨，这让我意识到，要想实现高性能的光伏器件，必须在材料的制备、掺杂、界面工程等多个环节进行精细的控制。书中还对光伏器件的制造工艺进行了详细的介绍，从晶圆的生长到器件的封装，每一步都至关重要。对于我这样一个对光伏产业发展趋势感兴趣的读者来说，这本书提供了宝贵的洞察，让我能够更全面地认识这个产业的复杂性和技术深度。

评分☆☆☆☆☆

这本书为我打开了认识微纳电子技术新世界的大门，尤其是其中关于半导体光伏器件的部分，简直是为我量身打造的学习指南。作者的讲解风格非常独特，他善于将复杂的科学概念拆解成易于理解的组成部分，并且运用了大量实际的案例来佐证其理论。我特别喜欢书中关于“光生伏特效应”的讲解，从最基本的能带理论到量子力学的应用，作者层层剥茧，循序渐进，让我在不知不觉中就掌握了光伏器件工作的核心原理。书中还提到了许多前沿的光伏技术，例如量子点太阳能电池和有机太阳能电池，这些新兴技术的发展前景让我的眼前一亮，也让我对太阳能的应用前景有了更广阔的想象。整体而言，这本书的知识密度很高，但作者的叙述方式却非常人性化，即使是初学者也能在阅读中找到乐趣，并且获得实实在在的收获。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我留下了深刻的印象，虽然我不是半导体领域的专业人士，但书中清晰的逻辑和详实的案例讲解，让我对这个看似高深的技术领域有了全新的认识。从物理原理的阐述，到材料选择的考量，再到器件结构的优化，作者都进行了层层递进的剖析，让人能一步步跟随其思路，理解光伏转换的奥秘。我尤其欣赏书中对不同类型半导体材料的比较分析，比如晶硅、薄膜以及新兴的钙钛矿，每一类材料的优缺点、适用场景以及未来发展趋势都描绘得十分到位。对于非专业读者而言，书中避免了过于晦涩的术语，而是通过形象的比喻和生动的图示来辅助理解，这使得阅读过程变得轻松愉快。在阅读过程中，我脑海中不断浮现出太阳能电池板在屋顶上闪耀的画面，想象着那些微小的半导体器件是如何将光能转化为电能的，这是一种非常奇妙的体验。书中关于效率提升和成本降低的探讨，也让我看到了这个行业巨大的潜力和发展空间，让我对清洁能源的未来充满了期待。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格既专业又充满启发性，让我对半导体光伏器件产生了浓厚的兴趣。作者在书中对光伏器件的性能评估指标，如转换效率、填充因子、开路电压和短路电流等，进行了非常细致的解释，并提供了相应的计算方法。这对于想要进行器件设计或性能分析的读者来说，无疑是极大的帮助。书中对不同器件结构的优劣势的比较，也让我对如何选择最适合特定应用的半导体光伏器件有了更清晰的认识。例如，在讨论晶硅太阳能电池时，作者详细介绍了单晶硅和多晶硅的差异，以及它们在成本和效率上的权衡。此外，书中对未来光伏技术的发展方向，如柔性光伏、透明光伏以及集成化光伏的展望，也让我感受到了这个领域的无限可能。这本书不仅是知识的宝库，更是一次思想的启迪。

评分☆☆☆☆☆

这本关于半导体光伏器件的书籍，无疑是为那些渴望深入了解能源转型核心技术的读者量身定制的。书中对光伏技术的发展历程进行了细致的回顾，从早期简单的原理验证，到如今高性能、低成本的工业化生产，每一步的演进都充满了创新与挑战。作者不仅仅罗列了技术参数，更重要的是，他深入探讨了驱动这些进步背后的科学原理和工程难题。例如，在讨论载流子输运机制时，书中引用了大量的实验数据和理论模型，让读者能够直观地理解电子和空穴如何在半导体材料中“跳跃”和“流动”，最终实现电能的产生。此外，书中对各种光伏器件的失效机理和可靠性分析也进行了深入的阐述，这对于任何希望设计、制造或应用光伏产品的人来说都至关重要。阅读过程中，我感受到了一种知识的厚重感，仿佛每一次翻页都能触碰到半导体光伏领域最前沿的脉搏，让我对这个充满活力的学科充满了敬意。