Physics of Solar Energy and Energy Storage
2nd Edition
Published on 19. January 2024
Book
Hardback
400 pages
978-1-394-20361-1 (ISBN)
Description
PHYSICS OF SOLAR ENERGY AND ENERGY STORAGE Join the fight for a renewable world with this indispensable introduction
Solar energy is one of the most essential tools in the fight to create a sustainable future. A wholly renewable and cost-effective energy source capable of providing domestic, business, and industrial energy, solar energy is expected to become a $223 billion a year industry by 2026. The future of global energy production demands researchers and engineers who understand the physics of harnessing, storing, and distributing solar energy.
Physics of Solar Energy and Energy Storage begins to meet this demand, with a thorough, accessible overview of the required fundamentals. Now fully updated to reflect the past decade of research amidst a growing understanding of the scale of our collective challenge, it promises to train the next generation of researchers and engineers who will join this vital effort.
Readers of the second edition of Physics of Solar Energy and Energy Storage will find:
A particular focus on lithium-ion rechargeable batteries
Detailed discussions of photovoltaic solar systems, concentrating solar systems, passive solar heating, and more
Homework problems and exercises throughout to reinforce learning
Physics of Solar Energy and Energy Storage is ideal for mechanical, chemical, or electrical engineers working on solar or alternative energy projects, as well as researchers and policymakers in related fields.
Solar energy is one of the most essential tools in the fight to create a sustainable future. A wholly renewable and cost-effective energy source capable of providing domestic, business, and industrial energy, solar energy is expected to become a $223 billion a year industry by 2026. The future of global energy production demands researchers and engineers who understand the physics of harnessing, storing, and distributing solar energy.
Physics of Solar Energy and Energy Storage begins to meet this demand, with a thorough, accessible overview of the required fundamentals. Now fully updated to reflect the past decade of research amidst a growing understanding of the scale of our collective challenge, it promises to train the next generation of researchers and engineers who will join this vital effort.
Readers of the second edition of Physics of Solar Energy and Energy Storage will find:
A particular focus on lithium-ion rechargeable batteries
Detailed discussions of photovoltaic solar systems, concentrating solar systems, passive solar heating, and more
Homework problems and exercises throughout to reinforce learning
Physics of Solar Energy and Energy Storage is ideal for mechanical, chemical, or electrical engineers working on solar or alternative energy projects, as well as researchers and policymakers in related fields.
More details
Edition
2nd edition
Language
English
Place of publication
New York
United States
Target group
Professional and scholarly
Dimensions
Height: 241 mm
Width: 189 mm
Thickness: 26 mm
Weight
910 gr
ISBN-13
978-1-394-20361-1 (9781394203611)
Copyright in bibliographic data and cover images is held by Nielsen Book Services Limited or by the publishers or by their respective licensors: all rights reserved.
Schweitzer Classification
Other editions
Additional editions
C. Julian Chen
Physics of Solar Energy and Energy Storage
E-Book
02/2024
2nd Edition
Wiley
€115.99
Available for download
C. Julian Chen
Physics of Solar Energy and Energy Storage
E-Book
02/2024
2nd Edition
Wiley
€115.99
Available for download
Previous edition
C. Julian Chen
Physics of Solar Energy
Book
07/2011
Wiley
Unfortunately, price unknown
Article exhausted; check for reprint
Person
C. Julian Chen is an adjunct professor and Senior Research Scientist in the Department of Applied Physics and Applied Mathematics at Columbia University since 2007. Prior to his time as an academic, he spent fifteen years in IBM's TJ Watson Research Center, where he performed research on scanning tunneling microscopy (STM). To continue STM research, he served as a Professor of Physics at Hamburg University for three years.
