基本介紹
內容簡介
內容全面而經典，文獻和案例豐富
作者簡介
Loucas Tsakalakos博士:資深科學家，薄膜實驗室、紐約Niskayuna通用電氣全球研究中心的微型納米結構技術組織的項目帶頭人。1995年獲得Rutgers大學學士學位，1998年獲得碩士學位，2000年獲得加利福利亞Berkeley大學材料科學與工程博士學位。他是異質薄膜和微型納米設備套用方面的專家；同時，他在材料表征方面也具有豐富的經驗。自2000年加入GE國際研究後，Tsakalakos博士已經設計和實現了用於防禦的一體化的電子感測器系統，研究了用來照明的陰極材料，是GE納米技術項目的創始成員之一。他的主要研究領域是納米結構材料和設備的發展，這些設備主要使用納米線/納米管，與包括GE和國外合作夥伴在內的多學科協作團隊共事。他目前致力於將先進的/下一代PV套用到GE全球研究太陽能平台中的嘗試。Dr. Tsakalakos是Tau Beta Pi（國家工程榮譽學會）成員， 是30多年期刊、會議議程和出版物章節的作者或合著者，擁有5項美國專利。
圖書目錄
第1章光伏的物理基礎、套用及技術介紹 1
1.1光伏介紹 1
1.2太陽能電池市場 7
1.2.1居民和商業建築屋頂 8
1.2.2建築光伏一體化 9
1.2.3地面集中式光伏發電系統 10
1.2.4聚光光伏 10
1.2.5空間太陽能 11
1.2.6消費電子領域 11
1.3光伏系統 12
1.4太陽能電池技術 13
1.4.1矽基電池 13
1.4.2薄膜電池 14
1.4.3第三代太陽能電池技術 17
1.4.4納米結構概念 19
1.5小結 21
參考文獻 21
第2章納米結構的光學性質 28
2.1緒論 28
2.2背景 29
2.2.1斯涅耳定律和光子動量 29
2.2.2極化率、介電常數和折射率 29
2.3朗伯散射 32
2.4周期性光子結構 33
2.5增透膜的納米結構 36
2.6單粒子的散射 37
2.7吸收和光致發光 38
2.8小結 39
參考文獻 39
第3章納米級的光伏結構的物理機制 42
3.1緒論 42
3.1.1設備結構 43
3.1.2有關材料的討論 48
3.2追求最佳量子結構：光學性質VS電子性質 49
3.2.1量子限制的參數 49
3.2.2超晶格特性：量子限制函式之一 51
3.3中間能帶（IB）吸收 56
3.3.1工作原理 56
3.3.2中間能帶的能級位置 58
3.3.3局部和非局部中間能帶態密度（DOS） 60
3.4熱載流子吸收器和熱載流子太陽能電池 61
3.4.1熱載流子冷卻動力學 61
3.4.2熱載流子太陽能電池（HC—SC）的工作原理 66
3.4.3熱載流子吸收體材料 68
3.4.4聲子限制的超晶格（SL）方法 70
3.4.5熱載流子太陽能電池納米點概念 74
3.5觸點 75
3.5.1中間帶（IB）太陽能電池的觸點 75
3.5.2串聯電池互連 76
3.5.3能量選擇性觸點與QS—SL觸點 78
3.6小結 80
參考文獻 82
第4章有機納米太陽能電池 87
4.1緒論 87
4.2背景 87
4.3有機太陽能電池的工作原理 88
4.3.1光吸收和電荷生成 88
4.3.2激子擴散和分離 89
4.3.3電極上電荷載體的運輸和收集 89
4.4挑戰 89
4.4.1低光吸收率 89
4.4.2生成有限光電流 90
4.4.3低電荷轉移率 90
4.4.4其他挑戰 90
4.5器件結構 90
4.5.1染料敏化太陽能電池 90
4.5.2聚合物器件 93
4.6聚合物器件的納米材料 99
4.6.1納米材料類型 99
4.6.2共軛聚合物 100
4.7納米結構 104
4.8小結 104
4.9前景 105
參考文獻 105
第5章量子阱太陽能電池的最新進展 114
5.1緒論 114
5.2應力平衡太陽能電池和塊材太陽能電池 114
5.3電池電流大小決定光複合率的大小 117
5.4光子循環下的暗電流的減少和VOC的提高 119
5.5深阱應力平衡量子阱電池和串聯的量子阱電池 124
5.6小結 127
參考文獻 127
第6章納米線和納米管太陽能電池 130
6.1緒論 130
6.2背景 130
6.2.1納米線和納米管的合成 130
6.2.2納米線和納米管的套用 138
6.3目前的發展狀況 138
6.3.1納米線太陽能電池 138
6.3.2碳納米管太陽能電池 145
6.3.3納米線和納米管透明導電層 146
6.4基本的科學和技術挑戰 146
6.5小結 147
6.6展望 147
參考文獻 148
第7章半導體納米線：接觸和電子性質 155
7.1緒論 155
