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纳米光伏技术

作译者：吕辉,官成钢,谭保华

出版时间：2014-02 千字数：430 版次：01-01 页数：280

开本：16(185*260) 装帧： I S B N ：9787121224416

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目录

第1章光伏的物理基础、应用及技术介绍　　1
1.1光伏介绍　　　1
1.2太阳能电池市场　　　7
1.2.1居民和商业建筑屋顶　　　8
1.2.2建筑光伏一体化　　9
1.2.3地面集中式光伏发电系统　　10
1.2.4聚光光伏　　　10
1.2.5空间太阳能　　　11
1.2.6消费电子领域　　11
1.3光伏系统　　12
1.4太阳能电池技术　　13
1.4.1硅基电池　　13
1.4.2薄膜电池　　14
1.4.3第三代太阳能电池技术　　17
1.4.4纳米结构概念　　　19
1.5小结　　　21
参考文献　　　21
第2章纳米结构的光学性质　　28
2.1绪论　　　28
2.2背景　　　　29
2.2.1斯涅耳定律和光子动量　　29
2.2.2极化率、介电常数和折射率　　29
2.3朗伯散射　　32
2.4周期性光子结构　　33
2.5增透膜的纳米结构　　36
2.6单粒子的散射　　37
2.7吸收和光致发光　　38
2.8小结　　39
参考文献　　　39
第3章纳米级的光伏结构的物理机制　　42
3.1绪论　　42
3.1.1设备结构　　43
3.1.2有关材料的讨论　　48
3.2追求最佳量子结构：光学性质VS电子性质　　49
3.2.1量子限制的参数　　49
3.2.2超晶格特性：量子限制函数之一　　51
3.3中间能带（IB）吸收　　56
3.3.1工作原理　　56
3.3.2中间能带的能级位置　　58
3.3.3局部和非局部中间能带态密度(DOS）　　60
3.4热载流子吸收器和热载流子太阳能电池　　61
3.4.1热载流子冷却动力学　　61
3.4.2热载流子太阳能电池(HC-SC)的工作原理　　66
3.4.3热载流子吸收体材料　　68
3.4.4声子限制的超晶格（SL）方法　　70
3.4.5热载流子太阳能电池纳米点概念　　74
3.5触点　　75
3.5.1中间带（IB）太阳能电池的触点　　75
3.5.2串联电池互连　　76
3.5.3能量选择性触点与QS-SL触点　　　78
3.6小结　　　80
参考文献　　　82
第4章有机纳米太阳能电池　　87
4.1绪论　　87
4.2背景　　87
4.3有机太阳能电池的工作原理　　88
4.3.1光吸收和电荷生成　　88
4.3.2激子扩散和分离　　89
4.3.3电极上电荷载体的运输和收集　　89
4.4挑战　　89
4.4.1低光吸收率　　89
4.4.2生成有限光电流　　90
4.4.3低电荷转移率　　90
4.4.4其他挑战　　90
4.5器件结构　　90
4.5.1染料敏化太阳能电池　　90
4.5.2聚合物器件　　93
4.6聚合物器件的纳米材料　　99
4.6.1纳米材料类型　　99
4.6.2共轭聚合物　　100
4.7纳米结构　　104
4.8小结　　104
4.9前景　　105
参考文献　　105
第5章量子阱太阳能电池的最新进展　　114
5.1绪论　　114
5.2应力平衡太阳能电池和块材太阳能电池　　114
5.3电池电流大小决定光复合率的大小　　117
5.4光子循环下的暗电流的减少和VOC的提高　　119
5.5深阱应力平衡量子阱电池和串联的量子阱电池　　124
5.6小结　　127
参考文献　　127
第6章纳米线和纳米管太阳能电池　　130
6.1绪论　　130
6.2背景　　130
6.2.1纳米线和纳米管的合成　　130
6.2.2纳米线和纳米管的应用　　138
6.3目前的发展状况　　138
6.3.1纳米线太阳能电池　　138
6.3.2碳纳米管太阳能电池　　145
6.3.3纳米线和纳米管透明导电层　　146
6.4基本的科学和技术挑战　　146
6.5小结　　147
6.6展望　　147
参考文献　　148
第7章半导体纳米线：接触和电子性质　　155
7.1绪论　　155
7.2纳米线的具体接触电阻：测量和模型　　157
7.3金属纳米线接触中肖特基势垒的作用　　159
7.4纳米线掺杂：降低接触电阻　　164
7.5小结　　167
参考文献　　169
第8章量子点太阳能电池　　172
8.1绪论　　172
8.2量子点太阳能电池的类型　　174
8.2.1掺杂和中间能带太阳能电池　　175
8.2.2利用QD的光谱调谐　　179
8.2.3热载流子太阳能电池　　181
8.3量子点的生长　　182
8.3.1外延生长量子点　　183
8.3.2应变平衡　　187
8.4量子点太阳能电池的性能特征　　190
8.5小结　　196
参考文献　　197
第9章发光太阳能聚光器　　201
9.1绪论　　201
9.1.1层叠式LSC　　202
9.1.2反射镜和连接电池数量　　202
9.1.3薄膜LSC　　　　203
9.1.4其他几何形状　　　204
9.2发光物质　　204
9.2.1捕获光线　　　204
9.2.2掺杂纳米棒的LSC　　　205
9.2.3多种染料　　　206
9.2.4稀土材料　　　207
9.3模拟近似　　　207
9.3.1LSC的光线追踪模型　　208
9.3.2LSC的热力学模型　　　208
9.3.3直接和散射辐射　　　208
9.4损耗　　　210
9.4.1理想的QD-LSC和顶面逃逸锥损失　　　210
9.4.2分布布拉格反射器　　　211
9.4.3梳状过滤器　　　212
9.4.4胆甾醇涂层　　　212
9.4.5对齐的染料　　212
9.4.6主要损耗　　　212
9.5薄膜LSC的光线追踪模型　　　212
9.5.1样例　　　213
9.5.2实验测量　　　213
9.5.3光线跟踪仿真　　　214
9.6胆甾醇涂层的热力学模型　　　214
9.6.1测试涂层　　　214
9.7小结　　　216
参考文献　　　216
第10章太阳光谱转换的纳米颗粒　　　219
10.1绪论　　219
10.2背景　　219
10.2.1传统太阳能电池　　219
10.2.2下转换　　220
10.2.3下转移　　222
10.2.4上转换　　224
10.3状态的艺术　　226
10.3.1建模　　226
10.3.2实验性　　229
10.4讨论　　235
10.5小结　　237
10.6未来前景　　238
参考文献　　239
第11章纳米等离子体在光伏发电中的应用　　246
11.1绪论　　246
11.2等离子体场定位和前向散射效应　　246
11.2.1等离子体场定位和振幅加强　　246
11.3在薄膜波导结构中的纳米粒子散射效应　　256
11.3.1绝缘硅片设备结构的应用　　256
11.3.2量子阱太阳能电池器件结构的应用　　258
11.4小结　　262
参考文献　　262
后记　　纳米结构光伏设备的制作工艺　　265