Content
Preface to the Second Edition xix
Preface to the First Edition xxi
Chapter 1: Introduction 1
1.1 Shaping a More Livable World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Fossil Fuels and Beyond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 The Paris Agreement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.3 Phasing Out Coal-Generated Power . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.4 Phasing Out ICE Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.5 Economics of Renewable Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Solar Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Solar Photovoltaics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1 Birth of Modern Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 Basic Terms and Concepts on Solar Cells . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.3 Types of Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 A Rechargeable Battery Primer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.1 Whittingham's Initial Invention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.2 Goodenough's Improved Cathode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.3 Yoshino's Improved Anode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.4 Current Status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5 Other Renewable Energy Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5.1 Hydroelectric Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5.2 Wind Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5.3 Biomass and Bioenergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.5.4 Shallow Geothermal Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.5.5 Deep Geothermal Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.5.6 Tidal Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Chapter 2: Nature of Solar Radiation 37
2.1 Light as Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1.1 Maxwell's Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.2 Vector Potential and Scalar Potential . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.1.3 Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.1.4 Plane Waves and Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.1.5 Sinusoidal Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2 Interface Phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.1 Relative Dielectric Constant and Refractive Index . . . . . . . . 43
2.2.2 Energy Balance and Poynting Vector . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.3 Fresnel Formulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.4 Optics of metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3 Blackbody Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3.1 Rayleigh-Jeans Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.2 Planck Formula and Stefan-Boltzmann's Law . . . . . . . . . . . 55
2.4 Photoelectric Effect and Concept of Photons . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.4.1 Einstein's Theory of Photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.4.2 Millikan's Experimental Verification . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.4.3 Electron As a Material Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.5 Einstein's Derivation of Blackbody Formula . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Chapter 3: Origin of Solar Energy 67
3.1 Basic Parameters of the Sun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.1.1 Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.1.2 Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.1.3 Radius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.1.4 Emission Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.5 Surface Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.6 Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2 Kelvin-Helmholtz Time Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3 Energy Source of the Sun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.1 The p ? p Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3.2 Carbon Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.3 Internal Structure of the Sun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Chapter 4: Tracking Sunlight 77
4.1 Rotation of Earth: Latitude and Longitude . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2 Celestial Sphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.1 Coordinate Transformation: Cartesian Coordinates . . . . . . . . 80
4.2.2 Coordinate Transformation: Spherical Trigonometry . . . . . . . 82
4.3 Treatment in Solar Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.3.1 Obliquity and Declination of the Sun . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.3.2 Sunrise and Sunset Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.3 Direct Solar Radiation on an Arbitrary Surface . . . . . . . . . . 87
4.3.4 Direct Daily Solar Radiation Energy . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3.5 The 24 Solar Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.4 Treatment in Standard Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4.1 Sidereal Time and Solar Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4.2 Right Ascension of the Sun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.4.3 Time Difference Originated from Obliquity . . . . . . . . . . . . 96
4.4.4 Aphelion and Perihelion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.4.5 Time Difference Originated from Eccentricity . . . . . . . . . . . 98
4.4.6 Equation of Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.4.7 Declination of the Sun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.4.8 Analemma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Chapter 5: Interaction of Sunlight with Earth 105
5.1 Interaction of Radiation with Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.1.1 Absorptivity, Reflectivity, and Transmittivity . . . . . . . . . . . 105
5.1.2 Emissivity and Kirchhoff's Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.1.3 Bouguer-Lambert-Beer's Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.2 Interaction of Sunlight with Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.2.1 AM1.5 Reference Solar Spectral Irradiance . . . . . . . . . . . . 109
5.2.2 Annual Insolation Map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.3 Penetration of Solar Energy into Earth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Chapter 6: Thermodynamics of Solar Energy 117
