第五章 太阳能化学

1、Xian Jiaotong University 第五章第五章 太阳能化学太阳能化学Xian Jiaotong University5.1 5.1 太阳能简介太阳能简介5.2 5.2 太阳能的光热利用太阳能的光热利用 5.3 5.3 太阳能的光电作用太阳能的光电作用 5.4 5.4 太阳能的制氢太阳能的制氢5.5 5.5 太阳能空间发电太阳能空间发电 本章主要内容本章主要内容Xian Jiaotong University5.1 5.1 太阳能简介太阳能简介14124 HHe2E表面温度：表面温度：5762 K5762 K中心温度：几万中心温度：几万K K能量来源：能量来源：氢核聚变氢核聚变H

2、 占占75%每秒钟太阳有每秒钟太阳有400400万吨质量损失，即使这样，太阳的寿命仍万吨质量损失，即使这样，太阳的寿命仍然可以延续然可以延续600600亿年，用之不竭。亿年，用之不竭。Xian Jiaotong University太阳光进入大气层后被太阳光进入大气层后被大气层反射、吸收，地大气层反射、吸收，地面反射等，最终真正被面反射等，最终真正被地球表面吸收的太阳辐地球表面吸收的太阳辐射仅为其总辐射量的射仅为其总辐射量的22亿分之一，但已经高达亿分之一，但已经高达1731015 W，相当于燃，相当于燃烧烧500万吨煤。万吨煤。Xian Jiaotong University 太阳能一般是指

3、太阳光的辐射能量，目前一般用太阳能一般是指太阳光的辐射能量，目前一般用作发电或者为热水器提供能源。作发电或者为热水器提供能源。 地球上一切生物都依赖太阳提供的热和光生存。地球上一切生物都依赖太阳提供的热和光生存。在化石燃料日趋减少情况下，太阳能已成为人类使用在化石燃料日趋减少情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分。能源的重要组成部分。 利用方式：利用方式：光热转换光热转换、光电转换光电转换和和光合作用光合作用。 除除核能、地热能核能、地热能和和潮汐能潮汐能外，地球上的其它能源都外，地球上的其它能源都来自太阳能。来自太阳能。太阳能（太阳能（Solar EnergySolar Energy

4、）Xian Jiaotong University太阳能利用的优缺点太阳能利用的优缺点优点优点 储量的无限性，取之不尽、用之不竭储量的无限性，取之不尽、用之不竭 存在的普遍性存在的普遍性，就地取用，就地取用 利用的清洁性，无污染利用的清洁性，无污染 利用的经济性，成本低利用的经济性，成本低 太阳能资源分析是太阳能利用是否可行的基础太阳能资源分析是太阳能利用是否可行的基础。从。从能源利用角度看，太阳能的主要缺点：能源利用角度看，太阳能的主要缺点： 能流密度低能流密度低； 其其强度受各种因素影响强度受各种因素影响（地形、季节、气候）（地形、季节、气候）Xian Jiaotong Universit

5、y太阳能利用的主要方式太阳能利用的主要方式 光热转换光热转换 光电转换光电转换 光化学作用光化学作用生物质能生物质能 光解制氢光解制氢Xian Jiaotong University5.2 5.2 光热利用光热利用定义定义将太阳辐射以热的形式存贮在某种介质内或直接进将太阳辐射以热的形式存贮在某种介质内或直接进行热利用的过程。行热利用的过程。内容内容太阳能热水器太阳能热水器太阳能热发电太阳能热发电太阳能制冷与空调太阳能制冷与空调太阳能干燥太阳能干燥太阳能采暖（太阳房）太阳能采暖（太阳房）Xian Jiaotong University太阳能热水器太阳能热水器它是将它是将太阳光能转化为热能太阳光能

6、转化为热能，使水从低温度加热到使水从低温度加热到高温高温，以满足人们生产、生活动中对热水的需求。，以满足人们生产、生活动中对热水的需求。真空管式太阳能热水器真空管式太阳能热水器平板式太阳能热水器平板式太阳能热水器分分类类Xian Jiaotong University真空管式太阳能热水器真空管式太阳能热水器储水箱储水箱集热管集热管支架支架Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University工作原理工作原理集热管利用集热管利用热水上浮冷热水上浮冷水下沉的原水下沉的原理，使水产理，使水产生微循环而生微循环而达到所需热达到所需热水。水。太阳光太阳光高效保温