译者序

近年来，全世界对温室效应、能源安全、化石燃料过度消耗等问题越来越关注。在这一背景下，可再生能源研究得到了各国政府的大力支持和科学界的广泛关注。太阳能归属于绿色能源，由于其来源丰富而备受关注。
法国物理学家爱德蒙·贝克勒尔1839年最先提出了光伏技术的概念，其最常见的形式是利用来自太阳的光。1954年，贝尔实验室的研究人员研发出了第一个硅半导体太阳能电池，此后，光伏技术进入了快速发展阶段。近60年来，人们详细了解了光伏材料及设备的物理、材料科学、光学、化学知识，以及运用它们的方法。
同时，在过去10~20年里，科学界和工程界也一直在努力，试图将物质的结构控制在小于100nm的尺度以得到不同的物理、化学、生物学特性。这是一个介观尺度，这个尺度比常规的物质小，但比原子尺寸稍大，这个领域被总称为纳米科学或纳米技术。在今天，纳米技术的发展，不仅影响和促进了几乎所有科学和工程领域，而且也打破了传统各种科学和工程学科之间的分隔，纳米技术领域的研究和发展对许多学科产生了强烈的影响。
光伏技术和纳米技术的交汇点，即纳米光伏技术。本书全面地分类归纳和总结了纳米技术在太阳能电池中的各种应用，本书由浅到深逐步介绍了各种纳米结构在不同种类的太阳能电池中的作用，核心是希望通过这些纳米结构的微观和半导体特性进一步增加太阳能电池的转换效率，从而获得超过细致平衡理论所限制的转换效率。本书收集整理了大量的相关文献和案例，并对如何采用廉价的批量生产制造工艺来实现纳米结构太阳能电池做出了分析和展望，具有一定的理论和实际指导意义，适合该领域的相关专业人士参考。
本书内容广泛，涉及光学、光电子学、材料、物理、化学等诸多学科领域，但其作为一门基础教材，即使不具备光学专业的相关知识背景，也可以自成体系地进行学习。
本书由湖北工业大学吕辉副教授、谭保华副教授和武汉光迅科技股份有限公司官成钢高级工程师主持翻译，共同完成了本书的翻译、录入、校对等工作。本书的出版是集体智慧的结晶。中国科技大学刘文教授、湖北工业大学黄楚云教授、华中科技大学王双保副教授协助和指导了本书的翻译和校审工作，在此表示衷心的感谢！
译者在翻译的过程中，对原书存在的一些明显错误进行了修正，以便中文读者可以较好地理解和阅读本书。但是，限于译者的学识水平，书中难免存在不足之处，恳请读者给予批评指正。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　译者于武昌南湖2013年9月