6.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.2 First Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.3 Second Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.3.1 Carnot Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.3.2 Thermodynamic Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.3.3 Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.4 Thermodynamic Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.4.1 Free Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.4.2 Enthalpy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.4.3 Gibbs Free Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.4.4 Chemical Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.5 Ideal Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.6 Ground Source Heat Pump and Air Conditioning . . . . . . . . . . . . . 131
6.6.1 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.6.2 Coefficient of Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.6.3 Vapor-Compression Heat Pump and Refrigerator . . . . . . . . . 133
6.6.4 Ground Heat Exchanger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Chapter 7: A Quantum Mechanics Primer 139
7.1 The Static Schr?odinger Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.1.1 Wavefunctions in a One-Dimensional Potential Well . . . . . . . 142
7.1.2 The Bra-and-Ket Notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.1.3 The Harmonic Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.1.4 The Hydrogen Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.1.5 The Stern-Gerlach Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.1.6 Nomenclature of Atomic States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.1.7 Degeneracy and Wavefunction Hybridization . . . . . . . . . . . 160
7.2 Many-Electron Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.2.1 The Self-Consistent Field (SCF) Method . . . . . . . . . . . . . . 164
7.2.2 Slater Determinates and the Hartree-Fock Method . . . . . . . . 165
7.2.3 Density-Functional Theory (DFT) . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.2.4 HOMO and LUMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.3 The Chemical Bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.3.1 Bonding Energy and Antibonding Energy . . . . . . . . . . . . . 169
7.3.2 The Hydrogen Molecular Ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7.3.3 Types of Chemical Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.4 The Solid State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
7.4.1 Bloch Waves and Energy Bands . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
7.4.2 Effective Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.4.3 Conductor, Semiconductor, and Insulator . . . . . . . . . . . . . 177
7.4.4 Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.4.5 The Band Structure of Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
7.5 The Dynamic Schr?odinger Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7.5.1 A Heuristic Derivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7.5.2 Reduction to Static Schr?odinger's Equation . . . . . . . . . . . . 184
7.5.3 Meaning of the Time-Dependent Phase Factor . . . . . . . . . . 184
7.5.4 Interaction with Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
Chapter 8: pn-Junctions 189
8.1 Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8.1.1 Electrons and Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8.1.2 p-Type and n-Type Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . 191
8.2 Formation of a pn-Junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
8.3 Analysis of pn-Junctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
8.3.1 Effect of Bias Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8.3.2 Lifetime of Excess Minority Carriers . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8.3.3 Junction Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8.3.4 Shockley Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.4 Light-Emitting Diodes for Illumination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
8.4.1 Invention of the Blue LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
8.4.2 The Working Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.4.3 Wavelength Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
8.4.4 The Freestanding GaN Substrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.4.5 A Brief Sketch of History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Chapter 9: Semiconductor Solar Cells 211
9.1 Basic Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
9.1.1 Generating Electric Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.1.2 Solar Cell Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
9.1.3 Maximum Power and Fill Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
9.2 The Shockley-Queisser Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
9.2.1 Ultimate Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
9.2.2 Role of Recombination Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
9.2.3 Detailed-Balance Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
9.2.4 Nominal Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
9.2.5 Shockley-Queisser Efficiency Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
9.2.6 Efficiency Limit for AM1.5 Radiation . . . . . . . . . . . . . . . 224
9.3 Nonradiative Recombination Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
9.3.1 Auger Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
9.3.2 Trap-State Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
9.3.3 Surface-State Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
9.4 Antireflection Coatings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
9.4.1 Matrix Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
9.4.2 Single-Layer Antireflection Coating . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
9.4.3 Double-Layer Antireflection Coatings . . . . . . . . . . . . . . . . 233
9.5 Crystalline Silicon Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
9.5.1 Production of Pure Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
9.5.2 Solar Cell Design and Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
9.5.3 Module Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
9.6 Thin-Film Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
9.6.1 CdTe Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
