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在我们生活的世界中，各种各样形形色色的事物和现象，其中都必定包含着科学的成分。在这些成分中，有些是你所熟知的，有些是你未知的，有些是你还一知半解的。面对未知的世界，好奇的你是不是有很多疑惑、不解和期待呢？！“形形色色的科学”趣味科普丛书，把我们身边方方面面的科学知识活灵活现、生动有趣地展示给你，让你在畅快阅读中收获这些鲜活的科学知识！

金色的阳光带给人们光明和温暖，也把能量源源不断地传递给地球。作为自然能源中被人们寄予厚望的新能源，你对太阳能有怎样的了解呢？太阳能电池的原理和应用、太阳能发电技术、相关的半导体知识……就让这《金色的能量：太阳能电池大揭秘》为你解密阳光中的无穷能量吧！

《金色的能量：太阳能电池大揭秘》适合青少年读者、科学爱好者以及大众读者阅读。

第1章 太阳光和太阳能电池(入门篇)

001 太阳能电池时代来临①南极冰山证实了CO2剧增

002 太阳能电池时代来临②可再生能源中最容易获取的能源

003 照射到地球表面的太阳光能量——1.37kW/m2

004 地球每年从太阳获得的能量相当于1000亿吨石油

005 太阳光中含有不可见光太阳光谱①

006 太阳光中含有不可见光太阳光谱②

007 随着季节、时间、气候变化的太阳光能量

008 追溯太阳能电池的历史 起源于19世纪

009 利用半导体将光能转换为电能

010 太阳能电池中的pn结二极管

011 太阳能电池板中pn结二极管的功能

012 如何求转换效率?

013 太阳能电池的转换效率为何达不到100%

014 太阳能电池板(太阳能电池组件)由多个单元电池组成

015 一块太阳能电池板(太阳能电池组件)能发多少瓦电

016 太阳能电池并不喜欢夏日刺眼的阳光

017 太阳能电池不能直接接入家庭用电直流和交流

COLUMN 为何使用交流方式输送电力

第2章 太阳能电池关键技术(中级篇)

018 制备太阳能电池时所使用的各种技术

019 高品质单晶硅生长方法区域提纯法和提拉法

020 多晶硅铸锭

021 晶体硅和薄膜硅太阳能电池的制作过程完全不同

022 砷化镓单晶采用凝固方法***

023 透明电极像金属一样能导电是由氧缺陷所致

024 尽可能将更多的光导入半导体①防反射膜的作用

025 将尽可能更多的光导入半导体②改善防反射膜的方法

026 不同波长的角色分配多结串联电池

027 使用透镜或平面镜汇聚光线 聚光型太阳能电池

COLUMN 用数据说话:太阳能发电的***①一天中发电量的变化

第3章 从太阳能发电组件到太阳能发电系统(中级篇)

028 太阳能电池板(太阳能电池组件)的***过程

029 太阳能电池实验中使用的人工光源日光模拟器

030 建材型太阳能电池①根据安装方式分类

031 建材型太阳能电池②建材型的性能要求

032 将直流电转换成交流电的装置逆变器的工作原理

033 对太阳能电池的输出进行并网系统连接

034 贡献出您家的屋顶 地域集中型太阳能发电

035 雨后春笋般的兆瓦级光伏电站

036 智能电网带来的电力革新

COLUMN 用数据说话:太阳光发电的***②雨天也能发电

第4章 形形色色的太阳能电池(高级篇)

037 太阳能电池材料的变革①太阳能电池的分类

038 太阳能电池材料的变革②太阳能电池的比较

039 各有千秋!半导体的吸收光谱

040 占市场份额75%的晶体硅太阳能电池①

041 占市场份额75%的晶体硅太阳能电池②

042 转换效率高的晶体硅单晶硅太阳能电池

043 与单晶硅相比转换效率低、成本也低的多晶硅太阳能电池

044 转换效率低但成本更低的硅薄膜太阳能电池①

045 转换效率低但成本更低的硅薄膜太阳能电池②

046 转换效率低、成本更低的硅薄膜太阳能电池③

047 活跃于太空中的III-V族化合物半导体太阳能电池

048 III-V族化合物半导体的晶体结构和原子结合

049 转换效率为40%的混晶III-V族化合物半导体太阳能电池

050 因低成本而迅速普及的CdTe薄膜太阳能电池

051 CIGS薄膜太阳能电池的晶体结构和物理性质

052 CIGS薄膜太阳能电池的结构与特性

053 有机化合物与碳共同作用发电的有机太阳能电池

054 通过二氧化钛与染料来发电——染料敏化太阳能电池

COLUMN 用数据说话:太阳光发电的***③太阳能电池的发电量会逐年减少吗?