　　　　　　　　　　　　前言

近年来，由于温室气体环境效应、能源安全以及不断增长的以矿物燃料为基础的能源费用受到广泛关注，可再生能源再度激发了人们极大的兴趣。太阳能由于极其丰富而备受关注。今天，大量的商业太阳能电池是基于结晶硅（Si）而生产的，尽管事实上生产费用相当昂贵。其他的光伏（PV）市场则是基于碲化镉薄膜，其次是铜铟/镓砷（CIGS）薄膜和非晶硅薄膜。这些薄膜可保证成本较低，尽管迄今为止模块的转换效率较低。硅不是太阳能转换理想的半导体材料，原因是其间接带隙不能有效地吸收光。然而，因为硅是地壳中含量第二的元素，是相对便宜的半导体材料，因此现在光伏产业所采用的材料仍是硅。硅光伏也得益于电子行业对硅技术的大量开发。上述讨论突出了光伏领域所面临的三个关键问题：
（1）与其他能源相比，如何提高太阳能电池组件的效率来增加竞争力？
（2）如何降低太阳能电池组件的成本，使其成为发电主力？
（3）在光伏器件和相关制造工艺中，如何实现这两个目标，从而打破高效又高成本的传统模式？
这些问题引出另一个问题，即本书的主题：纳米技术能否解决上述三个问题。如果可以，如何解决？薄膜光伏有助于降低太阳能的生产成本，人们很清楚必须要改革方法。
本书的重点是纳米在光伏中的应用，面向对光伏感兴趣的社会各界，包括在该领域的科学家和工程师，以及致力于光伏基础性研究的教授和研究生。本书针对的是具有半导体固体物理学基础知识以及光电器件物理学的读者。本书提及的其他外物理概念直接与材料尺寸限制在约100nm以下的现象有关。
本书旨在从实际角度出发，让读者了解到纳米光伏领域的前沿技术，同时提供足够的基础背景材料，并在适当的物理环境中放置了各种提高光伏性能的研究方法。尽管可以用来补充更多光伏的基础知识，但本书并不是为教科书而作。
在文献中可找到早期的开创性工作，就在最近，光伏纳米技术的应用引发了科学家们的强烈兴趣。因此，这本及时发行的书，大量撰写了光伏纳米应用的主要研究方向，并着重实际论证和讨论应用纳米结构所面临的技术挑战。乐观地，看本书出版后该领域的研究会有所进展，但是处理纳米结构的基础物理和特性的核心材料应该为读者提供这样的背景材料，即未来该领域的研究应采用的基本战略。
本书首先回顾光伏设备的应用，随后简要讨论了薄膜的性能要求。目前正在探索各种第三代高效率太阳能电池其中一些电池要求使用纳米量子结构。重点简述了先进的带结构概念，其效率在肖克利-奎塞尔单隙的极限效率31％以上。其中，包括使用了多带隙、中间带、上转换、下转换和载流子倍增等技术。
在详细讨论了光伏纳米材料的基本光学特性之后，说明了纳米光电子器件的相关物理特性。
本书搜集了各种光伏纳米结构应用的最新文献，分为以下几类：
（1）纳米复合材料和纳米材料（重点是纳米有机电池）；
（2）量子阱；
（3）纳米线和纳米管；
（4）纳米颗粒和量子点。
对于最后一类，本书描述了量子点太阳能电池以及利用纳米粒子和量子点通过光谱转换或等离子来提高传统太阳能电池性能的太阳能电池。也介绍了纳米粒子发冷光太阳能聚光器的最新进展。每章都简要回顾了纳米结构历史发展、光伏的主要应用和主要合成方法；接着概述了特定纳米结构的太阳能电池的前沿研究，以及已完成的相关光伏参数的基本测量。讨论了每种纳米结构方法潜在的优势及其存在的技术挑战，着重强调未来可能的研究方向。本书总结了多种纳米应用到光伏中的主要加工方法和面临的挑战，特别提到了未来的规模和纳米制造工艺（后记）。
　　我非常感谢GE全球研发中心的同事们对这项工作的支持，特别是GTrant, DrDMerfeld, DrMLBlohm, DRJLeBlanc, DrTFletcher, EButterfield, BNorman, MIdelchik, DrCLavan, MBeck, DrSRawal, JLikar, PRosecrans, and DrC Korman。同时也要感谢在纳米光伏中，那些和我一起共事的工程师和科学家们，包括DrBAKorevaar, JBalch, JFronheiser, DrOSulima, DrJRand, RWortman, DrR Rodrigues, DrURapol, and DrJDMichael。特别要感谢MsLuna Han的支持和筹备此项工作的泰勒＆弗朗西斯工作人员。我还要感谢本书各章节的作者，他们提供了将纳米材料和技术应用到光伏的最新进展和现存的挑战。最后，向我的妻子和孩子表达最深切的谢意，感谢他们在筹备和编辑稿件中的耐心和支持。

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