9.6.2 CIGS Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
9.6.3 Amorphous Silicon Thin-Film Solar Cells . . . . . . . . . . . . . 240
9.7 Tandem Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Chapter 10: Solar Photochemistry 245
10.1 Physics of Photosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
10.1.1 Chlorophyll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
10.1.2 ATP: Universal Energy Currency of Life . . . . . . . . . . . . . . 248
10.1.3 NADPH and NADP+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
10.1.4 Calvin Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
10.1.5 C4 Plants versus C3 Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
10.1.6 Chloroplast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
10.1.7 Efficiency of Photosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
10.2 Artificial Photosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
10.3 Genetically Engineered Algae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
10.4 Dye-Sensitized Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
10.5 Bilayer Organic Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
Chapter 11: Solar Thermal Energy 259
11.1 Early Solar Thermal Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
11.2 Solar Heat Collectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
11.2.1 Selective Absorption Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
11.2.2 Flat-Plate Collectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
11.2.3 All-Glass Vacuum-Tube Collectors . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
11.2.4 Thermosiphon Solar Heat Collectors . . . . . . . . . . . . . . . . 269
11.2.5 High-Pressure Vacuum Tube Collectors . . . . . . . . . . . . . . 271
11.3 Solar Water Heaters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
11.4 Solar Thermal Power Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
11.4.1 Parabolic Trough Concentrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
11.4.2 Central Receiver with Heliostats . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
11.4.3 Paraboloidal Dish Concentrator with Stirling Engine . . . . . . . 274
Chapter 12: Physical Energy Storage 279
12.1 Pumped Hydro Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
12.2 Sensible Heat Energy Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
12.2.1 Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
12.2.2 Solid Sensible Heat Storage Materials . . . . . . . . . . . . . . . 283
12.2.3 Synthetic Oil in Packed Beds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
12.3 Phase Transition Thermal Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
12.3.1 Water-Ice Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
12.3.2 Paraffin Wax and Other Organic Materials . . . . . . . . . . . . 287
12.3.3 Salt Hydrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
Chapter 13: Rechargeable Batteries 289
13.1 An Electrochemistry Primer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
13.1.1 Basic Terms and Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
13.1.2 Oxidation State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
13.1.3 Standard Oxidation-Reduction Potentials . . . . . . . . . . . . . 292
13.2 Lithium-Ion Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
13.2.1 Benefit to Humankind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
13.2.2 Intercalation of Metal Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
13.2.3 The Cathode Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
13.2.4 The Aanode Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
13.2.5 Electrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
13.2.6 The Separator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
13.2.7 Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
13.2.8 Mineral Resource of Lithium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
13.3 Sodium-Ion Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
13.3.1 The Cathode Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
13.3.2 The Anode Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
13.3.3 Rest of the System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
13.4 Traditional Rechargeable Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
13.4.1 Lead-Acid Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
13.4.2 Nickel Metal Hydride Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
Chapter 14: Building with Sunshine 313
14.1 Early Solar Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
14.1.1 Ancient Solar Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
14.1.2 Holistic Architecture in Rural China . . . . . . . . . . . . . . . . 314
14.2 Building Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
14.2.1 Thermal Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
14.2.2 Specific Thermal Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
14.2.3 Heat Transfer Coefficient: The U-Value . . . . . . . . . . . . . . 317
14.2.4 Thermal Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
14.2.5 Glazing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
14.3 Example of Holistic Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
Appendix A: Energy Unit Conversion 325
Appendix B: Spherical Trigonometry 327
B.1 Spherical Triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
B.2 Cosine Formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
B.3 Sine Formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
B.4 Formula C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
Appendix C: Vector Analysis and Determinants 333
C.1 Vector Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
C.2 Determinants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
Appendix D: Real Spherical Harmonics 337
D.1 Spherical coordinate system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
D.2 Spherical Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
Appendix E: Complex numbers 343
E.1 Definition of complex numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
E.1.1 The Euler formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
E.1.2 Group SO(2) and group SU(1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
Appendix F: Statistics of Particles 347
F.1 Maxwell-Boltzmann Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
F.2 Fermi-Dirac Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
F.3 Bose-Einstein Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
