纳米光伏技术

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内容简介: 《纳米光伏技术》主要介绍了纳米光伏技术的应用和最新进展,包括有机纳米、量子阱、纳米线和纳米管、发冷光聚光以及纳米粒和量子点太阳能电池等,系统地讨论了纳米材料的光学特性、物理特征等。同时也讨论了提高光伏性能的方法和纳米光伏的制作工艺等。全书共11章,每一章分别从发展现状、工作原理、分类、制作工艺、技术优势和挑战的等方面对现有的光伏纳米技术进行阐述。
《纳米光伏技术》可作为光学工程、光伏材料、光伏发电和新能源科学与工程等专业的研究人员和高等院校师生的教材与参考书,也可作为非光伏领域读者了解纳米光伏技术基本知识的参考书。

目录: 《纳米光伏技术》
第1章光伏的物理基础、应用及技术介绍  1
1.1光伏介绍   1
1.2太阳能电池市场   7
1.2.1居民和商业建筑屋顶   8
1.2.2建筑光伏一体化  9
1.2.3地面集中式光伏发电系统  10
1.2.4聚光光伏   10
1.2.5空间太阳能   11
1.2.6消费电子领域  11
1.3光伏系统  12
1.4太阳能电池技术  13
1.4.1硅基电池  13
1.4.2薄膜电池  14
1.4.3第三代太阳能电池技术  17
1.4.4纳米结构概念   19
1.5小结   21
参考文献   21
第2章纳米结构的光学性质  28
2.1绪论   28
2.2背景    29
2.2.1斯涅耳定律和光子动量  29
2.2.2极化率、介电常数和折射率  29
2.3朗伯散射  32
2.4周期性光子结构  33
2.5增透膜的纳米结构  36
2.6单粒子的散射  37
2.7吸收和光致发光  38
2.8小结  39
参考文献   39
第3章纳米级的光伏结构的物理机制  42
3.1绪论  42
3.1.1设备结构  43
3.1.2有关材料的讨论  48
3.2追求最佳量子结构:光学性质VS电子性质  49
3.2.1量子限制的参数  49
3.2.2超晶格特性:量子限制函数之一  51
3.3中间能带(IB)吸收  56
3.3.1工作原理  56
3.3.2中间能带的能级位置  58
3.3.3局部和非局部中间能带态密度(DOS)  60
3.4热载流子吸收器和热载流子太阳能电池  61
3.4.1热载流子冷却动力学  61
3.4.2热载流子太阳能电池(HC-SC)的工作原理  66
3.4.3热载流子吸收体材料  68
3.4.4声子限制的超晶格(SL)方法  70
3.4.5热载流子太阳能电池纳米点概念  74
3.5触点  75
3.5.1中间带(IB)太阳能电池的触点  75
3.5.2串联电池互连  76
3.5.3能量选择性触点与QS-SL触点   78
3.6小结   80
参考文献   82
第4章有机纳米太阳能电池  87
4.1绪论  87
4.2背景  87
4.3有机太阳能电池的工作原理  88
4.3.1光吸收和电荷生成  88
4.3.2激子扩散和分离  89
4.3.3电极上电荷载体的运输和收集  89
4.4挑战  89
4.4.1低光吸收率  89
4.4.2生成有限光电流  90
4.4.3低电荷转移率  90
4.4.4其他挑战  90
4.5器件结构  90
4.5.1染料敏化太阳能电池  90
4.5.2聚合物器件  93
4.6聚合物器件的纳米材料  99
4.6.1纳米材料类型  99
4.6.2共轭聚合物  100
4.7纳米结构  104
4.8小结  104
4.9前景  105
参考文献  105
第5章量子阱太阳能电池的最新进展  114
5.1绪论  114
5.2应力平衡太阳能电池和块材太阳能电池  114
5.3电池电流大小决定光复合率的大小  117
5.4光子循环下的暗电流的减少和VOC的提高  119
5.5深阱应力平衡量子阱电池和串联的量子阱电池  124
5.6小结  127
参考文献  127
第6章纳米线和纳米管太阳能电池  130
6.1绪论  130
6.2背景  130
6.2.1纳米线和纳米管的合成  130
6.2.2纳米线和纳米管的应用  138
6.3目前的发展状况  138
6.3.1纳米线太阳能电池  138
6.3.2碳纳米管太阳能电池  145
6.3.3纳米线和纳米管透明导电层  146
6.4基本的科学和技术挑战  146
6.5小结  147
6.6展望  147
参考文献  148
第7章半导体纳米线:接触和电子性质  155
7.1绪论  155
7.2纳米线的具体接触电阻:测量和模型  157
7.3金属纳米线接触中肖特基势垒的作用  159
7.4纳米线掺杂:降低接触电阻  164
