《太陽電池原理與設計》一書包括原理和設計兩部分：第一部分（1～3章）介紹了光電轉換的微觀機制和基本原理，覆蓋太陽輻射、半導體的光吸收、載流子的產生與復合、非平衡載流子的擴散與漂移、常見太陽電池的結構及器件特性描述等；第二部分（4～9章）以晶體硅、砷化鎵、非晶硅、碲化鎘、銅銦鎵硒以及鈣鈦礦等太陽電池為例，從材料的基本性質出發，分析它們的器件結構，并從減少光、電學損失的角度討論每種電池的設計和優化原則。本書重在闡明太陽電池的能量損失機制，圍繞提高太陽電池效率的核心科學問題，分析不同類型太陽電池的器件特點及改進思路，使讀者具備設計高效太陽電池的能力。
本書可作為高等院校新能源材料與器件、新能源科學與工程、儲能科學與工程及相關專業的教材或教學參考書，也可作為光伏產業技術人員的參考書。

武莉莉，四川大學材料科學與工程學院，教授，于1998年、2001年、2006年分別獲得四川大學工學學士、理學碩士和工學博士。從2001年7月至今,在材料科學與工程學院任教，2011年破格獲得博士生導師資格，2014年聘為教授。現為材料科學與工程學院工會主席，中國可再生能源學會光電專業委員會委員，四川省學術和技術帶頭人后備人選。
已連續為本科生和研究生分別講授《太陽電池原理與設計》三學年。
科研方面：從事薄膜太陽電池材料與器件的研究21年，作為項目負責人及核心成員參與了國家“十五”、“十一五”“十二五”863項目、973項目、四川省重點研發等項目近30項，經費累計超過9000萬元。2002~2018年多次創造了碲化鎘薄膜太陽電池的國內較*高效率，并開發出碲化鎘薄膜太陽電池產業化技術，建成了我國第#一條具有完全自主知識產權的薄膜太陽電池中試生產線；使用該成果與無錫尚德太陽能電力有限公司開展橫向合作，建成了2兆瓦碲化鎘太陽電池生產線。2015年以來開展了鈣鈦礦薄膜太陽電池的研究，開發了高效率組件制備技術，25cm2的組件效率達18.8%，為同尺寸組件的國際較*高紀錄。獲得中國高校科技進步二等獎1次（2002年），完成教育部鑒定成果1項。發表論文65篇，SCI收錄29篇，單篇他引次數61次，獲得授權中國發明專利12項，出版專著1本。

