晶体硅太阳电池物理

　　本书作者在参考国内外相关科技文献资料、了解前人研究成果的基础上，结合自己的研究和思考，应用量子力学基础理论、固体能带理论和半导体载流子运行规律，系统介绍了晶体硅太阳电池的电能产生机理。本书主要内容包括绪论、晶体硅的结构和基本物理化学性质、半导体中的能带与态密度、半导体中的载流子、半导体中载流子的输运、半导体pn结、晶体硅pn结太阳电池、金属-半导体（MS）结构与MS太阳电池、金属-绝缘体-半导体（MIS）结构与MIS太阳电池、晶体硅异质pn结太阳电池、硅基太阳电池的计算物理、太阳电池的光电转换效率、聚光太阳电池与叉指式背接触（IBC）太阳电池、晶体硅太阳电池的优化设计、纳米硅/硅异质结太阳电池、钙钛矿/硅串联太阳电池、太阳电池热物理分析。

　　陈哲艮，研究员，全国五一劳动奖章获得者，***有突出贡献的专家、全国优秀科技工作者，曾任中国光电技术发展中心常务副主任，浙江省能源研究所所长，中国化学与物理电源行业协会副理事长兼太阳能光伏行业分会副理事长等，长期从事教学与科研工作，曾获全国科学大会奖、国家科技进步二等奖和省部级科技一、二等奖多项。

第1章 绪论
第2章 晶体硅的结构和基本物理化学性质
2．1 硅的晶体结构
2．1．1 化学键
2．1．2 晶体结构
2．1．3 表面与界面结构
2．2 晶体硅的基本物理化学性质
第3章 半导体中的能带与态密度
3．1 自由电子的运动状态
3．2 半导体的能带
3．2．1 晶体能带的形成
3．2．2 k空间的量子态分布
3．2．3 硅晶体的能带结构
3．3 半导体中的量子态
3．3．1 自由电子的能量与动量之间的关系
3．3．2 半导体中电子的能量与动量之间的关系
3．3．3 半导体中电子的平均速度和加速度
3．3．4 间接带隙材料与直接带隙材料
3．3．5 半导体能带中的量子态密度
第4章 半导体中的载流子
4．1 波矢空间半导体载流子
4．1．1 波矢空间半导体载流子的统计分布
4．1．2 波矢空间半导体的载流子浓度和电流密度
4．2 平衡状态下的载流子
4．2．1 本征半导体硅与非本征半导体硅
4．2．2 本征半导体中载流子浓度的统计分布
4．2．3 掺杂半导体的能带结构
4．2．4 n型半导体硅和p型半导体硅
4．2．5 掺杂半导体的多子浓度
4．2．6 掺杂半导体的少子浓度
4．2．7 重掺杂简并半导体及其载流子浓度
4．3 准平衡状态下的载流子
4．3．1 准费米能级
4．3．2 准平衡状态下载流子的统计分布
4．3．3 准平衡状态下载流子浓度
4．3．4 准平衡状态下电流密度
4．3．5 存在温度梯度时的电流密度
第5章 半导体中载流子的输运
5．1 载流子的迁移率和漂移电流
5．2 半导体的电阻率
5．3 载流子的扩散和扩散电流
5．4 载流子的总电流密度
5．5 载流子的产生
5．5．1 热平衡状态下载流子的产生
5．5．2 光作用下载流子的产生
5．6 半导体中载流子的复合
5．6．1 直接复合
5．6．2 俄歇复合
5．6．3 缺陷复合
5．6．4 表面复合和晶界复合
5．6．5 辐照损伤导致的复合
5．6．6 半导体的总复合率
5．7 半导体内载流子的输运方程
5．8 表面复合引起的界面电流
5．9 半导体隧穿效应与隧穿电流
第6章 半导体pn结
6．1 半导体pn结的形成
6．1．1 pn结的形成和杂质分布
6．1．2 pn结的能带结构
6．2 热平衡状态下的pn结
6．2．1 热平衡状态下pn结的费米能级
