光伏发电原理、技术及其应用

内容简介

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。

目录

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221

前言/序言

目前，新能源及可再生能源快速发展，其中太阳能光伏发电的发展速度最快。全球太阳能电池产量从1996年至2017年，22年间的年平均增速达到了42%，预计光伏发电将在2030年占到全球发电量的10%，对全球发电及能源供给做出实质性的贡献。我国太阳能光伏产业也在快速增长，有一批具有国际竞争力的光伏生产企业，形成了具有规模化、国际化、专业化的产业链。2003年我国成为世界上最大的光伏组件生产国，2017年硅片产量达到了87GW，占全球产量的90%以上，几乎全球硅片都来源于我国。同时，我国光伏系统装机容量大幅提高，2017年新装机容量占全球市场的比重达到52%，累计装机容量达到13048GW。然而在光伏产业高歌猛进的同时，由于其是一个综合性的高技术产业，涉及电子学、光学、电工学、化学、材料学及建筑学等多学科，我国目前的人才市场严重缺乏全方位的光伏技术专业人才。为了缓和光伏领域专业人才匮乏的局面，一些大学设立了光伏专业，开设了光伏发电相关的专业课程，培养了专业人才。希望本书为高等院校本科生、研究生，以及相关工程技术人员和从业人员提供光伏发电技术的基础理论知识及技术要点，为培养光伏领域专业人才、推动我国光伏产业的发展发挥作用。全书分为7章。第1章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我国光伏产业现状。第2章介绍了太阳辐射基础理论以及太阳能资源的分布。第3~6章系统地介绍了太阳电池的半导体物理基础理论、光生伏特效应基本原理及其输出特性以及硅基太阳能电池材料和制造工艺。第7章介绍了光伏发电系统的结构及构成。本书的作者在编写过程中力求相关理论知识全面而准确、信息量大而有力、表述清晰流畅。但作者水平有限，书中难免存在欠缺、疏漏及错误之处，恳请广大读者批评指正，不吝赐教。作者2019年10月