7.5小结  167
参考文献  169
第8章量子点太阳能电池  172
8.1绪论  172
8.2量子点太阳能电池的类型  174
8.2.1掺杂和中间能带太阳能电池  175
8.2.2利用QD的光谱调谐  179
8.2.3热载流子太阳能电池  181
8.3量子点的生长  182
8.3.1外延生长量子点  183
8.3.2应变平衡  187
8.4量子点太阳能电池的性能特征  190
8.5小结  196
参考文献  197
第9章发光太阳能聚光器  201
9.1绪论  201
9.1.1层叠式LSC  202
9.1.2反射镜和连接电池数量  202
9.1.3薄膜LSC    203
9.1.4其他几何形状   204
9.2发光物质  204
9.2.1捕获光线   204
9.2.2掺杂纳米棒的LSC   205
9.2.3多种染料   206
9.2.4稀土材料   207
9.3模拟近似   207
9.3.1LSC的光线追踪模型  208
9.3.2LSC的热力学模型   208
9.3.3直接和散射辐射   208
9.4损耗   210
9.4.1理想的QD-LSC和顶面逃逸锥损失   210
9.4.2分布布拉格反射器   211
9.4.3梳状过滤器   212
9.4.4胆甾醇涂层   212
9.4.5对齐的染料  212
9.4.6主要损耗   212
9.5薄膜LSC的光线追踪模型   212
9.5.1样例   213
9.5.2实验测量   213
9.5.3光线跟踪仿真   214
9.6胆甾醇涂层的热力学模型   214
9.6.1测试涂层   214
9.7小结   216
参考文献   216
第10章太阳光谱转换的纳米颗粒   219
10.1绪论  219
10.2背景  219
10.2.1传统太阳能电池  219
10.2.2下转换  220
10.2.3下转移  222
10.2.4上转换  224
10.3状态的艺术  226
10.3.1建模  226
10.3.2实验性  229
10.4讨论  235
10.5小结  237
10.6未来前景  238
参考文献  239
第11章纳米等离子体在光伏发电中的应用  246
11.1绪论  246
11.2等离子体场定位和前向散射效应  246
11.2.1等离子体场定位和振幅加强  246
11.3在薄膜波导结构中的纳米粒子散射效应  256
11.3.1绝缘硅片设备结构的应用  256
11.3.2量子阱太阳能电池器件结构的应用  258
11.4小结  262
参考文献  262
后记  纳米结构光伏设备的制作工艺  265

译者序: 近年来,全世界对温室效应、能源安全、化石燃料过度消耗等问题越来越关注。在这一背景下,可再生能源研究得到了各国政府的大力支持和科学界的广泛关注。太阳能归属于绿色能源,由于其来源丰富而备受关注。
法国物理学家爱德蒙·贝克勒尔1839年最先提出了光伏技术的概念,其最常见的形式是利用来自太阳的光。1954年,贝尔实验室的研究人员研发出了第一个硅半导体太阳能电池,此后,光伏技术进入了快速发展阶段。近60年来,人们详细了解了光伏材料及设备的物理、材料科学、光学、化学知识,以及运用它们的方法。
同时,在过去10~20年里,科学界和工程界也一直在努力,试图将物质的结构控制在小于100nm的尺度以得到不同的物理、化学、生物学特性。这是一个介观尺度,这个尺度比常规的物质小,但比原子尺寸稍大,这个领域被总称为纳米科学或纳米技术。在今天,纳米技术的发展,不仅影响和促进了几乎所有科学和工程领域,而且也打破了传统各种科学和工程学科之间的分隔,纳米技术领域的研究和发展对许多学科产生了强烈的影响。
光伏技术和纳米技术的交汇点,即纳米光伏技术。本书全面地分类归纳和总结了纳米技术在太阳能电池中的各种应用,本书由浅到深逐步介绍了各种纳米结构在不同种类的太阳能电池中的作用,核心是希望通过这些纳米结构的微观和半导体特性进一步增加太阳能电池的转换效率,从而获得超过细致平衡理论所限制的转换效率。本书收集整理了大量的相关文献和案例,并对如何采用廉价的批量生产制造工艺来实现纳米结构太阳能电池做出了分析和展望,具有一定的理论和实际指导意义,适合该领域的相关专业人士参考。
本书内容广泛,涉及光学、光电子学、材料、物理、化学等诸多学科领域,但其作为一门基础教材,即使不具备光学专业的相关知识背景,也可以自成体系地进行学习。
本书由湖北工业大学吕辉副教授、谭保华副教授和武汉光迅科技股份有限公司官成钢高级工程师主持翻译,共同完成了本书的翻译、录入、校对等工作。本书的出版是集体智慧的结晶。中国科技大学刘文教授、湖北工业大学黄楚云教授、华中科技大学王双保副教授协助和指导了本书的翻译和校审工作,在此表示衷心的感谢!