6．2．2 pn结的内建电势
6．2．3 空间电荷区的宽度
6．2．4 突变结和单边突变pn结
6．3 准平衡状态下的pn结
6．3．1 外加偏压下pn结能带结构和耗尽层宽度
6．3．2 外加偏压时pn结的电流-电压特性
6．3．3 温度对pn结电流的影响
6．4 pn结的结电容
6．5 浓度结
6．6 半导体pn结击穿
6．6．1 半导体中规则形状势垒的隧穿效应
6．6．2 半导体pn结的隧穿效应击穿
6．6．3 pn结的雪崩击穿
6．6．4 热电击穿
第7章 晶体硅pn结太阳电池
7．1 晶体硅太阳电池的光伏效应
7．2 基于等效电路的理想太阳电池的输出特性
7．2．1 电流-电压特性
7．2．2 输出功率、填充因子和光电转换效率
7．3 基于微观机理的理想太阳电池输出特性
7．3．1 太阳电池n型区和p型区电场强度为恒定值时的光谱电流-电压特性
7．3．2 太阳电池n型区和p型区电场强度为恒定值时的全光谱电流-电压特性
7．3．3 太阳电池n型区和p型区的电场强度为零时的电流-电压特性
7．3．4太阳电池n型区和p型区的电场强度随位置变化时的电流-电压特性
7．4 表面复合对太阳电池输出特性的影响
7．5 准实际太阳电池的特性
7．5．1 影响理想太阳电池性能的主要因素
7．5．2 准实际太阳电池的输出特性
第8章 金属-半导体（MS）结构与MS太阳电池
8．1 金属-半导体接触
8．1．1 金属和半导体的功函数
8．1．2 肖特基势垒
8．1．3 金属-半导体接触的电荷和电场分布
8．2 金属-半导体接触的整流特性
8．2．1 整流特性
8．2．2 热电子发射机理
8．2．3 镜像力引起的势垒降低
8．3 金属-半导体欧姆接触
8．3．1 粒子隧穿非矩形势垒的隧穿效应
8．3．2 肖特基势垒的隧穿电流
8．3．3 金属-半导体的欧姆接触
8．4 少子的扩散电流
8．5 MS肖特基结太阳电池
8．5．1 肖特基结太阳电池的光伏效应
8．5．2 光电流和光电压
第9章 金属-绝缘体-半导体（MIS）结构与MIS太阳电池
9．1 理想MIS结构的能带图
9．1．1 理想晶体的表面态
9．1．2 MIS结构
9．1．3 理想MIS结构的能带图
9．2 理想MIS结构的表面空间电荷
9．2．1 表面层的空间电荷密度与表面势的关系
9．2．2 耗尽层宽度
9．2．3 深耗尽状态
9．3 理想MIS结构的电容特性
9．4 MIS结构中的载流子输运
9．5 半导体表面层的电导和场效应
9．5．1 半导体表面层的电导
9．5．2 表面载流子的有效迁移率
9．6 金属-氧化物-半导体(MOS)结构
9．6．1 MOS结构的功函数差
9．6．2 硅MOS结构中的空间电荷
9．6．3 Si-SiO2界面处的界面态
9．6．4 氧化物电荷和功函数差对C-V曲线的影响
9．7 MIS结构的隧穿效应
9．7．1 粒子隧穿势垒的量子传输系数
9．7．2 界面态及其模型
9．7．3 通过绝缘体势垒和界面态的量子传输系数
9．7．4 隧穿俘获截面和捕获概率
9．8 界面态复合隧穿电流
9．8．1 半导体中电子的表面复合
9．8．2 金属中电子的陷阱复合
9．8．3 界面态的占据率和隧穿电流
9．9 载流子通过绝缘体势垒的隧穿电流
9．9．1 MIS结构中的绝缘层
9．9．2 从半导体到金属的隧穿电流
9．9．3 通过绝缘体的净隧穿电流
9．10 MIS太阳电池
9．10．1 MIS太阳电池的能带结构
9．10．2 MIS太阳电池绝缘体中的电压降和电荷分布
