本書是一本全面論述太陽能光伏發(fā)電所有涉及領(lǐng)域的技術(shù)論著。書中由淺人深地論述了太陽能光伏發(fā)電各個方面的基本原理與實際工程技術(shù)內(nèi)容。另外,書中還全面地論述了各種技術(shù)的全新進(jìn)展,并給出了大量的參考文獻(xiàn),如果讀者想繼續(xù)深人地探討相關(guān)技術(shù),可以很方便地從書中及參考文獻(xiàn)中找到所需要的知識。
本書基本上可以分成幾個大的方面:光伏基本理論,包括光伏技術(shù)的熱力學(xué)理論極限和pn結(jié)理論,還包括全新的有關(guān)第三代太陽電池的理論基礎(chǔ);硅材料的制備和硅片加工;各種太陽電池技術(shù),包括晶體硅太陽電池、硅薄膜太陽電池、II- V族太陽電池、CdTe 薄膜太陽電池、CIGS 薄膜太陽電池、染料敏化太陽電池等;各種光伏系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù);光伏測試技術(shù);光伏系統(tǒng)的平衡部件的原理和技術(shù),包括蓄電池、逆變器與控制器;從天文學(xué)和地理學(xué)的角度論述太陽輻射能量的理論;光伏技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的歷史及現(xiàn)狀等。
與原書第1版相比,在所有章節(jié)的內(nèi)容上都有大量的更新,諸如新的先進(jìn)技術(shù)、新的電池效率、制造業(yè)現(xiàn)狀、安裝的數(shù)據(jù)等,而且還增加了薄膜光伏中透明導(dǎo)電氧化物、第三代有機聚合物器件等全新內(nèi)容,在論述光伏建筑的內(nèi)容時也增加了很多新的案例。總的來看,本書仍舊是目前國際上十分全面的論述光伏產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)的著作,涵蓋了光伏技術(shù)、應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)的各個方面的內(nèi)容,并且有大量的論文索引,相信可以為國內(nèi)光伏工程領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)技術(shù)人員和研發(fā)人員、高校太陽電池研究團隊,以及證券投資公司、環(huán)保部門的政策研究人員提供全面的參考。
《光伏技術(shù)與工程手冊》原書第1版出版于2003年,該書描述了50年來太陽電池和組件在研究、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、應(yīng)用方面的結(jié)果。這些結(jié)果包括了地面光伏的第-代技術(shù)一晶體硅片技術(shù);第二代技術(shù)一薄膜硅、 CdTe和CuInGaSe,技術(shù);第三代技術(shù)一有 機染料敏化的光合作用仿真技術(shù)或者先進(jìn)的超高效理論概念電池,如多光子或中間帶電池,這些概念還有待實際驗證。該書也包括.V族多結(jié)電池及其聚光器,該種電池具有最高的轉(zhuǎn)換效率。該書也描述了太陽電池應(yīng)用,包括外太空的和地面(都市地區(qū)和偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村)的應(yīng)用。亦有章節(jié)描述太陽能發(fā)電系統(tǒng)的部件,包括蓄電池、能量轉(zhuǎn)換器件(如逆變器)。還有一些章節(jié)描述基本物理原理、測試、標(biāo)定,以及計算由組件產(chǎn)生的能量,這些組件可以是以任何參量安裝在任何地方。
幾乎在這本書出版的同時,爆發(fā)了對光伏技術(shù)的極大興趣。生產(chǎn)和銷售呈現(xiàn)10倍以上的增長,從2003年的600MW到2009年的7300MW。對于光伏日益增長的興趣引導(dǎo)了私人和公共投資,導(dǎo)致了在技術(shù)和應(yīng)用方面的明顯改進(jìn)。這些進(jìn)步許多是來自創(chuàng)新的國家政策。數(shù)以百計的公司(從小的初創(chuàng)公司到成熟的大型跨國公司)都試圖趕上這波流行的、對光伏技術(shù)感興趣的浪潮。他們中的很多人購買了本書第1版以對其工程師、經(jīng)理人員、分析人員和投資者進(jìn)行教育和指導(dǎo)。光伏領(lǐng)域變得成熟一許 多公司最終實現(xiàn)了盈利,生產(chǎn)規(guī)模在不斷擴張,新的先進(jìn)技術(shù)正在進(jìn)人市場。
