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| 內容簡介： |
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《新型太阳能电池技术与应用》主要介绍太阳能电池的基本知识、工作原理、分析测量方法和典型应用系统，以及作为当前研究热点的新型太阳能电池材料。《新型太阳能电池技术与应用》包括：太阳能电池概论，太阳能电池的基本原理、损失与测定，外延晶体硅薄膜太阳能电池，杂化钙钛矿太阳能电池的新技术，次世代太阳能电池，基于新型微纳减反结构的硅基太阳能电池，太阳能电池应用系统以及太阳能电池材料分析技术。
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| 目錄：
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目录
前言
第1章 太阳能电池概论 1
1.1 能源现状 1
1.2 可再生能源简介 3
1.3 太阳光的使用 7
1.4 太阳能电池的分类 9
1.5 太阳能电池的发展与基础知识结构 13
1.6 世界主要国家和地区对太阳能电池的补助政策 15
第2章 太阳能电池的基本原理、损失与测定 17
2.1 太阳能电池的基本原理 17
2.2 太阳能电池的效率损失 22
2.3 太阳能电池的电性参数 26
2.4 太阳能电池的等效电路 28
2.5 太阳能电池的测定环境 35
第3章 外延晶体硅薄膜太阳能电池 40
3.1 概论 40
3.2 沉积技术 42
3.3 增加外延层的光吸收 47
3.4 实验室和产业化成果 55
3.5 高生产速率沉积 59
第4章 杂化钙钛矿太阳能电池的新技术 66
4.1 介孔结构钙钛矿太阳能电池 66
4.2 平面结构钙钛矿太阳能电池 67
4.3 反向结构钙钛矿太阳能电池 68
4.4 无空穴传输层结构钙钛矿太阳能电池 69
4.5 纤维形态钙钛矿太阳能电池 70
第5章 次世代太阳能电池 78
5.1 多结、多带隙及叠层型太阳能电池 78
5.2 中间能带型太阳能电池 80
5.3 热载流子太阳能电池 81
5.4 热光伏太阳能电池 82
5.5 频谱转换太阳能电池 83
5.6 有机太阳能电池 86
iv 新型太阳能电池技术与应用
5.7 塑料太阳能电池 90
5.8 纳米结构太阳能电池 93
第6章 基于新型微纳减反结构的硅基太阳能电池 96
6.1 微纳减反结构设计的理论依据 96
6.2 硅纳米线微纳减反结构太阳能电池 98
6.3 基于石墨烯复合薄膜的纳米硅基渐变带隙太阳能电池 100
第7章 太阳能电池应用系统 109
7.1 独立型太阳能电池系统 109
7.2 并网型太阳能发电系统 121
7.3 混合型太阳能发电系统 123
7.4 逆变器 124
7.5 **功率点跟踪系统 126
7.6 太阳能庭院灯的设计安装 127
7.7 LED 太阳能草坪灯的设计安装 129
7.8 光伏建筑一体化 134
第8章 太阳能电池材料分析技术 137
8.1 表面形貌与微结构分析 137
8.2 晶体结构与成分分析 144
8.3 光学特性分析 148
8.4 电特性分析 156
参考文献 163免费在线读第1章太阳能电池概论
1.1 能源现状
目前，我们所居住的环境面临两个严重问题亟待解决：一是全球变暖 global warming；二是能源危机。
1. 全球变暖