近二十年來我國光伏產業快速發展，現今，光伏產業鏈多個環節的市場占有率位居全球首位，我國成為世界上重要的光伏大國。未來在“雙碳”目標的激勵下，作為構建新型電力體系的重要組成部分，我國光伏產業將迎來更加迅猛的發展。良好的產業發展形勢為投身光伏產業的研發和工程技術人員學習太陽電池相關知識提供了充足的動力。
目前已有不少關于太陽電池技術的書籍，但有些僅介紹了晶體硅太陽電池的原理和制備技術等內容，有些雖然較全面地介紹了各類太陽電池的結構與工藝，但在太陽電池的設計原則和優化思路方面比較欠缺。為了使讀者在認知太陽電池光電轉換原理的基礎上，了解設計太陽電池的基本原則，能夠從材料的基本性質出發分析器件的關鍵結構，從減少光、電學損失的角度討論電池的具體設計和優化原則，從而使讀者面對各類光伏器件時都具備設計高效太陽電池的能力，作者結合長期的教學、科研工作與工程應用實踐，組織編寫了本書。
本書共分9章，分為原理和設計兩大部分：第一部分（1～3章）介紹了光電轉換的微觀機制和基本原理，覆蓋太陽輻射、半導體的光吸收、載流子的產生與復合、非平衡載流子的擴散與漂移、常見太陽電池的結構及器件特性描述等；第二部分（4～9章）以晶體硅、砷化鎵、非晶硅、碲化鎘、銅銦鎵硒以及鈣鈦礦等太陽電池為例，分析材料性質與器件結構的內在聯系，討論每種電池的具體設計原則，最后介紹幾種新概念太陽電池的設計思路。
第1章介紹了太陽電池的發展概況和太陽的輻射特性。第2章介紹了光電轉換過程中的半導體基礎知識及材料的光吸收、載流子的產生和輸運、非平衡載流子的擴散與漂移等物理過程。第3章給出了開路電壓的來源和一般表達式，并基于精細平衡原理定量描述了太陽電池器件的電流電壓特性，討論了太陽電池轉換效率的影響因素，給出了太陽電池的一般設計原則。第4章介紹了晶體硅太陽電池器件結構發展歷程，能量損失來源，減少光電損失的途徑、效果及高效硅太陽電池的設計思路等。第5章分析了砷化鎵太陽電池的材料特點和器件結構，介紹了單結和疊層砷化鎵太陽電池的設計原則和優化方法。第6章分析了非晶硅太陽電池的材料特點和器件結構，介紹了單結和疊層非晶硅太陽電池的設計原則和優化方法，討論了非晶硅材料及器件的穩定性問題。第7章介紹了多晶薄膜材料的特點，給出了多晶薄膜太陽電池的一般設計原則，討論了碲化鎘和銅銦鎵硒太陽電池的器件結構和優化思路。第8章分析了鈣鈦礦薄膜的材料性質和太陽電池器件結構，討論了單結和疊層鈣鈦礦電池的設計和優化思路。第9章介紹了具有較高理論轉換效率的新概念太陽電池技術。每章后附有思考題及習題。
本書有兩個特色，其一在于闡明了從光能轉換為電能的微觀物理機制，引導讀者在面對不同類型的太陽電池問題時，都能從光電轉換的根本原理出發去分析和解決。其二在于重視“設計”，基于對器件原理的認知，以晶體硅等太陽電池為應用案例，通過分析各種器件結構的設計和改進思路，力求使讀者具備優化現有器件結構和設計新型太陽電池的能力。
《太陽電池原理與設計》可作為高等院校新能源材料與器件、新能源科學與工程、儲能科學與工程等相關專業的教材或教學參考書，也可作為光伏產業技術人員的參考書和培訓用書，還可供光伏技術愛好者選用。
本書第1章、第3章和第4章由武莉莉撰寫，第2章由張靜全撰寫，第5章和第6章由曾廣根撰寫，第7章和第9章由郝霞撰寫，第8章由趙德威、陳聰撰寫。全書最后由武莉莉進行修改與整理。在編寫過程中，作者參考并引用了多名學者和專家的著作與研究成果，在此一并表示感謝。
由于作者水平有限，書中難免有不妥之處，懇請廣大讀者不吝批評指正！

編著者
2024年4月于四川大學

第1章 太陽輻射與太陽電池
1.1太陽光的屬性 1
1.1.1波粒二象性 1
1.1.2光子能量 1
1.1.3光子通量 2
1.1.4光譜輻照度 3
1.1.5輻射功率密度 3
1.2黑體輻射 3
1.3太陽輻射 5
1.3.1太陽 5
1.3.2太空中的太陽輻射 6
1.3.3地球上的太陽輻射 7
1.3.4大氣質量 8
1.3.5標準光譜 9
1.4太陽能的轉換方式 11
1.5太陽電池概述 12
1.6電能 13
思考題與習題 14
參考文獻 14

第2章 光電轉換物理基礎
2.1半導體宏觀光學性質和光學常數 16
2.1.1折射率和吸收系數 16
2.1.2反射系數和透射系數 18
2.2半導體的光吸收 19
2.2.1本征光吸收 19
2.2.2其他光吸收過程 23
2.3非平衡載流子 25
2.3.1非平衡載流子的注入 25
2.3.2非平衡載流子壽命、準費米能級 26
2.3.3非平衡載流子復合 28
2.4載流子輸運 34
2.4.1載流子擴散運動 34
2.4.2載流子漂移擴散，愛因斯坦關系式 37
2.4.3連續性方程式及應用 40
思考題與習題 44
參考文獻 44