第2版計劃展現(xiàn)這些新的進(jìn)展。第2版還得益于過去一年經(jīng)濟危機中出現(xiàn)的景象,光伏產(chǎn)業(yè)在大蕭條時代成為仍舊保持增長的少數(shù)產(chǎn)業(yè)之一,這成為一種理想力量的證明,這一理想就是光伏產(chǎn)業(yè)將仍舊保持增長和繁榮。在許多國家光伏工業(yè)成為--種顯著的促使經(jīng)濟復(fù)蘇和提振就業(yè)的戰(zhàn)略,此外它還是與全球氣候變化做斗爭的有力武器。
在第2版中什么是新的內(nèi)容呢?有三章是全新的章節(jié),分別討論促進(jìn)光伏增長過程中國家能源政策的角色、薄膜光伏中透明導(dǎo)電氧化物、第三代有機聚合物器件。有五章是由全新的作者給出了新的觀點,包括晶體硅片技術(shù)、第二代薄膜硅電池、聚光光伏、功率電子器件、離網(wǎng)和并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計。其他章節(jié)都針對諸如新的先進(jìn)技術(shù)、新的電池效率、制造業(yè)現(xiàn)狀、安裝的數(shù)據(jù)進(jìn)行了更新。
本書編者謹(jǐn)以此書獻(xiàn)給那些為了太陽能發(fā)電今天的成功奮斗了半個世紀(jì)的人們,也獻(xiàn)給那些為了使光伏滿足無碳清潔能源的需要而更加努力奮斗的現(xiàn)在的和未來的人們。
本書編者也覺得十分飲各章的作者。他們花了非常長的時間盡其所能使得各章覆蓋其專業(yè)領(lǐng)域,并且經(jīng)受了出版者的大量批評和修改意見,從而確保本書具有經(jīng)得住時間考驗的高出版質(zhì)量。
最后我們要向我們所愛之人表達(dá)感激,他(她)們是Carmnen, Ignacio, Sofa ( 及其孩子),Debbie, Jordan, Anel。在完成本書的過程中,我們從家庭生活中抽出了很多時間。 Antonio Luque , Steven Hegedus
Antonio Luque教授, 1941 年生于西班牙的馬拉加,已婚,有兩個孩子,四個孫輩。從1970年開始在馬德里Politenica大學(xué)任全職教授。現(xiàn)在任職于太陽能研究所,該研究所是他于1979年創(chuàng)立的。在那里他培養(yǎng)了30名博士(硅材料和光伏基礎(chǔ)研究領(lǐng)域),他所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組位列該大學(xué)199個研究機構(gòu)的第1名。
1976年Luque教授發(fā)明了雙面電池,1981 年創(chuàng)建了ISOFOTON 公司,這是- -家太陽電池公司,截至2007年其銷售收人達(dá)到3億美元。1997 年他提出中間帶太陽電池( intermedi-ate band solar el)。截至2010年10月,該工作被WoK注冊的雜志引用321次。如今在全世界有60個研究中心基于他的工作開展此項研究。
Luque教授目前的主要工作是進(jìn)-步理解和開發(fā)中間帶太陽電池,此外他還開展了兩項工作:其一是組建硅的超提純研究公司CENTESIL (盧克作為創(chuàng)始人和CE0,兩所大學(xué)和三個投資人投資),該公司的目的是進(jìn)一步降低硅太陽電池的成本;其二是作為新成立的涉及聚光光伏(CPV)的ISOF0C研究所的國際委員會主席開展指導(dǎo)工作,按照他的計劃,該研究所旨在促進(jìn)世界范圍內(nèi)CPV技術(shù)的實用化。該研究所已經(jīng)與7家公司簽署合同(3家西班牙公司、2家美國公司、1家德國公司、1家中國臺灣公司),在ISOFOC研究所總計安裝了2MW新型多結(jié)電池組件,效率達(dá)到41%。
他榮膺7項獎勵和榮譽,包括:西班牙皇家工程院院士,圣彼得堡約飛研究所名譽成員,兩所大學(xué)的榮譽博士( 馬德里卡洛斯三世大學(xué)和哈恩大學(xué))。他還獲得西班牙3個有關(guān)技術(shù)和環(huán)境研究領(lǐng)域的國家獎(2 個由西班牙國王頒發(fā),1 個由王儲頒發(fā)),并且獲得了一個由歐盟委員會頒發(fā)的獎項和--個由IEEE-PV會議頒發(fā)的獎項,這兩個獎項均屬于光伏領(lǐng)域。
Steven Hegedus博士,開展太陽電池研究達(dá)30年。畢業(yè)于美國凱斯西儲大學(xué)(1977年)電子工程和應(yīng)用物理系,以太陽能熱水項目獲得學(xué)士學(xué)位。1977-1982年在IBM公司從事集成電路設(shè)計和模擬工作,在此期間他以多晶GaAs太陽電池的工作在康奈爾大學(xué)獲得碩士學(xué)位。1982 年成為特拉華大學(xué)(UD)能源轉(zhuǎn)換研究所( IEC)的研究員,該研究所是世界上*老的光伏研究實驗室之一。他從事過幾乎所有商用太陽電池的研究。研究領(lǐng)域包括:光學(xué)增強及與TCO的接觸,PECVD快速沉積納米晶硅,薄膜器件分析和特征標(biāo)定,a Si/c- Si異質(zhì)結(jié)工藝,在加速光老化下的穩(wěn)定性。在IEC工作期間,他獲得了UD的電子工程博士學(xué)位。他與美國能源部和大大小小的多家公司有聯(lián)系,協(xié)助他們開發(fā)薄膜硅和晶體硅光伏器件。Hegedus 博土發(fā)表了約50篇論文,涉及太陽電池的分析、工藝、可靠性和測試。他在UD開設(shè)了一門研究生課程講授太陽能發(fā)電系統(tǒng)。他敏銳地認(rèn)識到政策對于太陽能商業(yè)化的影響,在2006年被UD的能源和環(huán)境政策中心聘為政策研究員。他是他所在的鎮(zhèn)上提前安裝光伏屋頂?shù)木用瘛?br>