第5章 应用于太阳能电池的半导体入门(高级篇)

055 金属的光电效应无法应用于太阳能电池若不施加高电压就无法获取光电流

056 在半导体单体上无法制成太阳能电池光生电需要与半导体相连接

057 半导体与金属、绝缘体的不同之处

058 带隙决定半导体的电学性质

059 带隙决定半导体的光学性质

060 有机物的分子轨道与半导体能带结构的差异以染料敏化太阳能电池为例

061 原子聚集形成固体时就出现了能带

062 电子具有一定的统计分布规律——费米分布

063 杂质掺杂①n型半导体和施主能级

064 杂质掺杂②掺杂半导体的载流子密度与温度之间的关系

065 杂质掺杂③p型半导体的空穴和受主能级

066 间接跃迁原理①从动量守恒定律的角度考虑

067 间接跃迁原理②从自由电子波数的角度考虑

068 间接跃迁原理③从周期性势场中的电子波的角度考虑

069 间接跃迁原理④半导体的光吸收

070 硅为什么不是金属却有金属光泽

071 半导体中的电子真的比自由电子质量轻吗?

COLUMN 用数据说话:太阳光发电的***④削峰效果?

第6章 太阳能电池半导体器件入门(高级篇)

072 太阳能电池是二极管的一种二极管的起源是真空二极管

073 在pn结界面上形成的耗尽层和内建电场

074 pn结二极管的正向特性电流呈指数上升

075 pn结二极管的反向特性电流很小,几乎为零

076 通过改变背面电场(B***)提高效率太阳能电池能带的截面结构

077 延长少子寿命钝化

078 能带间隙决定转换效率 转换效率的理论极限

COLUMN 能源回收期小于2年

第7章 太阳能电池发展方向(高级篇)

079 进一步降低太阳能电池成本如何降低材料、晶片的成本

080 进一步提高太阳能电池的发电效率

081 有益于环境的太阳能电池材料太阳能电池的元素战略

082 太阳能发展计划将太阳能电池发的电送到世界各地

COLUMN 回顾生态***的15年

参考文献

译后记

譚毅

1993年3月获东京工业大学金属工学博士学位，1997年与2001年分别在日本超高温材料研究所和美国加利福尼亚大学洛杉矶分校任研究员，2009年受聘于大连理工大学，任材料学院教授、能源研究院副院长至今。现从事冶金法提纯多晶硅材料、薄膜材料、高温材料等新能源材料的研究。

史蹟

1984年毕业于大连理工大学金属材料专业，1997年获东京工业大学金属工学博士学位，2004年任东京工业大学材料工学副教授，2012年4月升任教授至今。现从事金属物理、功能材料、结构分析等材料科学的研究。

