前言

與所有學(xué)科的發(fā)展一樣，理論與實(shí)踐相結(jié)合、科學(xué)與技術(shù)相結(jié)合，是促進(jìn)太陽(yáng)電池和光伏技術(shù)發(fā)展的必然途徑。縱觀60多年來(lái)太陽(yáng)電池的發(fā)展歷程，重要的設(shè)計(jì)思路和技術(shù)上的進(jìn)步都是在半導(dǎo)體理論指導(dǎo)下取得的。理論基礎(chǔ)越扎實(shí)，取得重大技術(shù)突破的希望就越大。

光伏發(fā)電的核心部分是太陽(yáng)電池以及由其封裝而成的光伏組件。本書(shū)闡述的是晶體硅太陽(yáng)電池物理。

本書(shū)作者在閱讀國(guó)內(nèi)外相關(guān)科技文獻(xiàn)資料、了解前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的研究和思考，應(yīng)用量子力學(xué)基礎(chǔ)理論、固體能帶理論和半導(dǎo)體載流子運(yùn)行規(guī)律，系統(tǒng)介紹了晶體硅太陽(yáng)電池的電能產(chǎn)生機(jī)理。本書(shū)內(nèi)容分為兩大部分：與太陽(yáng)電池相關(guān)的半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)（前6章）和各類(lèi)晶體硅太陽(yáng)電池（后11章）。全書(shū)的內(nèi)容是眾多同行智慧的結(jié)晶。

在半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)部分，本書(shū)由淺入深地介紹了半導(dǎo)體的能帶與態(tài)密度，載流子濃度分布及其輸運(yùn)特性，以及俄歇復(fù)合、隧穿效應(yīng)等與高效晶體硅太陽(yáng)電池密切相關(guān)的物理問(wèn)題。無(wú)論對(duì)新穎太陽(yáng)電池的設(shè)計(jì)，還是新工藝的實(shí)施，半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)理論都是非常重要的。

在晶體硅太陽(yáng)電池物理方面，同質(zhì)pn結(jié)晶體硅太陽(yáng)電池物理是所有太陽(yáng)電池的理論基礎(chǔ)。本書(shū)首先詳細(xì)討論了同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池在準(zhǔn)中性區(qū)存在電場(chǎng)的情況下的終端特性，然后討論了異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池。其中，金屬-半導(dǎo)體（MS）太陽(yáng)電池和金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）太陽(yáng)電池雖然發(fā)展較緩慢，但它們所涉及的一些物理問(wèn)題，如界面態(tài)復(fù)合、隧穿效應(yīng)、歐姆接觸等，均與當(dāng)今的高效太陽(yáng)電池息息相關(guān)。

書(shū)中討論了高效叉指式背接觸（IBC）聚光太陽(yáng)電池。這類(lèi)太陽(yáng)電池不僅集多種高效技術(shù)于一身，而且是硅基太陽(yáng)電池中性能最好的聚光電池，其物理模型和計(jì)算方法涉及三維處理，其光電轉(zhuǎn)換效率正在向極限效率推進(jìn)。

本書(shū)專(zhuān)題討論了太陽(yáng)電池效率極限和一些典型的高效電池設(shè)計(jì)思路，進(jìn)一步詮釋了太陽(yáng)電池物理機(jī)理。書(shū)中還介紹了正在研究中的幾種新穎硅基太陽(yáng)電池，如石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池、鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽(yáng)電池等。現(xiàn)在有很多人將大幅度提高太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的希望寄托于基于熱物理的太陽(yáng)電池，本書(shū)也對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了分析。

掌握太陽(yáng)電池的專(zhuān)業(yè)物理知識(shí)固然重要，但作者認(rèn)為處理復(fù)雜物理問(wèn)題的方法和技巧尤為重要。實(shí)際問(wèn)題往往是很復(fù)雜的，如何合理地進(jìn)行簡(jiǎn)化處理是很有講究的，所以本書(shū)特別注重介紹研究實(shí)際問(wèn)題的方法。本書(shū)還專(zhuān)門(mén)設(shè)置了一章，系統(tǒng)地介紹太陽(yáng)電池物理模型和數(shù)值計(jì)算方法，其典型軟件選用的是由美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)福納什（S.Fonash）教授及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的AMPS。

當(dāng)我們?cè)趹?yīng)用或引用重要的理論公式時(shí)，往往會(huì)有些糾結(jié)：未經(jīng)自己推導(dǎo)，心中不踏實(shí)，而推導(dǎo)公式又很費(fèi)時(shí)間，在快節(jié)奏的當(dāng)今，很難實(shí)現(xiàn)。為此，本書(shū)特別關(guān)注公式的推導(dǎo)和演繹，除了一些經(jīng)驗(yàn)公式外，盡可能對(duì)所有基本的物理公式進(jìn)行詳細(xì)的推導(dǎo)。計(jì)算物理模型中的所有公式均可從基礎(chǔ)理論各章內(nèi)容中追溯。盡管這將導(dǎo)致本書(shū)的撰寫(xiě)顯得不夠簡(jiǎn)潔，但可使其更適合眾多光伏行業(yè)的科研人員和工程師閱讀。

希望本書(shū)的出版能對(duì)我國(guó)光伏科技人才的培養(yǎng)和新穎光伏器件的研究開(kāi)發(fā)有促進(jìn)作用。

感謝我多年科研工作的合作伙伴金步平研究員，他細(xì)心地校閱了本書(shū)的前半部分章節(jié)。

感謝國(guó)家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金的資助。

需要特別說(shuō)明的是，書(shū)中的公式、符號(hào)繁多，全書(shū)可能會(huì)有前后符號(hào)不統(tǒng)一或符號(hào)的下標(biāo)標(biāo)注不確切之處，請(qǐng)予諒解。

由于作者水平有限，書(shū)中難免存在疏漏和不當(dāng)之處，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。

編著者