全球变暖是指地球表面的温度越来越高，造成海平面上升及全球气候变迁加剧等影响的现象。该现象会对水资源、农作物、自然生态系统以及人类健康等方面造成明显的冲击。图 1-1所示为美国国家航空航天局发布的北极冰面积覆盖变化俯视图，从 1984～ 2019年，北极冰层有 2.98×106km2的面积融化，面积减少约 95%。其中，北冰洋和大西洋之间的格陵兰岛，冰覆盖面积在这 35年间变化昀为明显。图 1-2所示为 1985年与 2017年南美洲的巴塔哥尼亚冰原消退对照图。在全球变暖日益严重的影响下，喜马拉雅山脉上游的冰河也有逐渐融化的趋势。全球变暖的主要原因包括自然的改变和外来因素的影响两个方面。其中，自然的改变包括太阳辐射的变化与火山活动等，而外来因素的影响主要是温室气体导致的温室效应，即大气中二氧化碳和其他温室气体的含量不断增加，使得地球表面的热气被局限在地表上。燃烧化石燃料、清理林木和耕作等都进一步增强了温室效应。
对温室效应的观测是 1897年由瑞典化学家阿伦尼乌斯 Arrhenius提出的。全球性的温度增量可能造成地球环境的变动，包括海平面上升以及降雨量和降雪量在数值、样式上的变化，进而造成洪水、旱灾、热浪、飓风和龙卷风等自然灾害。除此之外，温室效应还会导致其他后果，例如，冰河消退、夏天时河流流量减少、更低的农产品产量、物种消失和疾病肆虐等。同时，气候学家也认为：自从 1950年以来，太阳辐射的变化与火山活动所产生的变暖效果比人类所排放的温室气体要低，而关于温室气体的产生，大部分与燃烧化石燃料有关。
国际能源署IEA于 2019年 3月发布了第二份全球能源和二氧化碳状况报告。报告中显示，2018年受能源需求上升的影响，全球能源消耗的二氧化碳排放增长了 1.7%约 5.6亿吨，总量达到 331亿吨，是自 2013年以来的昀高增速，高出 2010年以来平均增速的 70%。在上升的化石燃料总排放量中，电力行业排放占总量的近 23。电力行业煤炭消耗排放超过 100亿吨二氧化碳，且主要集中在亚洲。 2018年全球大气二氧化碳年平均浓度为 407.4ppm①，较 2017年上升 2.4ppm，而工业化前该数值仅为 180～280ppm。同时，国际能源署首次评估了传统化石燃料使用对全球气温上升的影响。研究发现，全球平均地表温度较工业化前水平升高了 1℃，其中 0.3℃以上是由煤炭燃烧排放二氧化碳造成的。显然煤炭已经成为全球气温上升的昀大单一来源。调整能源结构，解决全球变暖问题已经刻不容缓。
2. 能源危机
随着工业与物质文明的发展，人类对能源的依赖程度加深了能源的过度使用。虽然地层中各种能源的蕴藏量不可能十分精确地计算出来，但多数传统能源的储藏量都是有限的，总有用尽的一天。表 1-1列出了各种传统能源的储藏量与可用年限估计。依据估算，截至 2018年底，世界原油探明储藏量约 17297亿桶， 预计可使用至 2070年；天然气探明储藏量约 200万亿立方米，预计可使用至 2070年；煤探明储藏量约 15980亿吨，预计可使用至 2220年；铀探明储藏量约 235.6万吨，预计可使用至 2070年。目前，非传统能源的发展已经具有十分紧迫的需求。
表 1-1 各种传统能源的储藏量与可用年限估计
图 1-1 1984年与 2019年北极冰层对照图
图 1-2 1985年与 2017年南美洲的巴塔哥尼亚冰原消退对照图
1.2 可再生能源简介
1. 发展可再生能源的必要性
目前，其他非传统能源的发展已经具有十分紧迫的需求。非传统能源按照其特点不同可以分为可再生能源 renewable energy、替代能源 alternative energy、绿色能源 green energy等。
