纳米光伏技术

内容简介

本书主要介绍了纳米光伏技术的应用和进展，包括有机纳米、量子阱、纳米线和纳米管、发冷光聚光以及纳米粒和量子点太阳能电池等，系统地讨论了纳米材料的光学特性、物理特征等。同时也讨论了提高光伏性能的方法和纳米光伏的制作工艺等。全书共11章，每一章分别从发展现状、工作原理、分类、制作工艺、技术优势和挑战的等方面对现有的光伏纳米技术进行阐述。

目录

第1章光伏的物理基础、应用及技术介绍　　
1.1光伏介绍　　　
1.2太阳能电池市场　　　
1.2.1居民和商业建筑屋顶　　　
1.2.2建筑光伏一体化　　
1.2.3地面集中式光伏发电系统　　
1.2.4聚光光伏　　　
1.2.5空间太阳能　　　
1.2.6消费电子领域　　
1.3光伏系统　　
1.4太阳能电池技术　　
1.4.1硅基电池　　
1.4.2薄膜电池　　
1.4.3第三代太阳能电池技术　　
1.4.4纳米结构概念　　　
1.5小结　　　
参考文献　　　
第2章纳米结构的光学性质　　
2.1绪论　　　
2.2背景　　　　
2.2.1斯涅耳定律和光子动量　　
2.2.2极化率、介电常数和折射率　　
2.3朗伯散射　　
2.4周期性光子结构　　
2.5增透膜的纳米结构　　
2.6单粒子的散射　　
2.7吸收和光致发光　　
2.8小结　　
参考文献　　　
第3章纳米级的光伏结构的物理机制　　
3.1绪论　　
3.1.1设备结构　　
3.1.2有关材料的讨论　　
3.2追求量子结构：光学性质VS电子性质　　
3.2.1量子限制的参数　　
3.2.2超晶格特性：量子限制函数之一　　
3.3中间能带（IB）吸收　　
3.3.1工作原理　　
3.3.2中间能带的能级位置　　
3.3.3局部和非局部中间能带态密度(DOS）　　
3.4热载流子吸收器和热载流子太阳能电池　　
3.4.1热载流子冷却动力学　　
3.4.2热载流子太阳能电池(HC-SC)的工作原理　　
3.4.3热载流子吸收体材料　　
3.4.4声子限制的超晶格（SL）方法　　
3.4.5热载流子太阳能电池纳米点概念　　
3.5触点　　
3.5.1中间带（IB）太阳能电池的触点　　
3.5.2串联电池互连　　
3.5.3能量选择性触点与QS-SL触点　　　
3.6小结　　　
参考文献　　　
第4章有机纳米太阳能电池　　
4.1绪论　　
4.2背景　　
4.3有机太阳能电池的工作原理　　
4.3.1光吸收和电荷生成　　
4.3.2激子扩散和分离　　
4.3.3电极上电荷载体的运输和收集　　
4.4挑战　　
4.4.1低光吸收率　　
4.4.2生成有限光电流　　
4.4.3低电荷转移率　　
4.4.4其他挑战　　
4.5器件结构　　
4.5.1染料敏化太阳能电池　　
4.5.2聚合物器件　　
4.6聚合物器件的纳米材料　　
4.6.1纳米材料类型　　
4.6.2共轭聚合物　　
4.7纳米结构　　
4.8小结　　
4.9前景　　
参考文献　　
第5章量子阱太阳能电池的进展　　
5.1绪论　　
5.2应力平衡太阳能电池和块材太阳能电池　　
5.3电池电流大小决定光复合率的大小　　
5.4光子循环下的暗电流的减少和VOC的提高　　
5.5深阱应力平衡量子阱电池和串联的量子阱电池　　
5.6小结　　
参考文献　　
第6章纳米线和纳米管太阳能电池　　
6.1绪论　　
6.2背景　　
6.2.1纳米线和纳米管的合成　　
6.2.2纳米线和纳米管的应用　　
6.3目前的发展状况　　
6.3.1纳米线太阳能电池　　
6.3.2碳纳米管太阳能电池　　
6.3.3纳米线和纳米管透明导电层　　
6.4基本的科学和技术挑战　　
6.5小结　　
6.6展望　　
参考文献　　
第7章半导体纳米线：接触和电子性质　　
7.1绪论　　
7.2纳米线的具体接触电阻：测量和模型　　
7.3金属纳米线接触中肖特基势垒的作用　　
7.4纳米线掺杂：降低接触电阻　　
7.5小结　　
参考文献　　
第8章量子点太阳能电池　　
8.1绪论　　
8.2量子点太阳能电池的类型　　
8.2.1掺杂和中间能带太阳能电池　　
8.2.2利用QD的光谱调谐　　
8.2.3热载流子太阳

摘要与插图

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年提出了光伏技术的概念，其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