7、水箱高效保温水箱真空集热管真空集热管自然循环式热水系统自然循环式热水系统Xian Jiaotong University集热管是整个集热系统的心脏，其功能相当于电热集热管是整个集热系统的心脏，其功能相当于电热水器中的电热管。分为内管和外管。水器中的电热管。分为内管和外管。外管外管内管内管真空真空内管外壁镀有选择性吸收涂层：氧化铜、黑镍、黑铬、内管外壁镀有选择性吸收涂层：氧化铜、黑镍、黑铬、黑铜、氮化铝等，通过真空沉积、溅射技术、电化学黑铜、氮化铝等，通过真空沉积、溅射技术、电化学处理均匀涂在内管外表面。处理均匀涂在内管外表面。内外管底部有吸气剂内外管底部有吸气剂Xian Jiaotong Un

8、iversity强制循环式热水器强制循环式热水器Xian Jiaotong University平板式太阳能热水器平板式太阳能热水器铝合金外框铝合金外框专用钢化玻璃专用钢化玻璃导热介质出口导热介质出口酚醛泡沫保温层酚醛泡沫保温层集热板集热板镀锌钢板镀锌钢板Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University优点优点1 1）特别适合与建筑一体化要求）特别适合与建筑一体化要求2 2）具有较高的热效率）具有较高的热效率3 3）具有良好的承压性能）具有良好的承压性能集热器的吸热板由金属材料制成，集热器与贮水箱的

9、连接集热器的吸热板由金属材料制成，集热器与贮水箱的连接也采用金属零件，可承受来自自来水和循环泵的压力。也采用金属零件，可承受来自自来水和循环泵的压力。平板太阳能的集热器为连续平面，整个表面都可接受太阳光。平板太阳能的集热器为连续平面，整个表面都可接受太阳光。因此在相同采光面积和日照强度下，其日平均效率比真空管因此在相同采光面积和日照强度下，其日平均效率比真空管太阳能热水器太阳能热水器高高6%6%以上以上。平板太阳能的平面结构在设计时不受形态或尺寸约束，易于平板太阳能的平面结构在设计时不受形态或尺寸约束，易于实现与建筑构件的结合。而且其集热板为金属材质，可采用实现与建筑构件的结合。而且其集热板为

10、金属材质，可采用丝结、焊接等连接方式，安装、维护和使用非常方便。丝结、焊接等连接方式，安装、维护和使用非常方便。 Xian Jiaotong University4 4）组成大系统时性能稳定）组成大系统时性能稳定平板集热器之间可以通过金属连接管进行串联，结构稳定、平板集热器之间可以通过金属连接管进行串联，结构稳定、牢固。而真空管集热器之间只能通过橡胶管连接。牢固。而真空管集热器之间只能通过橡胶管连接。缺点缺点1 1）集热器热损失偏高）集热器热损失偏高2 2）不利于防冻）不利于防冻5 5）结构简单、便于规模化生产、安装成本低、）结构简单、便于规模化生产、安装成本低、使用寿命长使用寿命长Xian

11、Jiaotong UniversityXian Jiaotong University红泥塑料袋式太阳能热水器红泥塑料袋式太阳能热水器 成本低，重量轻，便于成本低，重量轻，便于运输携带，安装简单运输携带，安装简单 没有保温，水热的快，没有保温，水热的快，凉的也快凉的也快简易、方便，适合夏季简易、方便，适合夏季使用使用 Xian Jiaotong University圆桶式太阳能热水圆桶式太阳能热水有单圆筒、双圆筒、三圆筒有单圆筒、双圆筒、三圆筒、多圆筒多种规格、多圆筒多种规格加工工艺简单，成本低，适加工工艺简单，成本低，适合工厂化生产合工厂化生产保温较好，热效率较高，水保温较好，热效率较高，水

12、质清洁质清洁适合春夏秋三季使用适合春夏秋三季使用 Xian Jiaotong University方箱式太阳能热水器方箱式太阳能热水器储水箱为方箱或梯形储水箱为方箱或梯形有效吸热面积大，热效率高有效吸热面积大，热效率高承压能力差，不便于工厂化承压能力差，不便于工厂化生产生产 Xian Jiaotong University其它形式光热利用其它形式光热利用Xian Jiaotong University太阳能热发电太阳能热发电Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University太阳能热发电，也叫聚焦型太阳能热发电，通过大量太阳能热发电，也叫聚焦型太阳能

