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……就让佐藤胜昭编著的《金色的能量——太阳能电池大揭秘》这本书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。
更多科学出版社服务，请扫码获取。
一直以来自然能源中最受瞩目的非太阳能莫属，然而太阳能转换技术却一直开发不足。开发高效低耗的太阳能电池日益重要，于是越来越多的人投入到太阳能电池的研发中。怎样让普通读者也可以理解这种新能源技术呢？ 佐藤胜昭编著的《金色的能量——太阳能电池大揭秘》针对有志于研究太阳能电池的学生以及在其他领域工作的人们，用图解的方式由浅入深地介绍了这一被人们寄予厚望的新能源技术。
佐藤胜昭，1942年生于日本兵库县。1966年京都大学研究生院工学研究专业硕士课程结业。工学博士。1966年加入日本广播协会（NHK），1984 年担任东京农工大学工学部助教、1989年任教授、2005年任副校长，2007年被授予名誉教授。2007年担任日本科学技术振兴机构（JST）战略创 造研究推进事业研究负责人、应用物理学会高级研究员。著有《锻炼理科能力Q&A》（Science i新书）、《光与磁》（朝仓书店），《应用电子物性工学》（Corona出版社，合著）、《应用物性》（OHM社）、《半导体物性Q&A》（讲谈 社）等。1994年开始在家安装太阳能电池，并公布其15年的数据。坂本纪子（Design Studio Palette）美术指导。
目录
第1章 太阳光和太阳能电池（入门篇） 001
001 太阳能电池时代来临①南极冰山证实了C02剧増 002
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 004
003 照射到地球表面的太阳光能量——1.37kW/m2 006
004 地球每年从太阳获得的能量相当于1000亿吨石油 008
005 太阳光中含有不可见光 太阳光谱① 010
006 太阳光中含有不可见光 太阳光谱② 012
007 随着季节、时间、气候变化的太阳光能量 014
008 追溯太阳能电池的历史 起源于19世纪 016
009 利用半导体将光能转换为电能 018
010 太阳能电池中的pn结二极管 020
011 太阳能电池板中pn结二极管的功能 022
012 如何求转换效率？ 024
013 太阳能电池的转换效率为何达不到100% 026
014 太阳能电池板（太阳能电池组件）由多个单元电池组成 028
015 —块太阳能电池板（太阳能电池组件）能发多少瓦电 030
016 太阳能电池并不喜欢夏日剌眼的阳光 032
017 太阳能电池不能直接接入家庭用电 直流和交流 034
COLUMN 为何使用交流方式输送电力 036
第2章 太阳能电池关键技术（中级篇） 037
018 制备太阳能电池时所使用的各种技术 038
019 高品质单晶硅生长方法 区域提纯法和提拉法 040
020 多晶挂铸链 042
021 晶体桂和薄膜桂太阳能电池的制作过程完全不同 044
022 砷化镓单晶采用凝固方法制造 046
023 透明电极像金属一样能导电是由氧缺陷所致 048
024 尽可能将更多的光导入半导体① 防反射膜的作用 050
025 将尽可能更多的光导入半导体② 改善防反射膜的方法 052
026 不同波长的角色分配多结串联电池 054
027 使用透镜或平面镜汇 聚光线聚光型太阳能电池 056
COLUMN 用数据说话：太阳能发电的真相①一天中发电量的变化058
第3章 从太阳能发电组件到太阳能发电系统（中级篇） 059
028 太阳能电池板（太阳能电池组件）的制造过程 060
029 太阳能电池实验中使用的人工光源日光模拟器 062
030 建材型太阳能电池① 根据安装方式分类 064
031 建材型太阳能电池② 建材型的性能要求 066
032 将直流电转换成交流电的装置逆变器的工作原理 068
033 对太阳能电池的输出进行并网系统连接 070
034 贡献出您家的屋顶地域集中型太阳能发电 072
035 雨后春算般的兆瓦级光伏电站 074
036 智能电网带来的电力革新 076
COLUMN 用数据说话：太阳光发电的真相②雨天也能发电 078 )
第4章 形形色色的太阳能电池（高级篇） 079
037 太阳能电池材料的变革①太阳能电池的分类 080
038 太阳能电池材料的变革②太阳能电池的比较 082
039 各有千秋丨 半导体的吸收光谱 084
040 占市场份额75%的晶体硅太阳能电池① 086
041 占市场份额75%的晶体硅太阳能电池② 088
042 转换效率高的晶体硅单晶硅太阳能电池 090
043 与单晶挂相比转换效率低、成本也低的多晶硅太阳能电池092
044 转换效率低但成本更低的硅薄膜太阳能电池① 094
045 转换效率低但成本更低的硅薄膜太阳能电池② 096
046 转换效率低、成本更低的硅薄膜太阳能电池③ 098
047 活跃于太空中的Ⅲ-V族化合物半导体太阳能电池 100
048 Ⅲ-V族化合物半导体的晶体结构和原子结合 102
049 转换效率为40%的混晶Ⅲ-V族化合物半导体太阳能电池 104
050 因低成本而迅速普及的CdTe薄膜太阳能电池 106
051 CIGS薄膜太阳能电池的晶体结构和物理性质 108
052 CIGS薄膜太阳能电池的结构与特性 110
053 有机化合物与碳共同作用发电的有机太阳能电池 .112
054 通过二氧化钛与染料来发电——染料敏化太阳能电池…… 114
COLUMN 用数据说话：太阳光发电的真相③太阳能电池的发电量会逐年减少吗? 116
第5章 应用于太阳能电池的半导体入门（高级篇） 117
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 118
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 120
057 半导体与金属、绝缘体的不同之处 122
058 带隙决定半导体的电学性质 124
059 带隙决定半导体的光学性质 126
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 128
061 原子聚集形成固体时就出现了能带 130
062 电子具有一定的统计分布规律——费米分布 132
063 杂质掺杂①n型半导体和施主能级 134
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 136
065 杂质掺杂③p型半导体的空穴和受主能级 138
066 间接跃迁原理①从动量守恒定律的角度考虑 140
067 间接跃迁原理②从自由电子波数的角度考虑 142
068 间接跃迁原理③从周期性势场中的电子波的角度考虑……144
069 间接跃迁原理④半导体的光吸收 146
070 硅为什么不是金属却有金属光泽 148
071 半导体中的电子真的比自由电子质量轻吗？ 150
COLUMN 用数据说话：太阳光发电的真相④削峰效果？ 152
第6章 太阳能电池半导体器件入门（高级篇） 153
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 154
073 在pn结界面上形成的耗尽层和内建电场 156
074 pn结二极管的正向特性 电流呈指数上升 158
075 pn结二极管的反向特性 电流很小，几乎为零 160
076 通过改变背面电场（BSF)提高效率 太阳能电池能带的截面结构 162
077 延长少子寿命 钝化 164
078 能带间隙决定转换效率转换效率的理论极限 166
COLUMN 能源回收期小于2年 168
第7章 太阳能电池发展方向（高级篇) 169
079 进一步降低太阳能电池成本 如何降低材料、晶片的成本 170
080 进一步提高太阳能电池的发电效率 172
081 有益于环境的太阳能电池材料太阳能电池的元素战略 174
082 太阳能发展计划将太阳能电池发的电送到世界各地 176
COLUMN 回顾生态住宅的15年 178
参考文献 179
译后记 181
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
发电和生物酒精制造等。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
书单推荐