目 錄
主編介紹
譯者的話
原書序言
第 1 章 太陽能光伏發(fā)電的成就和挑戰(zhàn)………………………………………………………… 1
1 1 總述 ……………………………………………………………………………………… 1
1 2 什么是光伏 ……………………………………………………………………………… 3
1 2 1 光伏組件和發(fā)電功率 ……………………………………………………………… 6
1 2 2 收集太陽光: 傾斜、 方位、 跟蹤和遮擋 ………………………………………… 7
1 2 3 光伏組件和系統(tǒng)的成本預(yù)測 ……………………………………………………… 8
1 3 光伏的今天 ……………………………………………………………………………… 9
1 3 1 光伏的歷史 ………………………………………………………………………… 9
1 3 2 今天的光伏圖 ……………………………………………………………………… 9
1 3 3 國家政策的關(guān)鍵作用……………………………………………………………… 11
1 3 4 平價上網(wǎng): 光伏的終極目標(biāo)……………………………………………………… 12
1 4 巨大的挑戰(zhàn)……………………………………………………………………………… 15
1 4 1 需要多少土地……………………………………………………………………… 18
1 4 2 原材料的可用性…………………………………………………………………… 19
1 4 3 光伏發(fā)電是否是清潔綠色技術(shù)…………………………………………………… 20
1 4 4 能量回收…………………………………………………………………………… 21
1 4 5 可靠性……………………………………………………………………………… 21
1 4 6 調(diào)度能力: 提供能源需求………………………………………………………… 22
1 5 技術(shù)趨勢………………………………………………………………………………… 23
1 5 1 晶體硅的進(jìn)展和挑戰(zhàn)……………………………………………………………… 24
1 5 2 薄膜技術(shù)的進(jìn)步和挑戰(zhàn)…………………………………………………………… 26
1 5 3 聚光光伏的進(jìn)展和挑戰(zhàn)…………………………………………………………… 29
1 5 4 第三代太陽電池的概念…………………………………………………………… 30
1 6 結(jié)論……………………………………………………………………………………… 31
參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………………… 31
第 2 章 過去、 現(xiàn)在和未來光伏產(chǎn)業(yè)成長過程中政策的作用 ……………………………… 34
2 1 引言……………………………………………………………………………………… 34
2 1 1 能源工業(yè)的氣候變化……………………………………………………………… 34
2 1 2 光伏市場…………………………………………………………………………… 36
2 2 選定國家的政策回顧…………………………………………………………………… 38
2 2 1 美國政策綜述……………………………………………………………………… 38
2 2 2 歐洲………………………………………………………………………………… 45
目 錄 Ⅶ
2 2 3 亞洲………………………………………………………………………………… 47
2 3 政策對光伏市場發(fā)展的影響…………………………………………………………… 50
2 4 未來光伏市場增長情況………………………………………………………………… 51
2 4 1 擴散曲線…………………………………………………………………………… 51
2 4 2 經(jīng)驗曲線…………………………………………………………………………… 52
2 4 3 不同的政策方案之下ꎬ 光伏發(fā)電在美國的擴散………………………………… 55
