前言

与所有学科的发展一样，理论与实践相结合、科学与技术相结合，是促进太阳电池和光伏技术发展的必然途径。纵观60多年来太阳电池的发展历程，重要的设计思路和技术上的进步都是在半导体理论指导下取得的。理论基础越扎实，取得重大技术突破的希望就越大。

光伏发电的核心部分是太阳电池以及由其封装而成的光伏组件。本书阐述的是晶体硅太阳电池物理。

本书作者在阅读国内外相关科技文献资料、了解前人研究成果的基础上，结合自己的研究和思考，应用量子力学基础理论、固体能带理论和半导体载流子运行规律，系统介绍了晶体硅太阳电池的电能产生机理。本书内容分为两大部分：与太阳电池相关的半导体物理基础（前6章）和各类晶体硅太阳电池（后11章）。全书的内容是众多同行智慧的结晶。

在半导体物理基础部分，本书由浅入深地介绍了半导体的能带与态密度，载流子浓度分布及其输运特性，以及俄歇复合、隧穿效应等与高效晶体硅太阳电池密切相关的物理问题。无论对新颖太阳电池的设计，还是新工艺的实施，半导体物理基础理论都是非常重要的。

在晶体硅太阳电池物理方面，同质pn结晶体硅太阳电池物理是所有太阳电池的理论基础。本书首先详细讨论了同质结太阳电池在准中性区存在电场的情况下的终端特性，然后讨论了异质结太阳电池。其中，金属-半导体（MS）太阳电池和金属-绝缘体-半导体（MIS）太阳电池虽然发展较缓慢，但它们所涉及的一些物理问题，如界面态复合、隧穿效应、欧姆接触等，均与当今的高效太阳电池息息相关。

书中讨论了高效叉指式背接触（IBC）聚光太阳电池。这类太阳电池不仅集多种高效技术于一身，而且是硅基太阳电池中性能最好的聚光电池，其物理模型和计算方法涉及三维处理，其光电转换效率正在向极限效率推进。

本书专题讨论了太阳电池效率极限和一些典型的高效电池设计思路，进一步诠释了太阳电池物理机理。书中还介绍了正在研究中的几种新颖硅基太阳电池，如石墨烯/硅异质结太阳电池、钙钛矿/硅串联太阳电池等。现在有很多人将大幅度提高太阳电池光电转换效率的希望寄托于基于热物理的太阳电池，本书也对其机理进行了分析。

掌握太阳电池的专业物理知识固然重要，但作者认为处理复杂物理问题的方法和技巧尤为重要。实际问题往往是很复杂的，如何合理地进行简化处理是很有讲究的，所以本书特别注重介绍研究实际问题的方法。本书还专门设置了一章，系统地介绍太阳电池物理模型和数值计算方法，其典型软件选用的是由美国宾夕法尼亚州立大学福纳什（S.Fonash）教授及其团队开发的AMPS。

当我们在应用或引用重要的理论公式时，往往会有些纠结：未经自己推导，心中不踏实，而推导公式又很费时间，在快节奏的当今，很难实现。为此，本书特别关注公式的推导和演绎，除了一些经验公式外，尽可能对所有基本的物理公式进行详细的推导。计算物理模型中的所有公式均可从基础理论各章内容中追溯。尽管这将导致本书的撰写显得不够简洁，但可使其更适合众多光伏行业的科研人员和工程师阅读。

希望本书的出版能对我国光伏科技人才的培养和新颖光伏器件的研究开发有促进作用。

感谢我多年科研工作的合作伙伴金步平研究员，他细心地校阅了本书的前半部分章节。

感谢国家科学技术学术著作出版基金的资助。

需要特别说明的是，书中的公式、符号繁多，全书可能会有前后符号不统一或符号的下标标注不确切之处，请予谅解。

由于作者水平有限，书中难免存在疏漏和不当之处，敬请广大读者批评指正。

编著者