9．10．3 MIS太阳电池中的电流分量
9．10．4 MIS太阳电池中的总电流
9．10．5 MIS太阳电池的开路电压
第10章 晶体硅异质pn结太阳电池
10．1 半导体异质结及其能带图结构
10．2 突变异质结的输出特性
10．2．1 内建电势和势垒宽度
10．2．2 结电容
10．2．3 异质结的电流-电压特性
10．3 异质结太阳电池
10．3．1 异质结太阳电池的结构
10．3．2 异质结太阳电池的光伏效应
10．4 异质结太阳电池n型区和p型区电场强度为恒定值时的输出特性
10．4．1 光谱短路电流密度
10．4．2 光谱复合电流密度
10．4．3 异质结太阳电池的总电流-电压特性
10．5 异质结太阳电池n型区和p型区电场强度为零时的电流-电压特性
10．6 异质结太阳电池的效率
10．7 硅基异质结太阳电池
10．7．1 HIT硅基异质结太阳电池
10．7．2 非晶硅和纳米硅材料
10．7．3 n型晶体硅基底和p型晶体硅基底HIT太阳电池
第11章 硅基太阳电池的计算物理
11．1 太阳电池数值计算的物理模型
11．2 泊松方程
11．2．1 泊松方程中的静电势
11．2．2 泊松方程中的空间电荷密度
11．3 载流子的连续性方程
11．3．1 电子电流密度和空穴电流密度
11．3．2 光生载流子的产生率
11．3．3 载流子复合率
11．4 太阳电池数值模拟方法
11．4．1 数值模拟计算的一般概念
11．4．2 太阳电池基本方程和边界条件
11．4．3 数值计算方法的求解
11．4．4 数值模拟计算实例
11．4．5 改进的模拟软件wxAMPS
第12章 太阳电池的光电转换效率
12．1 太阳电池光电转换效率的极限
12．2 晶体硅太阳电池光电转换效率的极限
12．2．1 晶体硅pn结太阳电池光电转换效率的极限
12．2．2 硅基叠层太阳电池光电转换效率的极限
12．3 影响太阳电池光电转换效率的因素
12．3．1 光电转换过程的能量损耗
12．3．2 影响太阳电池性能参数的因素分析
12．3．3 高掺杂效应对太阳电池光电转换效率的影响
12．4 高效晶体硅太阳电池实例
12．4．1 选择性发射极(SE)太阳电池
12．4．2 硅基异质结（SHJ）太阳电池
12．4．3 叉指式背接触（IBC）太阳电池
12．4．4 隧穿氧化层钝化接触（TOP-Con）太阳电池
12．4．5 双面太阳电池及组件
12．4．6 发射极钝化及背面局部扩散(PERL)太阳电池
12．4．7 黑硅太阳电池
12．4．8 多种高效技术相结合的太阳电池
12．4．9 叠瓦太阳电池组件
第13章 聚光太阳电池与叉指式背接触（IBC）太阳电池
13．1 聚光太阳电池的特性
13．1．1 低聚光率的聚光太阳电池
13．1．2 高聚光率的聚光太阳电池
13．2 叉指式背接触(IBC)太阳电池
13．3 IBC 聚光太阳电池一维模拟
13．3．1 太阳电池的终端电流方程
13．3．2 高注入下的复合电流密度
13．3．3 高注入下的太阳电池输出特性
13．4 IBC 聚光太阳电池三维模拟
13．4．1 太阳电池的基本方程
13．4．2 终端电流的求解方法
13．4．3 终端电压的求解方法
13．4．4 高注入下基区的输运方程
13．4．5 载流子复合电流的计算
13．4．6 基区载流子浓度的变分解
13．4．7 载流子浓度的计算
13．4．8 终端输出电流的计算
13．4．9 终端电压的计算