Preface to the First Edition xxi
Chapter 1: Introduction 1
1.1 Shaping a More Livable World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Fossil Fuels and Beyond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 The Paris Agreement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.3 Phasing Out Coal-Generated Power . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.4 Phasing Out ICE Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.5 Economics of Renewable Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Solar Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Solar Photovoltaics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1 Birth of Modern Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 Basic Terms and Concepts on Solar Cells . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.3 Types of Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 A Rechargeable Battery Primer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.1 Whittingham's Initial Invention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.2 Goodenough's Improved Cathode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.3 Yoshino's Improved Anode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.4 Current Status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5 Other Renewable Energy Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5.1 Hydroelectric Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5.2 Wind Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5.3 Biomass and Bioenergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.5.4 Shallow Geothermal Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.5.5 Deep Geothermal Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.5.6 Tidal Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Chapter 2: Nature of Solar Radiation 37
2.1 Light as Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1.1 Maxwell's Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.2 Vector Potential and Scalar Potential . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.1.3 Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.1.4 Plane Waves and Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.1.5 Sinusoidal Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2 Interface Phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.1 Relative Dielectric Constant and Refractive Index . . . . . . . . 43
2.2.2 Energy Balance and Poynting Vector . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.3 Fresnel Formulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.4 Optics of metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3 Blackbody Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3.1 Rayleigh-Jeans Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.2 Planck Formula and Stefan-Boltzmann's Law . . . . . . . . . . . 55
2.4 Photoelectric Effect and Concept of Photons . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.4.1 Einstein's Theory of Photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.4.2 Millikan's Experimental Verification . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.4.3 Electron As a Material Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.5 Einstein's Derivation of Blackbody Formula . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Chapter 3: Origin of Solar Energy 67
3.1 Basic Parameters of the Sun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.1.1 Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.1.2 Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.1.3 Radius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.1.4 Emission Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.5 Surface Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.6 Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2 Kelvin-Helmholtz Time Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3 Energy Source of the Sun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.1 The p ? p Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3.2 Carbon Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.3 Internal Structure of the Sun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Chapter 4: Tracking Sunlight 77
4.1 Rotation of Earth: Latitude and Longitude . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2 Celestial Sphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.1 Coordinate Transformation: Cartesian Coordinates . . . . . . . . 80
4.2.2 Coordinate Transformation: Spherical Trigonometry . . . . . . . 82
4.3 Treatment in Solar Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.3.1 Obliquity and Declination of the Sun . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.3.2 Sunrise and Sunset Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.3 Direct Solar Radiation on an Arbitrary Surface . . . . . . . . . . 87
4.3.4 Direct Daily Solar Radiation Energy . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3.5 The 24 Solar Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.4 Treatment in Standard Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4.1 Sidereal Time and Solar Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4.2 Right Ascension of the Sun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.4.3 Time Difference Originated from Obliquity . . . . . . . . . . . . 96
4.4.4 Aphelion and Perihelion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.4.5 Time Difference Originated from Eccentricity . . . . . . . . . . . 98
4.4.6 Equation of Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.4.7 Declination of the Sun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.4.8 Analemma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Chapter 5: Interaction of Sunlight with Earth 105
5.1 Interaction of Radiation with Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.1.1 Absorptivity, Reflectivity, and Transmittivity . . . . . . . . . . . 105
5.1.2 Emissivity and Kirchhoff's Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.1.3 Bouguer-Lambert-Beer's Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.2 Interaction of Sunlight with Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.2.1 AM1.5 Reference Solar Spectral Irradiance . . . . . . . . . . . . 109
5.2.2 Annual Insolation Map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.3 Penetration of Solar Energy into Earth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Chapter 6: Thermodynamics of Solar Energy 117