第3章太陽電池的基本原理和特性
3.1光生伏打效應 45
3.1.1功函數和親和勢 45
3.1.2內建靜電場與有效力場 46
3.1.3一般情況下Voc的表達式 48
3.2半導體界面及其類型 50
3.2.1半導體-真空界面 50
3.2.2半導體-半導體同質結 51
3.2.3半導體-半導體異質結 51
3.2.4半導體-金屬界面 53
3.2.5半導體-絕緣體界面 53
3.2.6金屬-絕緣體-半導體和半導體-絕緣體-半導體界面 54
3.3用于太陽電池的半導體界面組態 55
3.3.1光生伏打效應的界面結構 55
3.3.2歐姆接觸 55
3.3.3選擇性歐姆接觸 57
3.4精細平衡原理 57
3.4.1黑暗狀態 58
3.4.2光照狀態 59
3.5電流 60
3.5.1光生電流 61
3.5.2暗電流 61
3.6太陽電池的特性 63
3.6.1伏安特性曲線 63
3.6.2短路電流 64
3.6.3光生電壓 66
3.6.4填充因子和轉換效率 68
3.6.5量子效率和光譜響應 69
3.7影響太陽電池性能的因素  72
3.7.1寄生電阻 72
3.7.2溫度的影響 73
3.7.3光強的影響 74
3.8理論轉換效率極限 76
3.9太陽電池的設計原則 77
3.10疊層太陽電池 78
3.10.1疊層太陽電池原理 79
3.10.2疊層太陽電池結構 79
3.10.3兩端疊層太陽電池的性能與設計 80
3.11小結 81
思考題與習題 82
參考文獻 82

第4章 晶體硅太陽電池
4.1單晶硅材料的性質 84
4.1.1基本性質 84
4.1.2光吸收特性 84
4.1.3摻雜特性 85
4.1.4載流子復合特性 86
4.1.5載流子輸運特性 89
4.2晶體硅太陽電池的早期結構演變 90
4.2.1早期硅太陽電池 90
4.2.2背面場 91
4.2.3紫電池 91
4.2.4黑硅電池 92
4.3晶體硅太陽電池的效率損失及提高策略 93
4.3.1效率損失機制 93
4.3.2減反射技術 94
4.3.3陷光技術 96
4.3.4電極優化 98
4.3.5摻雜工藝優化 101
4.3.6鈍化技術 106
4.4高效電池結構 112
4.4.1高效電池的設計思想 112
4.4.2PERC、PERL和PERT太陽電池 112
4.4.3硅異質結太陽電池 113
4.4.4TOPCon太陽電池 114
4.4.5刻槽埋柵太陽電池 115
4.4.6背接觸背結太陽電池 115
4.4.7硅球太陽電池 116
4.4.8多種高效技術結合的太陽電池 116
思考題與習題 117
參考文獻 117

第5章 砷化鎵太陽電池
5.1砷化鎵材料的性質 119
5.1.1砷化鎵的晶體結構 119
5.1.2砷化鎵的能帶結構 120
5.1.3砷化鎵作為太陽電池材料的優缺點 120
5.1.4砷化鎵薄膜材料的制備 121
5.2砷化鎵太陽電池的設計和優化 123
5.2.1砷化鎵太陽電池的發展 123
5.2.2砷化鎵太陽電池類型 123
5.2.3單結砷化鎵太陽電池的設計與優化 127
5.2.4多結砷化鎵太陽電池的設計與優化 129
5.3聚光太陽電池與空間太陽電池原理與設計 132
5.3.1聚光太陽電池 132
5.3.2聚光太陽能發電系統組件 132
5.3.3聚光太陽電池設計 135
5.3.4空間太陽電池 136
5.4砷化鎵太陽電池的發展趨勢 138
思考題與習題 139
參考文獻 139

第6章 非晶硅太陽電池
6.1非晶硅材料結構與電子態 141
6.1.1非晶硅材料結構 141
6.1.2非晶硅材料的電子態 141
6.2非晶硅材料的光學特性 143
6.2.1非晶硅材料的光吸收 143
6.2.2非晶硅材料的光譜響應 144
6.2.3非晶硅材料的紅外吸收及拉曼光譜 144
6.2.4光致衰減效應 146
6.3非晶硅材料的電學特性 147
6.3.1本征非晶硅材料的電學特性 147
6.3.2非晶硅的摻雜特性 148
6.3.3非晶硅的光電導 149
6.4非晶硅太陽電池設計和優化 150
6.4.1非晶硅電池特點 150
6.4.2非晶硅電池結構設計 151
6.4.3制備工藝設計優化 153
6.5非晶硅疊層太陽電池 154
6.5.1非晶硅疊層電池概述 154
6.5.2a-Si：H雙結疊層太陽電池 154
6.5.3a-Si：H三結疊層太陽電池 156
6.6非晶硅太陽電池的發展趨勢 157
思考題與習題 157
參考文獻 157