可再生能源是指自然界中已存在的能源，并且在自然界中生生不息，具有与消耗同等速度再生的能力。因而，可再生能源在使用过程中不会发生能源短缺，有着再生和再利用的可能性。可再生能源取之不尽、用之不竭。风能、太阳能 solar energy、地热能、波能和潮汐能、水力发电以及生物质能等都属于可再生能源。
替代能源指的是非传统、对环境影响小的能源及能源储藏技术，同时要求并非来自化石燃料。大多数可再生能源都属于替代能源中的一种。
绿色能源是指对环境友好的能源，具有减缓全球变暖与气候变迁的特点。风力、太阳能、地热、潮汐、生物质能等都是绿色能源。绿色能源的开发和利用可以增加能源效益、减少温室气体排放、减少废弃物与污染，同时节约了其他自然资源。
为了使地球免受气候变暖的威胁， 1997年 12月，多个国家和地区的代表在日本东京召开“联合国气候变化框架公约会议”，会议通过了限制发达国家和地区温室气体排放量以抑制全球变暖的《京都议定书》。这是历史上**次以法规的形式约束限制发达国家和地区的温室气体排放量。《京都议定书》中共规定了六种管制温室气体。
1前三类：CO2、甲烷与氧化亚氮。
2后三类：氢氟碳化物、全氟化碳与六氟化硫。各个发达国家和地区从 2008～2012年完成的减排目标分别是：
1与 1990 年相比，欧盟减少 8%、美国减少 7%、日本减少 6%、加拿大减少 6%、东欧各国减少 5%～8%。
2新西兰、俄罗斯和乌克兰可将排放量稳定在 1990年的水平上。
3允许爱尔兰、澳大利亚和挪威的排放量分别比 1990年增加 10%、8%和 1%。
4各国皆应制定使用可再生能源的比例占总体使用能源 12%～15%的目标。
2012年 8月，多哈会议通过了包含部分发达国家第二承诺期量化减限排指标的《京都议定书多哈修正案》，第二承诺期为期 8年，于 2013年 1月 1日起实施，至 2020年 12月 31日结束。中国于 2014年 6月交存了《京都议定书多哈修正案》的接受书。
国际能源组织认为发展可再生能源是解决能源危机、应对气候变化的重要措施。美国、英国、日本以及欧盟等发达国家和地区均把发展可再生能源作为降低二氧化碳排放量的主要方法。为了推进全球能源结构转型，实现从传统的化石能源向绿色环保的可再生能源转变，中国政府也已经把“绿色发展”和“生态文明建设”放在经济发展部署中的战略地位。 2016年 12月 29日国家发展改革委、国家能源局在印发的《能源生产和消费革命战略2016—2030》中提出：到 2020年，能源消费总量要小于 50亿吨标准煤，非化石能源消费比重达到 15%，单位国内生产总值二氧化碳排放比 2015年下降 18%； 2021～2030年，能源消费总量小于 60亿吨标准煤，非化石能源消费比重达到约 20%，天然气比重达到约 15%，主要依靠清洁能源满足经济发展对能源的消费需求；到 2050年能源消费总量进入稳定期，非化石能源消费比重应超过 50%，建成现代化能源体系。
2. 可再生能源的种类
风能、太阳能、生物质能、地热能、海水温差能、波浪能以及潮汐能等都属于可再生能源，下面简述常用可再生能源的种类与发展现状。
1风能。风能发电是通过风推动电机以产生电力，是一种机械能与电能的转换。目前，风力发电的成本已下降至低于天然气的发电成本，可与传统燃油发电成本相竞争。若某地区的年平均风速超过 4ms，则具有发展风力发电的潜力。 2016年，全国风电发电量达到 2410亿 kW？h，在全国发电总量中占比 4.2%。2017年，全国除港澳台地区外新增装机容量 1966万 kW，累计装机容量达 1.88亿 kW，同比增长 11.7%。截至 2019年 6月底，风电 2019年上半年的装机总容量已达 1.932亿 kW，占总装机容量的 10.5%。