译者在翻译的过程中,对原书存在的一些明显错误进行了修正,以便中文读者可以较好地理解和阅读本书。但是,限于译者的学识水平,书中难免存在不足之处,恳请读者给予批评指正。
译者
于武昌南湖
2013年9月

前言: 近年来,由于温室气体环境效应、能源安全以及不断增长的以矿物燃料为基础的能源费用受到广泛关注,可再生能源再度激发了人们极大的兴趣。太阳能由于极其丰富而备受关注。今天,大量的商业太阳能电池是基于结晶硅(Si)而生产的,尽管事实上生产费用相当昂贵。其他的光伏(PV)市场则是基于碲化镉薄膜,其次是铜铟/镓砷(CIGS)薄膜和非晶硅薄膜。这些薄膜可保证成本较低,尽管迄今为止模块的转换效率较低。硅不是太阳能转换理想的半导体材料,原因是其间接带隙不能有效地吸收光。然而,因为硅是地壳中含量第二的元素,是相对便宜的半导体材料,因此现在光伏产业所采用的材料仍是硅。硅光伏也得益于电子行业对硅技术的大量开发。上述讨论突出了光伏领域所面临的三个关键问题:
(1)与其他能源相比,如何提高太阳能电池组件的效率来增加竞争力?
(2)如何降低太阳能电池组件的成本,使其成为发电主力?
(3)在光伏器件和相关制造工艺中,如何实现这两个目标,从而打破高效又高成本的传统模式?
这些问题引出另一个问题,即本书的主题:纳米技术能否解决上述三个问题。如果可以,如何解决?薄膜光伏有助于降低太阳能的生产成本,人们很清楚必须要改革方法。
本书的重点是纳米在光伏中的应用,面向对光伏感兴趣的社会各界,包括在该领域的科学家和工程师,以及致力于光伏基础性研究的教授和研究生。本书针对的是具有半导体固体物理学基础知识以及光电器件物理学的读者。本书提及的其他外物理概念直接与材料尺寸限制在约100nm以下的现象有关。
本书旨在从实际角度出发,让读者了解到纳米光伏领域的前沿技术,同时提供足够的基础背景材料,并在适当的物理环境中放置了各种提高光伏性能的研究方法。尽管可以用来补充更多光伏的基础知识,但本书并不是为教科书而作。
在文献中可找到早期的开创性工作,就在最近,光伏纳米技术的应用引发了科学家们的强烈兴趣。因此,这本及时发行的书,大量撰写了光伏纳米应用的主要研究方向,并着重实际论证和讨论应用纳米结构所面临的技术挑战。乐观地,看本书出版后该领域的研究会有所进展,但是处理纳米结构的基础物理和特性的核心材料应该为读者提供这样的背景材料,即未来该领域的研究应采用的基本战略。
本书首先回顾光伏设备的应用,随后简要讨论了薄膜的性能要求。目前正在探索各种第三代高效率太阳能电池其中一些电池要求使用纳米量子结构。重点简述了先进的带结构概念,其效率在肖克利-奎塞尔单隙的极限效率31%以上。其中,包括使用了多带隙、中间带、上转换、下转换和载流子倍增等技术。
在详细讨论了光伏纳米材料的基本光学特性之后,说明了纳米光电子器件的相关物理特性。
本书搜集了各种光伏纳米结构应用的最新文献,分为以下几类:
(1)纳米复合材料和纳米材料(重点是纳米有机电池);
(2)量子阱;
(3)纳米线和纳米管;
(4)纳米颗粒和量子点。
对于最后一类,本书描述了量子点太阳能电池以及利用纳米粒子和量子点通过光谱转换或等离子来提高传统太阳能电池性能的太阳能电池。也介绍了纳米粒子发冷光太阳能聚光器的最新进展。每章都简要回顾了纳米结构历史发展、光伏的主要应用和主要合成方法;接着概述了特定纳米结构的太阳能电池的前沿研究,以及已完成的相关光伏参数的基本测量。讨论了每种纳米结构方法潜在的优势及其存在的技术挑战,着重强调未来可能的研究方向。本书总结了多种纳米应用到光伏中的主要加工方法和面临的挑战,特别提到了未来的规模和纳米制造工艺(后记)。
我非常感谢GE全球研发中心的同事们对这项工作的支持,特别是GTrant, DrDMerfeld, DrMLBlohm, DRJLeBlanc, DrTFletcher, EButterfield, BNorman, MIdelchik, DrCLavan, MBeck, DrSRawal, JLikar, PRosecrans, and DrC Korman。同时也要感谢在纳米光伏中,那些和我一起共事的工程师和科学家们,包括DrBAKorevaar, JBalch, JFronheiser, DrOSulima, DrJRand, RWortman, DrR Rodrigues, DrURapol, and DrJDMichael。特别要感谢MsLuna Han的支持和筹备此项工作的泰勒&弗朗西斯工作人员。我还要感谢本书各章节的作者,他们提供了将纳米材料和技术应用到光伏的最新进展和现存的挑战。最后,向我的妻子和孩子表达最深切的谢意,感谢他们在筹备和编辑稿件中的耐心和支持。
Loucas Tsakalakons博士
于纽约州,尼什卡纳