7.2納米線的具體接觸電阻：測量和模型 157
7.3金屬納米線接觸中肖特基勢壘的作用 159
7.4納米線摻雜：降低接觸電阻 164
7.5小結 167
參考文獻 169
第8章量子點太陽能電池 172
8.1緒論 172
8.2量子點太陽能電池的類型 174
8.2.1摻雜和中間能帶太陽能電池 175
8.2.2利用QD的光譜調諧 179
8.2.3熱載流子太陽能電池 181
8.3量子點的生長 182
8.3.1外延生長量子點 183
8.3.2應變平衡 187
8.4量子點太陽能電池的性能特徵 190
8.5小結 196
參考文獻 197
第9章發光太陽能聚光器 201
9.1緒論 201
9.1.1層疊式LSC 202
9.1.2反射鏡和連線電池數量 202
9.1.3薄膜LSC 203
9.1.4其他幾何形狀 204
9.2發光物質 204
9.2.1捕獲光線 204
9.2.2摻雜納米棒的LSC 205
9.2.3多種染料 206
9.2.4稀土材料 207
9.3模擬近似 207
9.3.1LSC的光線追蹤模型 208
9.3.2LSC的熱力學模型 208
9.3.3直接和散射輻射 208
9.4損耗 210
9.4.1理想的QD—LSC和頂面逃逸錐損失 210
9.4.2分布布拉格反射器 211
9.4.3梳狀過濾器 212
9.4.4膽甾醇塗層 212
9.4.5對齊的染料 212
9.4.6主要損耗 212
9.5薄膜LSC的光線追蹤模型 212
9.5.1樣例 213
9.5.2實驗測量 213
9.5.3光線跟蹤仿真 214
9.6膽甾醇塗層的熱力學模型 214
9.6.1測試塗層 214
9.7小結 216
參考文獻 216
第10章太陽光譜轉換的納米顆粒 219
10.1緒論 219
10.2背景 219
10.2.1傳統太陽能電池 219
10.2.2下轉換 220
10.2.3下轉移 222
10.2.4上轉換 224
10.3狀態的藝術 226
10.3.1建模 226
10.3.2實驗性 229
10.4討論 235
10.5小結 237
10.6未來前景 238
參考文獻 239
第11章納米電漿在光伏發電中的套用 246
11.1緒論 246
11.2電漿場定位和前向散射效應 246
11.2.1電漿場定位和振幅加強 246
11.3在薄膜波導結構中的納米粒子散射效應 256
11.3.1絕緣矽片設備結構的套用 256
11.3.2量子阱太陽能電池器件結構的套用 258
11.4小結 262
參考文獻 262
後記 納米結構光伏設備的製作工藝 265
序言
譯者序
近年來，全世界對溫室效應、能源安全、化石燃料過度消耗等問題越來越關注。在這一背景下，可再生能源研究得到了各國政府的大力支持和科學界的廣泛關注。太陽能歸屬於綠色能源，由於其來源豐富而備受關注。
法國物理學家愛德蒙·貝克勒爾1839年最先提出了光伏技術的概念，其最常見的形式是利用來自太陽的光。1954年，貝爾實驗室的研究人員研發出了第一個矽半導體太陽能電池，此後，光伏技術進入了快速發展階段。近60年來，人們詳細了解了光伏材料及設備的物理、材料科學、光學、化學知識，以及運用它們的方法。
同時，在過去10~20年裡，科學界和工程界也一直在努力，試圖將物質的結構控制在小於100nm的尺度以得到不同的物理、化學、生物學特性。這是一個介觀尺度，這個尺度比常規的物質小，但比原子尺寸稍大，這個領域被總稱為納米科學或納米技術。在今天，納米技術的發展，不僅影響和促進了幾乎所有科學和工程領域，而且也打破了傳統各種科學和工程學科之間的分隔，納米技術領域的研究和發展對許多學科產生了強烈的影響。
光伏技術和納米技術的交匯點，即納米光伏技術。本書全面地分類歸納和總結了納米技術在太陽能電池中的各種套用，本書由淺到深逐步介紹了各種納米結構在不同種類的太陽能電池中的作用，核心是希望通過這些納米結構的微觀和半導體特性進一步增加太陽能電池的轉換效率，從而獲得超過細緻平衡理論所限制的轉換效率。本書收集整理了大量的相關文獻和案例，並對如何採用廉價的批量生產製造工藝來實現納米結構太陽能電池做出了分析和展望，具有一定的理論和實際指導意義，適合該領域的相關專業人士參考。
本書內容廣泛，涉及光學、光電子學、材料、物理、化學等諸多學科領域，但其作為一門基礎教材，即使不具備光學專業的相關知識背景，也可以自成體系地進行學習。
本書由湖北工業大學呂輝副教授、譚保華副教授和武漢光迅科技股份有限公司官成鋼高級工程師主持翻譯，共同完成了本書的翻譯、錄入、校對等工作。本書的出版是集體智慧的結晶。中國科技大學劉文教授、湖北工業大學黃楚雲教授、華中科技大學王雙保副教授協助和指導了本書的翻譯和校審工作，在此表示衷心的感謝！