13、热发电，通过大量反射镜以聚焦的方式将太阳直射光聚集起来，加热工反射镜以聚焦的方式将太阳直射光聚集起来，加热工质，产生高温高压的蒸汽，进而驱动汽轮机发电。质，产生高温高压的蒸汽，进而驱动汽轮机发电。定义定义分类分类太阳能槽式发电太阳能槽式发电 太阳能塔式发电太阳能塔式发电 太阳能碟式发电太阳能碟式发电 Xian Jiaotong University太阳能槽式发电太阳能槽式发电 利用大面积的利用大面积的槽式抛物面反射镜槽式抛物面反射镜将太将太阳光聚焦阳光聚焦到管状到管状的的接收器接收器上，并将管内的上，并将管内的传热工质加热成高压蒸汽传热工质加热成高压蒸汽，进而推动汽轮机发电。进而推动汽轮机发电

14、。 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University太阳能塔式发电太阳能塔式发电 塔式太阳能热发电是采用大量的塔式太阳能热发电是采用大量的定向反射镜定向反射镜( (定日镜定日镜) )将将太阳光聚集到太阳光聚集到一个装在塔顶的一个装在塔顶的中央热交换器中央热交换器上，进上，进而产生而产生1100 1100 o oC C的高温的高温。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University八达岭塔式太阳能发电八达岭塔式太阳能发电Xian Jiaotong University太阳能碟式发电太阳能碟式发电 碟式（

15、又称盘式）太阳能热发电系统碟式（又称盘式）太阳能热发电系统是世界上最早出是世界上最早出现的太阳能动力系统现的太阳能动力系统，是，是目前太阳能发电效率最高目前太阳能发电效率最高的的太阳能发电系统，太阳能发电系统，最高可达到最高可达到29.4%29.4%。碟式系统的主要特征是采用碟式系统的主要特征是采用碟（盘）状抛物面镜聚光碟（盘）状抛物面镜聚光集热器集热器，该集热器是一种点聚焦集热器，可使传热工，该集热器是一种点聚焦集热器，可使传热工质加热到质加热到750750左右左右，驱动发动机进行发电。，驱动发动机进行发电。 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong Uni

16、versity5.3 5.3 太阳能的光电作用太阳能的光电作用 光生电途径：光生电途径： 太阳辐射能太阳辐射能热能热能电能电能 光光电电光生电光生电光生伏达电池光生伏达电池光化学电池光化学电池Xian Jiaotong University太阳能电池太阳能电池 太阳能电池是通过太阳能电池是通过光电效应光电效应或者或者光化学效应光化学效应直接把直接把光能转化成电能的装置光能转化成电能的装置。以以光电效应光电效应工作的薄膜式太阳能电池工作的薄膜式太阳能电池是是目前研究的目前研究的主流主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池仍处于，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池仍处于萌芽阶段。萌芽阶段。 说明说

17、明自身并不提供能量，它只是一种自身并不提供能量，它只是一种能量转化装置能量转化装置。其原理是通过半导体内其原理是通过半导体内载流子的运动载流子的运动产生电能。产生电能。Xian Jiaotong University光生伏特效应光生伏特效应是太阳电池能量转换的基础。是指是太阳电池能量转换的基础。是指半半导体导体在太阳光照射下由于内部在太阳光照射下由于内部电子电子- -空穴对（载流子）空穴对（载流子）发生移动产生电动势的现象。发生移动产生电动势的现象。太阳能电池是光生伏特效应的放大化。太阳能电池是光生伏特效应的放大化。光生伏特效应光生伏特效应Xian Jiaotong University半导体

18、物理基础知识孤立原子：孤立原子：能级能级E2 4 6 . 2N原子数目导带禁带价带成键轨道反键轨道反键轨道r0r大量原子组成的固体：大量原子组成的固体：能带能带满带满带空带空带价带：所有价电子所处的能带价带：所有价电子所处的能带导带：自由运动电子所具有的能带导带：自由运动电子所具有的能带Xian Jiaotong UniversityEg：能带间隙半导体半导体Ec 导带导带Ev 价带价带Ec 导带导带Ev 价带价带EgEc 导带导带Ev 价带价带Eg0.5 Eg 4 eVEg = 0禁带禁带Xian Jiaotong University)(24.1 )(eVEEvmgg半导体的光激发半导体的