13．4．10 数值模拟计算
13．5 太阳电池边角部位的复合和最佳边缘距离
第14章 晶体硅太阳电池的优化设计
14．1 晶体硅太阳电池优化设计的几项基础算式
14．1．1 太阳电池最佳功率点电压和电流的解析表达式
14．1．2 入射光子通量密度和硅的光谱吸收系数的近似表达式
14．1．3 晶体硅禁带的变形
14．1．4 半导体-栅极接触电阻
14．2 基于遗传算法的太阳电池优化设计
14．2．1 太阳电池终端输出的基本方程
14．2．2 太阳电池中与栅极相关的功率损耗
14．2．3 基于遗传算法的太阳电池优化设计
14．3 基于变分法计算的聚光太阳电池几何参数的优化
14．3．1 太阳电池的准一维模型
14．3．2 太阳电池中与栅极相关的功率损耗
14．3．3 基于变分法计算的太阳电池栅极参数的优化
第15章 纳米碳/硅异质结太阳电池
15．1 碳纳米管/硅异质结太阳电池
15．1．1 碳纳米管/硅太阳电池的结构和制备
15．1．2 SWCNT/Si太阳电池的光电特性
15．2 石墨烯及其电学性质
15．2．1 石墨烯的晶体结构及其能带结构
15．2．2 电子紧束缚近似
15．2．3 在紧束缚近似下石墨烯的哈密顿量
15．2．4 石墨烯纳米带的能带结构
15．2．5 石墨烯纳米带的电学特性
15．3 化学气相沉积石墨烯/硅太阳电池
15．3．1 石墨烯与石墨烯/硅太阳电池的制备
15．3．2 石墨烯与石墨烯/硅太阳电池的性能分析
15．4 具有氧化物界面层的石墨烯/硅太阳电池
15．4．1 具有氧化物界面层的石墨烯/硅太阳电池的制备
15．4．2 具有氧化物层的石墨烯/硅太阳电池的性能分析
15．5 纳米碳/硅太阳电池的研究课题
第16章 钙钛矿/硅串联太阳电池
16．1 钙钛矿和钙钛矿太阳电池
16．1．1 钙钛矿
16．1．2 钙钛矿太阳电池的结构和制造
16．2 钙钛矿太阳电池的计算物理
16．2．1 本征吸收层钙钛矿太阳电池
16．2．2 自掺杂吸收层钙钛矿太阳电池
16．2．3 拟合算法
16．2．4 数值模拟结果
16．3 钙钛矿/硅串联太阳电池的计算物理
16．3．1 钙钛矿/硅串联太阳电池的物理模型
16．3．2 钙钛矿/硅串联太阳电池的模拟计算
16．4 具有织构表面的太阳电池的光学传输特性
16．4．1 朗伯分布时的光传输
16．4．2 非朗伯分布时的光传输
16．5 钙钛矿/硅串联太阳电池的光学传输物理模型和数值模拟
16．5．1 4T和2T太阳电池的光学传输物理模型
16．5．2 4T和2T太阳电池的数值模拟计算
16．5．3 3T太阳电池的结构和数值模拟
16．6 对于钙钛矿/硅串联太阳电池需要进一步研究的主要课题
第17章 太阳电池热物理分析
17．1 辐射及其化学势
17．2 基于辐射热力学的太阳电池电流-电压特性
17．3 太阳电池性能的热力学分析
17．4 热载流子太阳电池
附录A 太阳电池n型区和p型区的输出特性
A．1 电流密度的连续性方程
A．1．1 连续性方程
A．1．2 边界条件
A．1．3 载流子产生率
A．1．4 二阶常系数线性非齐次微分方程求解方法
A．2 n型区的空穴浓度和电流密度
A．3 p型区的电子浓度和电流密度
附录B 耗尽区中通过缺陷态复合中心的复合电流
附录C 准中性区中电场非均匀分布时载流子电流的近似计算方法
附录D 部分符号表
附录E 物理常数
附录F 硅的物理化学性质
附录G 国际单位制
附录H 关于“Solar cell”名词的翻译