光伏发电原理

本书系统地介绍了太阳能光伏发电原理、制造工艺以及光伏发电系统的构成。首先，介绍了能源与环境问题、全球能源发展现状、可持续发展的理念以及可再生能源发展的必要性，并阐述了光伏发电技术的发展史及发展现状。其次，重点阐述了太阳能电池的半导体物理基础理论、太阳能光伏发电原理及其基本特性、目前采用的太阳能电池材料和制造工艺。*后，介绍了光伏发电系统的结构及构成。本书力图向读者提供太阳能光伏发电技术的专业基础理论知识、太阳能电池制造工艺及技术，以及应用情况和发展前景。本书可作为高等院校光伏发电相关专业本科生、研究生教材，也可供从事太阳能光伏相关领域的研发和工程技术人员学习及参考。

光伏发电的主要原理是半导体的光电效应。光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收，电子吸收的能量足够大，能克服金属原子内部的库仑力做功，离开金属表面逃逸出来，成为光电子。硅原子有4个外层电子，如果在纯硅中掺入有5个外层电子的原子如磷原子，就成为N型半导体；若在纯硅中掺入有3个外层电子的原子如硼原子，形成P型半导体。当P型和N型结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳能电池。当太阳光照射到P－N结后，电流便从P型一边流向N型一边，形成电流。

光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。在高于某特定频率的电磁波（该频率称为极限频率threshold frequency）照射下，某些物质内部的电子吸收能量后逸出而形成电流，即光生电。

多晶硅经过铸锭、破锭、切片等程序后，制作成待加工的硅片。在硅片上掺杂和扩散微量的硼、磷等，就形成P－N结。然后采用丝网印刷，将精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂一层防反射涂层，电池片就至此制成。电池片排列组合成电池组件，就组成了大的电路板。一般在组件四周包铝框，正面覆盖玻璃，反面安装电极。有了电池组件和其他辅助设备，就可以组成发电系统。为了将直流电转化交流电，需要安装电流转换器。发电后可用蓄电池存储，也可输入公共电网。发电系统成本中，电池组件约占50%，电流转换器、安装费、其他辅助部件以及其他费用占另外 50%。

前言

主要参数符号表

第1章绪论111能源1

111能源的概念1

112能源的分类1

113能源的品质3

12能源与社会发展4

121能源利用与人类文明4

122全球能源发展现状5

13能源与环境问题8

131常规能源的环境影响8

132可持续发展战略11

14我国能源概述12

141我国能源现状、问题与对策12

142我国可再生能源现状与前景14

15太阳能的利用15

151太阳能的特点16

152太阳能的利用方式17

16光伏发电技术18

161光伏发电技术发展史19

162光伏行业发展史20

163我国光伏产业现状21

习题27

参考文献27

第2章太阳与太阳辐射3021太阳30

22日地天文关系31

221地球的自转与公转31

222天球与天球坐标系32

223太阳时33

224太阳位置35

23太阳辐射35

231太阳辐射光谱36

232太阳辐射37

233太阳常数38

234地表太阳辐射强度39

235任意平面太阳辐射强度40

24太阳能资源分布42

241世界太阳能资源分布42

242我国太阳能资源分布43

习题44

参考文献45

第3章半导体物理基础4631晶体结构46

311晶格47

312晶格的周期性48

313晶向及晶面49

314晶体的对称性51

32晶体缺陷58

321点缺陷58

322线缺陷62

33能带理论65

331原子能级和能带65

332晶体中电子的状态67

333电子在外力作用下的运动和有效质量72

334导体、绝缘体和半导体的能带论解释73

34半导体的特性75

341本征半导体的导电结构76

342典型半导体的能带结构78

343半导体中的杂质和杂质能级80

344缺陷能级82

35半导体中载流子的费米统计83

351费米统计分布84

352玻耳兹曼分布函数85

353本征半导体的载流子浓度86

354杂质半导体的载流子浓度90

36半导体的导电性95

361载流子的散射及漂移运动95

362半导体的迁移率97

37非平衡载流子98

371非平衡载流子的寿命99

372非平衡载流子的复合100

373载流子的扩散运动103

374非平衡载流子的漂移运动104

38pn结105

381pn结及其能带图105

382理想pn结电流-电压特性108

383影响pn结电流-电压特性的因素113

39半导体的光学性质116

391半导体的光学常数116

392半导体的光吸收118

习题122

参考文献122

第4章光生伏特效应12441pn结的光生伏特效应124

411光生电流124

412光电压129

42pn结太阳能电池特性132

421理想太阳能电池的等效电路132

422电流-电压特性132

423转换效率134

43效率影响因素135

431寄生电阻135

432太阳辐射强度的影响138

433温度影响139

44太阳能电池的串并联141

441平衡串并联141

442不平衡串并联142

习题144

参考文献144

第5章其他光生伏特效应14551肖特基结145

511金属和半导体的功函数145

512肖特基势垒146

513肖特基结的电流-电压特性148

514欧姆接触149

52MIS结构150

521表面态对接触势垒的影响150

522表面电场效应152

523MIS太阳能电池153

53半导体异质结155

531界面态155

532异质结能带图157

533异质结的电流-电压特性159

54非晶态半导体162

541非晶态半导体的结构162

542a-Si:H的掺杂效应及pn结163

543非晶硅太阳能电池164

习题165

参考文献166

第6章硅基太阳能电池材料及制造工艺16761晶硅电池材料167

611硅材料提纯167

612拉单晶171

613铸造多晶硅174

614制作硅片176

62晶硅太阳能电池177

621表面制绒178

622扩散制结181

623边缘刻蚀及去磷硅玻璃182

624镀减反射膜183

625印刷电极及烧结185

626测试分选及包装入库187

63晶硅太阳能电池组件188

631组件的主要封装材料188

632组件封装工艺190

64非晶硅薄膜太阳能电池的制造192

641制备透明导电薄膜194

642沉积p-i-n194

643激光切割技术195

习题196

参考文献197

第7章光伏发电系统19871光伏发电系统的分类198

711离网型光伏发电系统199

712并网型光伏发电系统200

713光伏与建筑的结合201

714光伏发电系统的采光方式202

715聚光型光伏发电系统203

72并网型光伏发电系统的体系结构207

721集中式结构207

722串行结构207

723多支路结构208

724模块式结构208

73光伏并网逆变器209

731光伏并网逆变器的电路拓扑209

732光伏并网逆变器的功能214

习题215

参考文献215

附录217附录A常用物理常数表217

附录BⅣ族半导体材料的性质218

附录CⅢ-Ⅴ族半导体材料的性质219

附录DⅡ-Ⅵ族半导体材料的性质220

附录EⅣ-Ⅵ族半导体材料的性质2212100433B