第7章 碲化鎘太陽電池和銅銦鎵硒太陽電池
7.1引言 159
7.1.1電池結構 159
7.1.2發展歷史 159
7.2多晶半導體材料 160
7.2.1晶界 161
7.2.2晶界對載流子輸運的影響 162
7.2.3晶界的耗盡層近似 163
7.2.4多數載流子的輸運 166
7.2.5光照的影響 168
7.2.6少數載流子的輸運 169
7.2.7晶界效應 170
7.3多晶異質結薄膜太陽電池的設計原則 170
7.3.1吸收層禁帶寬度 174
7.3.2能級排列 175
7.3.3窗口層摻雜 176
7.3.4費米能級釘扎 177
7.3.5吸收層摻雜 177
7.3.6吸收層厚度 178
7.3.7晶界 179
7.3.8背接觸勢壘 179
7.3.9緩沖層厚度 179
7.3.10前表面梯度帶隙 180
7.3.11背表面梯度帶隙 180
7.4碲化鎘的性質 180
7.4.1碲化鎘的物理性質 180
7.4.2碲化鎘的電學性質 181
7.5碲化鎘太陽電池的設計 182
7.5.1窗口層設計 183
7.5.2窗口層 吸收層界面 184
7.5.3吸收層摻雜及設計優化 185
7.5.4背接觸優化 186
7.6銅銦鎵硒的性質 187
7.6.1CIGS的結構特性 187
7.6.2CIGS的電學特性 189
7.6.3CIGS的光學性質及制備方法 191
7.7銅銦鎵硒太陽電池的設計 191
7.7.1銅銦鎵硒太陽電池基本結構 191
7.7.2窗口層及界面 194
7.7.3吸收層摻雜 194
7.7.4吸收層帶隙梯度 195
思考題與習題 197
參考文獻 197

第8章 鈣鈦礦太陽電池
8.1鈣鈦礦太陽電池材料 201
8.1.1鈣鈦礦材料的結構和性質 201
8.1.2電子傳輸層 203
8.1.3介孔骨架材料 207
8.1.4空穴傳輸層材料 209
8.1.5電極材料 212
8.2鈣鈦礦太陽電池器件結構、工作原理及設計優化 214
8.2.1鈣鈦礦太陽電池器件結構 214
8.2.2鈣鈦礦太陽電池工作原理 215
8.2.3鈣鈦礦太陽電池結構設計及性能優化 216
8.3鈣鈦礦基疊層太陽電池 221
8.3.1鈣鈦礦 Si疊層太陽電池 223
8.3.2鈣鈦礦 CIGS疊層太陽電池 227
8.3.3全鈣鈦礦疊層太陽電池 229
8.4鈣鈦礦基太陽電池的穩定性 233
8.4.1本征穩定性 233
8.4.2封裝器件的穩定性 237
思考題與習題 238
參考文獻 238

第9章 新概念太陽電池
9.1引言 248
9.2中間帶太陽電池 248
9.2.1中間帶太陽電池的基本概念 248
9.2.2量子點中間帶電池 251
9.2.3體材料的中間帶與電池 254
9.2.4薄膜中間帶材料 256
9.3碰撞電離太陽電池 257
9.3.1基本概念 257
9.3.2碰撞電離太陽電池效率 258
9.3.3量子點中多激子產生 259
9.4熱載流子太陽電池 261
9.4.1光生載流子熱弛豫過程 262
9.4.2熱載流子太陽電池的理論效率極限 263
9.5熱光電及熱光子轉換器 263
9.5.1熱光伏電池 263
9.5.2熱光子轉換器 266
思考題與習題 267
參考文獻 267