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太阳能电池时代来临①

南极冰山证实了CO2剧增

图1所示的是南极冰床中储存的CO2（二氧化碳）浓度与时间之间的

关 系 曲 线 ， 根 据 测 量 可 知 ，CO 2 在 1 8 世 纪 末 的 浓 度 大 约 是 2 8 0 p p m

（1ppm=1μL/L ），到20 世纪超过了300ppm ，从1960 年开始急剧增加，进

入21 世纪已经超过350ppm 。2010 年日本气象厅公布的数值显示，该浓度

已经达到390ppm 。

图2是相同年代地球平均气温变化曲线，受到各种因素影响，在过去

100 年间全球温度上升了0.74 ℃，由上可知，气温的变化趋势与CO2浓度变

化曲线非常相似。

为什么CO2浓度增加会使地球环境温度升高呢？这是因为空气中的

CO2吸收了从地球放射到宇宙中的红外线，地球仿佛成了一个巨大的塑料

大棚。英语中把它称为“green house effect ”，译为“温室效应”。

CO2主要由煤、石油等化石燃料燃烧产生。在我们的日常生活中，做

饭、洗澡、使用暖气时所需的电能，一半以上都是由火力发电供给的，因

此，人类必须采取措施，减少CO2的排放。

2009 年1月，美国总统奥巴马修正了部分原有政策，提出了以建设低碳

社会为目标的“绿色新政”。2009 年9月，当时的日本首相鸠山由纪夫在联

合国大会上承诺，日本将在2025 年之前把温室气体排放量减少25% 。

因此我们必须寻找化石燃料以外的新能源。作为化石燃料的替代

品，人们开始使用核能发电，但是随着2011 年由地震导致的核电站事故的

发生，核能发电的安全性重新引起世人担忧。因此，人们今后将会更加关

注可再生能源。

CO2会给地球带来“温室效应”

CO2主要由化石燃料燃烧产生

第1章 太阳光和太阳能电池（入门篇）

图 1 大气中CO2浓度随时间变化曲线

图 2 测量值随时间的变化

图中显示的是在过去一万年时间里大气中CO2

浓度的变化规律（图中放大的小图是1750年之

后的变化规律）。1960年以后的数据来源于南

极冰床中储存的CO2测量值（不同颜色表示不

同的研究工作）。1960年以后的数据（红线）

来源于空气中CO2的测量值，由此可以看到从

1900年开始，在最近的100年间CO2含量大幅

度上升

出处：IPCC 第四次报告书(2007)

10000 5000 0

截至2005年的时间

350

300

250

（ppm） 400

350

300

1800 1900 2000

CO2

浓

度

截至1900年，全球平均气温保

持在13.7℃±0.2℃范围内，在

截至2005年的100年间，全球

平均气温上升了0.74℃

蓝点表示潮位计的数据，红线

是经人造卫星测定的数据。我

们可以看出，在截至2005年的

100年间，海平面大约升高了

150mm

积雪面积在80年间一共减少了

200万km2，相当于日本国土面

积的5倍

出处：IPCC 第四次报告书(2007)