譯者在翻譯的過程中，對原書存在的一些明顯錯誤進行了修正，以便中文讀者可以較好地理解和閱讀本書。但是，限於譯者的學識水平，書中難免存在不足之處，懇請讀者給予批評指正。
譯者於武昌南湖2013年9月
前言
近年來，由於溫室氣體環境效應、能源安全以及不斷增長的以礦物燃料為基礎的能源費用受到廣泛關注，可再生能源再度激發了人們極大的興趣。太陽能由於極其豐富而備受關注。今天，大量的商業太陽能電池是基於結晶矽（Si）而生產的，儘管事實上生產費用相當昂貴。其他的光伏（PV）市場則是基於碲化鎘薄膜，其次是銅銦/鎵砷（CIGS）薄膜和非晶矽薄膜。這些薄膜可保證成本較低，儘管迄今為止模組的轉換效率較低。矽不是太陽能轉換理想的半導體材料，原因是其間接帶隙不能有效地吸收光。然而，因為矽是地殼中含量第二的元素，是相對便宜的半導體材料，因此現在光伏產業所採用的材料仍是矽。矽光伏也得益於電子行業對矽技術的大量開發。上述討論突出了光伏領域所面臨的三個關鍵問題：
（1）與其他能源相比，如何提高太陽能電池組件的效率來增加競爭力？
（2）如何降低太陽能電池組件的成本，使其成為發電主力？
（3）在光伏器件和相關製造工藝中，如何實現這兩個目標，從而打破高效又高成本的傳統模式？
這些問題引出另一個問題，即本書的主題：納米技術能否解決上述三個問題。如果可以，如何解決？薄膜光伏有助於降低太陽能的生產成本，人們很清楚必須要改革方法。
本書的重點是納米在光伏中的套用，面向對光伏感興趣的社會各界，包括在該領域的科學家和工程師，以及致力於光伏基礎性研究的教授和研究生。本書針對的是具有半導體固體物理學基礎知識以及光電器件物理學的讀者。本書提及的其他外物理概念直接與材料尺寸限制在約100nm以下的現象有關。
本書旨在從實際角度出發，讓讀者了解到納米光伏領域的前沿技術，同時提供足夠的基礎背景材料，並在適當的物理環境中放置了各種提高光伏性能的研究方法。儘管可以用來補充更多光伏的基礎知識，但本書並不是為教科書而作。
在文獻中可找到早期的開創性工作，就在最近，光伏納米技術的套用引發了科學家們的強烈興趣。因此，這本及時發行的書，大量撰寫了光伏納米套用的主要研究方向，並著重實際論證和討論套用納米結構所面臨的技術挑戰。樂觀地，看本書出版後該領域的研究會有所進展，但是處理納米結構的基礎物理和特性的核心材料應該為讀者提供這樣的背景材料，即未來該領域的研究應採用的基本戰略。
本書首先回顧光伏設備的套用，隨後簡要討論了薄膜的性能要求。目前正在探索各種第三代高效率太陽能電池其中一些電池要求使用納米量子結構。重點簡述了先進的帶結構概念，其效率在肖克利-奎塞爾單隙的極限效率31%以上。其中，包括使用了多帶隙、中間帶、上轉換、下轉換和載流子倍增等技術。
在詳細討論了光伏納米材料的基本光學特性之後，說明了納米光電子器件的相關物理特性。
本書蒐集了各種光伏納米結構套用的最新文獻，分為以下幾類：
（1）納米複合材料和納米材料（重點是納米有機電池）；
（2）量子阱；
（3）納米線和納米管；
（4）納米顆粒和量子點。
對於最後一類，本書描述了量子點太陽能電池以及利用納米粒子和量子點通過光譜轉換或等離子來提高傳統太陽能電池性能的太陽能電池。也介紹了納米粒子發冷光太陽能聚光器的最新進展。每章都簡要回顧了納米結構歷史發展、光伏的主要套用和主要合成方法；接著概述了特定納米結構的太陽能電池的前沿研究，以及已完成的相關光伏參數的基本測量。討論了每種納米結構方法潛在的優勢及其存在的技術挑戰，著重強調未來可能的研究方向。本書總結了多種納米套用到光伏中的主要加工方法和面臨的挑戰，特別提到了未來的規模和納米製造工藝（後記）。
我非常感謝GE全球研發中心的同事們對這項工作的支持，特別是GTrant, DrDMerfeld, DrMLBlohm, DRJLeBlanc, DrTFletcher, EButterfield, BNorman, MIdelchik, DrCLavan, MBeck, DrSRawal, JLikar, PRosecrans, and DrC Korman。同時也要感謝在納米光伏中，那些和我一起共事的工程師和科學家們，包括DrBAKorevaar, JBalch, JFronheiser, DrOSulima, DrJRand, RWortman, DrR Rodrigues, DrURapol, and DrJDMichael。特別要感謝MsLuna Han的支持和籌備此項工作的泰勒&弗朗西斯工作人員。我還要感謝本書各章節的作者，他們提供了將納米材料和技術套用到光伏的最新進展和現存的挑戰。最後，向我的妻子和孩子表達最深切的謝意，感謝他們在籌備和編輯稿件中的耐心和支持。