2太阳能。太阳能包含太阳热能与太阳电能的使用。太阳热能是直接用集热板收集太阳光的辐射热，将水加热以推动机械，是一种热能、机械能与化学能的转换。太阳能发电是通过光伏电池 photovoltaic，PV或太阳能电池 solar cell将太阳能转换为电能，是一种光能与电能的转换。随着使用化石能源与保护环境之间的冲突日趋严重，在美、日、欧盟等发达国家和地区的推动下，太阳能光电产业蓬勃发展，太阳能被认为是昀具发展潜力的可再生能源。
3生物质能。生物质能发电是指将各种有机体转换成电能，是一种生物质能与电能的转换。有机体发电是将农村及城市地区产生的各种有机物，如粮食、含油植物、牲畜粪便、农作物残渣及下水道废水等，经各种自然或人为化学反应后，再萃取其能量进行应用。典型的生物质能发电具体应用包括垃圾焚化发电、沼气发电、农林废弃物及一般工业废弃物发电等。
4地热能。地热能发电是指借助地底所产生的热来推动发电机生成电能，是一种热能与电能的转换。环太平洋火山带有多处山区显示蕴藏有地热资源。我国台湾地区地热资源初步评估结果显示，全台湾有近百处地区具有温泉地热征兆。但因大部分属火山性地热泉，酸性成分太高，不具发电价值。因此，解决地热酸性成分高和蒸汽含量少两个关键问题，能使地热能发电具有较好的发展前景。
5海水温差能。海水温差能发电是指将自然界的海水或湖水冷却，再经水泵加压打回锅炉，形成一个闭路循环以产生电能，是一种热能、机械能与电能的转换。其中，若在此循环中的热源与冷源的温差达到数百摄氏度，其热力效率可达 30%～40%；然而，海洋温差仅有 20～25℃，因此其效率仅为 3%左右。虽然效率偏低，但海洋体积庞大，通过优化设计也能产生可观的电能。
6波浪能。波浪能发电是指风吹过海洋时产生波浪，通过将发电机存放在水中，利用宽广海面上的波浪能发电的方式，是一种风能、机械能与电能的转换。由于地球表面有超过 70%的面积是海洋，海洋成为世界上昀大的太阳能收集器。太阳照射在广阔的海洋上，造成表层海水与深海海水之间的温差，进而产生地球表面大气的压力差，由此产生风并生成波浪能。利用波浪能发电的装置有多种形式，具体操作原理可分为：①利用波峰到波谷的垂直运动来驱动水轮机或汽轮机；②利用波浪的前后来回运动，经由凸轮等机械组件来推动叶轮机；③其他方法。例如，将波浪集中在水道，再以波浪变化时的动量传播效应来维持一定的水位差以推动水轮机等。
7潮汐能。地球的万有引力与地球自转对海水的引力造成海平面的周期性变化是潮汐产生的原因。潮汐发电是利用涨潮与退潮造成海水高低潮位的落差，进而推动水轮机旋转，带动发电机发电来产生电力，是一种机械能与电能的转换，仅需 1m的潮差即可供围筑潮池，进行潮汐发电。
虽然上述可再生能源各以不同的名称出现，但是几乎都与太阳提供的能量有关。在能量守恒的观点上，太阳内部的质量变化所提供的光能量传送至地球，形成如太阳能、风能、生物质能、波浪能、水力以及地热能等诸多可再生能源的原动力。
3. 发展可再生能源的策略
根据《2019 年全球可再生能源投资趋势》报告指出， 2009～2019年全球可再生能源新产能投资达到约 2.6万亿美元，其中太阳能发电容量超过其他发电技术。十年间新能源产业的投资，使得除大型水电以外的可再生能源装机容量从 414GW上升到 1650GW，增长约 3倍。而 2.6万亿美元的总投资中，光伏产业以 1.3万亿美元占到了 50%。同时，新能源产业的成本十年间却在不断降低。其中，太阳能平均发电成本降低了 81％，陆上风电成本下降了 46%。
中国近十年来一直是可再生能源产能的昀大投资国， 201
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