6.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.2 First Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.3 Second Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.3.1 Carnot Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.3.2 Thermodynamic Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.3.3 Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.4 Thermodynamic Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.4.1 Free Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.4.2 Enthalpy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.4.3 Gibbs Free Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.4.4 Chemical Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.5 Ideal Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.6 Ground Source Heat Pump and Air Conditioning . . . . . . . . . . . . . 131
6.6.1 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.6.2 Coefficient of Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.6.3 Vapor-Compression Heat Pump and Refrigerator . . . . . . . . . 133
6.6.4 Ground Heat Exchanger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Chapter 7: A Quantum Mechanics Primer 139
7.1 The Static Schr?odinger Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.1.1 Wavefunctions in a One-Dimensional Potential Well . . . . . . . 142
7.1.2 The Bra-and-Ket Notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.1.3 The Harmonic Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.1.4 The Hydrogen Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.1.5 The Stern-Gerlach Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.1.6 Nomenclature of Atomic States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.1.7 Degeneracy and Wavefunction Hybridization . . . . . . . . . . . 160
7.2 Many-Electron Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.2.1 The Self-Consistent Field (SCF) Method . . . . . . . . . . . . . . 164
7.2.2 Slater Determinates and the Hartree-Fock Method . . . . . . . . 165
7.2.3 Density-Functional Theory (DFT) . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.2.4 HOMO and LUMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.3 The Chemical Bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.3.1 Bonding Energy and Antibonding Energy . . . . . . . . . . . . . 169
7.3.2 The Hydrogen Molecular Ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7.3.3 Types of Chemical Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.4 The Solid State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
7.4.1 Bloch Waves and Energy Bands . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
7.4.2 Effective Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.4.3 Conductor, Semiconductor, and Insulator . . . . . . . . . . . . . 177
7.4.4 Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.4.5 The Band Structure of Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
7.5 The Dynamic Schr?odinger Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7.5.1 A Heuristic Derivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7.5.2 Reduction to Static Schr?odinger's Equation . . . . . . . . . . . . 184
7.5.3 Meaning of the Time-Dependent Phase Factor . . . . . . . . . . 184
7.5.4 Interaction with Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
Chapter 8: pn-Junctions 189
8.1 Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8.1.1 Electrons and Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8.1.2 p-Type and n-Type Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . 191
8.2 Formation of a pn-Junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
8.3 Analysis of pn-Junctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
8.3.1 Effect of Bias Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8.3.2 Lifetime of Excess Minority Carriers . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8.3.3 Junction Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8.3.4 Shockley Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.4 Light-Emitting Diodes for Illumination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
8.4.1 Invention of the Blue LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
8.4.2 The Working Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.4.3 Wavelength Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
8.4.4 The Freestanding GaN Substrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.4.5 A Brief Sketch of History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Chapter 9: Semiconductor Solar Cells 211
9.1 Basic Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
9.1.1 Generating Electric Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.1.2 Solar Cell Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
9.1.3 Maximum Power and Fill Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
9.2 The Shockley-Queisser Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
9.2.1 Ultimate Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
9.2.2 Role of Recombination Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
9.2.3 Detailed-Balance Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
9.2.4 Nominal Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
9.2.5 Shockley-Queisser Efficiency Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
9.2.6 Efficiency Limit for AM1.5 Radiation . . . . . . . . . . . . . . . 224
9.3 Nonradiative Recombination Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
9.3.1 Auger Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
9.3.2 Trap-State Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
9.3.3 Surface-State Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
9.4 Antireflection Coatings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
9.4.1 Matrix Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
9.4.2 Single-Layer Antireflection Coating . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
9.4.3 Double-Layer Antireflection Coatings . . . . . . . . . . . . . . . . 233
9.5 Crystalline Silicon Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
9.5.1 Production of Pure Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
9.5.2 Solar Cell Design and Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
9.5.3 Module Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
9.6 Thin-Film Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
9.6.1 CdTe Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