2 5 走向可持續(xù)發(fā)展的未來………………………………………………………………… 65
參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………………… 65
第 3 章 太陽電池物理 ………………………………………………………………………… 72
3 1 引言……………………………………………………………………………………… 72
3 2 半導(dǎo)體的基本性質(zhì)……………………………………………………………………… 74
3 2 1 晶體結(jié)構(gòu)…………………………………………………………………………… 74
3 2 2 能帶結(jié)構(gòu)…………………………………………………………………………… 74
3 2 3 導(dǎo)帶和價帶態(tài)密度………………………………………………………………… 76
3 2 4 平衡載流子濃度…………………………………………………………………… 76
3 2 5 光吸收……………………………………………………………………………… 78
3 2 6 復(fù)合………………………………………………………………………………… 81
3 2 7 載流子輸運………………………………………………………………………… 84
3 2 8 半導(dǎo)體方程………………………………………………………………………… 87
3 2 9 少子擴散方程……………………………………………………………………… 87
3 2 10 pn 結(jié)二極管的靜電特性 ………………………………………………………… 88
3 2 11 總結(jié) ……………………………………………………………………………… 90
3 3 太陽電池基本原理……………………………………………………………………… 91
3 3 1 太陽電池邊界條件………………………………………………………………… 91
3 3 2 產(chǎn)生率……………………………………………………………………………… 92
3 3 3 少子擴散方程的解………………………………………………………………… 92
3 3 4 終端特性…………………………………………………………………………… 93
3 3 5 太陽電池 I ̄ V 特性 ………………………………………………………………… 95
3 3 6 太陽電池的效率…………………………………………………………………… 97
3 3 7 壽命和表面復(fù)合的影響…………………………………………………………… 99
3 4 附加主題 ……………………………………………………………………………… 101
3 4 1 光譜響應(yīng) ………………………………………………………………………… 101
3 4 2 寄生電阻效應(yīng) …………………………………………………………………… 102
3 4 3 溫度效應(yīng) ………………………………………………………………………… 104
3 4 4 聚光太陽電池 …………………………………………………………………… 106
3 4 5 高注入 …………………………………………………………………………… 106
3 4 6 p ̄ i ̄ n 太陽電池和電壓依賴收集………………………………………………… 107
3 4 7 異質(zhì)結(jié)太陽電池 ………………………………………………………………… 108
3 4 8 詳細(xì)的數(shù)值模擬 ………………………………………………………………… 109
Ⅷ 光伏技術(shù)與工程手冊 (原書第 2 版)
3 5 總結(jié) …………………………………………………………………………………… 109
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………… 110
第 4 章 光電轉(zhuǎn)換的理論極限和新一代太陽電池…………………………………………… 111
4 1 引言 …………………………………………………………………………………… 111
4 2 熱力學(xué)背景 …………………………………………………………………………… 112
4 2 1 基本關(guān)系 ………………………………………………………………………… 112
4 2 2 熱力學(xué)的兩個定律 ……………………………………………………………… 113
4 2 3 局域熵增量 ……………………………………………………………………… 113
4 2 4 積分概念 ………………………………………………………………………… 114
4 2 5 輻射的熱力學(xué)方程 ……………………………………………………………… 114
4 2 6 電子的熱力學(xué)方程 ………………………………………………………………