14.5

14.0

13.5

40

36

32

-4

-150

-100

-50

0

50

-0.5

0.0

0.5

0

4

（106km2） （106km2）

（mm）

（℃） （℃）

1850 1900

年份

1950 2000

（a）地球平均气温

（b）地球平均海平面高度

（c）北半球积雪面积

1961年与1990年的差值

气温

作为化石燃料的煤、石油、天然气以及核燃料的铀，都被称为枯竭

性能源。与此相对应的，自然界中能够反复使用，并且可再生速率比消耗

速率快的能源，都称为可再生能源。

可再生能源的基本源泉是太阳和月亮。如图1所示，太阳能的利用可

以分为直接方式和间接方式，直接方式包括太阳能热水器、太阳能电池

等，间接方式有通过水循环进行的水力发电，风循环进行的风力发电、帆

船行使等，除此之外，还有利用受惠于太阳光生长的植物进行的生物质能

发电和生物酒精***等。另外，还有利用月球引力所引起的潮位变化来进

行的潮汐发电、利用地球内部岩浆产生的热进行的地热发电等。

除水力发电之外的所有可再生能源都称为新能源。新能源总量仅占

一次能源供给总量的3%。而且，其中50%是利用垃圾发电，直接利用太

阳能发电方面的进展不大。

本书所描绘的太阳能电池，是以电能的形式输出太阳能，这种方式

比直接利用太阳热能更加方便。在光能转换为电能的过程中，主要利用的

是“光电效应”半导体物理现象。有关详细内容将在（011）和第6章中进

行具体解释，这里只做简单说明。半导体是在IC芯片中使用的材料。经光

照射后，材料中会产生正电荷和负电荷。如果将这些正、负电荷进行有序

分离的话，在外部回路中就能产生电能。在这个过程中需要制作一个特定

的结构，这个结构就是pn结二极管。半导体有p型半导体和n型半导体两种

类型，因此我们首先要理解的就是如何利用这两种不同类型半导体的结合

使电荷发生分离，利用光伏效应输出电流。

002 太阳能电池时代来临②

可再生能源中最容易获取的能源

从大自然中产生，并且能够再生的能源称为可再生能源

热水器、太阳能电池、水力发电、风力发电等都是由太阳

光产生的能量

第1章 太阳光和太阳能电池（入门篇）

图 1 太阳等自然界中的可再生能源

图 2 太阳能电池的发电原理

名 词 解 释

一次能源 化石燃料、铀、太阳光等自然界中可以直接获得的能源。电、煤气、汽油等通

过加工获得的能源称为二次能源

太阳能热水器和太阳能电池都是直接利用太阳光的设备。水力发电、

风力发电、帆船等都是利用由太阳光照引起的水、空气循环的能量。

生物质能发电和生物酒精利用的是在太阳光照下生长的植物

雨

风

风

风力发电

太阳能电池

太阳能

热水器

生物质能发电

水力发电

生物酒精

上升气流

当太阳光照射在半导体表面上时，正、负电荷发生结合，此时

不能产生电流（如左图所示）。如果内部有pn结存在的话，可

以将正、负电荷分离，此时就可以产生电流（如右图所示）

正电荷 负电荷

半导体

+ -

p型半导体 n型半导体

半导体pn结

-

-

+

+

光 光 光

光 光 光

照射到地球表面的太阳光

能量――1.37kW/m2

太阳能电池是通过接收太阳光来发电的装置，因此，在学习太阳能

电池基础知识之前，我们需要先估算一下太阳光中蕴含能量的大小。这将

对学习太阳能转换效率的计算有所帮助。

首先，让我们来计算一下太阳光照射在1m2（平方米）地面上会产生

多少能量。太阳是半径为6.96×103km 的气体天体，太阳中的氢原子通过核

聚变转化成氦原子，在这个过程中释放出巨大的热能。太阳表面温度很

高，1s( 秒)放射出来的光的能量是3.85×1026J（焦耳）。假设照射在地球大

气圈外的能量密度为P ，太阳能平均分布在以太阳为中心、半径为

1.496×1011m2的球面上，则

3.85×1026W

P=

4π×(1.469×1011m)2

≈1.37kW/m2

我们把它称为太阳常数。

照射在地球表面的太阳光，在穿过大气层的时候，部分能量被大气

层中存在的氮气、氧气、水蒸气、二氧化碳等气体分子吸收，使到达地球

表面的太阳光能量密度比大气层外的P值小。太阳光穿透空气的量称为

AM ，所以在大气圈外是AM-0 ，从天空垂直入射时是AM-1 ，在中纬度地

带（赤道区域），考虑到太阳光要穿透大气层的1.5 倍，所以称为AM

1.5 。AM-1.5 的太阳光能量密度大约是1kW/m2。

如果太阳能电池的转换效率是100% 的话，光照射在1m2面积上就可以

获 得 1 k W 的 电 能 。 而 家 庭 中 实 际 使 用 的 太 阳 能 电 池 转 换 效 率 是

10%～20% ，所以一块边长为1m 的正方形太阳能电池板上可以获得的太阳

能是100～200W 。

003

地球大气圈外照射的太阳能量密度P是1.37kW/m2

由于大气层对太阳光的吸收，到达地球表面的太阳能量密

度大约是1kW/m2

第1章 太阳光和太阳能电池（入门篇）

图1 照射在地球上的太阳光能量计算

图 2 到达地球表面的太阳光能量计算

名 词 解 释

能量和功率 能量[单位为焦耳(J)]的流动称为功率[单位为瓦特(W)]。1s内通过1J的能量，

功率为1W（1J/s）

太阳每秒钟释放能量3.85×1026J

到达地球的太阳光能量（太阳

常数）是1.37kW/m2

这是 AM-0 的能量密度

到达地球表面的太阳光能量密度

大约是1kW/m2

太阳到地球的距离是1.496×1011m

41.8°

进入大气层之前的太阳

光能量称为AM-0，大约

是1.37kW/m2

当以倾斜角41.8°照射地球

表面时称为AM-1.5，能量

密度是1kW/m2

垂直照射地球表面的

时候称为AM-1，能量

密度大约是1.1kW/m2

地 表

太阳光穿过大气层时产生衰减，由于太阳光穿过中纬度时

所通过的距离大约是低纬度时的1.5倍，所以衰减量更大

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书籍介绍

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