9.6.2 CIGS Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
9.6.3 Amorphous Silicon Thin-Film Solar Cells . . . . . . . . . . . . . 240
9.7 Tandem Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Chapter 10: Solar Photochemistry 245
10.1 Physics of Photosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
10.1.1 Chlorophyll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
10.1.2 ATP: Universal Energy Currency of Life . . . . . . . . . . . . . . 248
10.1.3 NADPH and NADP+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
10.1.4 Calvin Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
10.1.5 C4 Plants versus C3 Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
10.1.6 Chloroplast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
10.1.7 Efficiency of Photosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
10.2 Artificial Photosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
10.3 Genetically Engineered Algae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
10.4 Dye-Sensitized Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
10.5 Bilayer Organic Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
Chapter 11: Solar Thermal Energy 259
11.1 Early Solar Thermal Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
11.2 Solar Heat Collectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
11.2.1 Selective Absorption Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
11.2.2 Flat-Plate Collectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
11.2.3 All-Glass Vacuum-Tube Collectors . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
11.2.4 Thermosiphon Solar Heat Collectors . . . . . . . . . . . . . . . . 269
11.2.5 High-Pressure Vacuum Tube Collectors . . . . . . . . . . . . . . 271
11.3 Solar Water Heaters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
11.4 Solar Thermal Power Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
11.4.1 Parabolic Trough Concentrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
11.4.2 Central Receiver with Heliostats . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
11.4.3 Paraboloidal Dish Concentrator with Stirling Engine . . . . . . . 274
Chapter 12: Physical Energy Storage 279
12.1 Pumped Hydro Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
12.2 Sensible Heat Energy Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
12.2.1 Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
12.2.2 Solid Sensible Heat Storage Materials . . . . . . . . . . . . . . . 283
12.2.3 Synthetic Oil in Packed Beds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
12.3 Phase Transition Thermal Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
12.3.1 Water-Ice Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
12.3.2 Paraffin Wax and Other Organic Materials . . . . . . . . . . . . 287
12.3.3 Salt Hydrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
Chapter 13: Rechargeable Batteries 289
13.1 An Electrochemistry Primer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
13.1.1 Basic Terms and Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
13.1.2 Oxidation State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
13.1.3 Standard Oxidation-Reduction Potentials . . . . . . . . . . . . . 292
13.2 Lithium-Ion Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
13.2.1 Benefit to Humankind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
13.2.2 Intercalation of Metal Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
13.2.3 The Cathode Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
13.2.4 The Aanode Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
13.2.5 Electrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
13.2.6 The Separator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
13.2.7 Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
13.2.8 Mineral Resource of Lithium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
13.3 Sodium-Ion Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
13.3.1 The Cathode Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
13.3.2 The Anode Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
13.3.3 Rest of the System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
13.4 Traditional Rechargeable Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
13.4.1 Lead-Acid Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
13.4.2 Nickel Metal Hydride Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
Chapter 14: Building with Sunshine 313
14.1 Early Solar Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
14.1.1 Ancient Solar Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
14.1.2 Holistic Architecture in Rural China . . . . . . . . . . . . . . . . 314
14.2 Building Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
14.2.1 Thermal Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
14.2.2 Specific Thermal Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
14.2.3 Heat Transfer Coefficient: The U-Value . . . . . . . . . . . . . . 317
14.2.4 Thermal Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
14.2.5 Glazing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
14.3 Example of Holistic Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
Appendix A: Energy Unit Conversion 325
Appendix B: Spherical Trigonometry 327
B.1 Spherical Triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
B.2 Cosine Formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
B.3 Sine Formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
B.4 Formula C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
Appendix C: Vector Analysis and Determinants 333
C.1 Vector Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
C.2 Determinants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
Appendix D: Real Spherical Harmonics 337
D.1 Spherical coordinate system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
D.2 Spherical Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
Appendix E: Complex numbers 343
E.1 Definition of complex numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
E.1.1 The Euler formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
E.1.2 Group SO(2) and group SU(1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
Appendix F: Statistics of Particles 347
F.1 Maxwell-Boltzmann Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
F.2 Fermi-Dirac Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
F.3 Bose-Einstein Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350