19、光激发半导体吸光产生光生半导体吸光产生光生电子电子- -空穴对空穴对；只有能量只有能量大于大于EgEg的光子被吸收的光子被吸收；光生电压与禁带能量光生电压与禁带能量EgEg呈呈线性关系线性关系Xian Jiaotong University太阳能的光谱特征太阳能的光谱特征0.41-2.5 m0.41-2.5 m0.5 Eg 99的禁带辐射能量），因而降低了对材料扩散的禁带辐射能量），因而降低了对材料扩散长度的要求。长度的要求。 常温下常温下CdTe的导电性主要由掺杂决定，薄膜组分、的导电性主要由掺杂决定，薄膜组分、结构、沉积条件、热处理过程对薄膜的电阻率和导电结构、沉积条件、热处理过程对薄膜的

20、电阻率和导电类型有很大影响类型有很大影响。CdTe太阳能电池太阳能电池 1.24()0.85()gmEeV Xian Jiaotong University第一代：基于硅晶体的光伏电池第一代：基于硅晶体的光伏电池 技术成熟技术成熟 典型光电转换效率：典型光电转换效率：10-15%10-15% 寿命寿命 20 yrs achieved 20 yrs achieved 电池价格的电池价格的40%40%是硅的价格是硅的价格第二代：基于薄膜技术，在衬底上沉积光活性物质第二代：基于薄膜技术，在衬底上沉积光活性物质第三代：非硅系第三代：非硅系第四代：基于生物衍生材料。第四代：基于生物衍生材料。太阳能光伏电

21、池的发展趋势太阳能光伏电池的发展趋势Xian Jiaotong University195019601970198019902000510152025Efficiency (%)Yearcrystalline Siamorphous Sinano TiO2CIS/CIGSCdTe硅电池技术已相当成熟，需要发展廉价的材料和大硅电池技术已相当成熟，需要发展廉价的材料和大面积制造技术。面积制造技术。Xian Jiaotong University2005-20122005-2012年全球太阳能电池产能预测年全球太阳能电池产能预测Xian Jiaotong University太阳能在地表平均强度：太

22、阳能在地表平均强度：0.2KW/m2 2000 全球一次能源消耗：全球一次能源消耗： 12.8 TW 需用地：需用地：12.8 TW /（0.1* 0.2KW/m2 ）= 64 1010 m2 64万平方公里万平方公里 6.6% 中国地理面积中国地理面积以以300m厚的硅片计算，铺满厚的硅片计算，铺满64万公里约需万公里约需4.57亿吨亿吨太阳电池太阳电池级级高纯硅高纯硅（目前全球产量目前全球产量2万吨万吨）。）。光伏电池的局限性光伏电池的局限性寻找更经济、高效的光寻找更经济、高效的光-电转换方式是太阳能利用的电转换方式是太阳能利用的主要研究方向。主要研究方向。Xian Jiaotong Un

23、iversity染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池利用染料的光敏性，提高利用染料的光敏性，提高TiO2的光吸收能力；利用电极的光吸收能力；利用电极/ /溶液界溶液界面实现电荷分离，使电子空穴的复合受到限制；廉价的材料面实现电荷分离，使电子空穴的复合受到限制；廉价的材料和制造成本为大规模应用提供可能。和制造成本为大规模应用提供可能。光电效率光电效率1111，预期超过预期超过 20%20%；（Dye-Sensitized Solar Cells, DSSC）Xian Jiaotong University氧化态氧化态(I3-)扩散到对电极，被还原扩散到对电极，被还原再生：再生：光照下染料分子（光

24、照下染料分子（S S）被激发：）被激发：TiO2/S + h TiO2/S*激发态的电子快速注入到激发态的电子快速注入到TiO2导带导带中，染料分子变成氧化态：中，染料分子变成氧化态：TiO2/S* TiO2/S+TiO2/S+ + 3/2 I- TiO2/S +1/2 I3-1/2 I3- + e-(pt) 3/2 I-氧化态氧化态S+ 中的电子供体中的电子供体I-，自身被，自身被还原到基态还原到基态, ,使得染料分子再生：使得染料分子再生：DSSC 的工作原理的工作原理Xian Jiaotong University典型的典型的 DSSC 体系体系所有材料均已商品化！所有材料均已商品化！N

25、3 dyePtCITO替代材料：替代材料：塑料透光导电极塑料透光导电极(PET);(PET);固态电解质；固态电解质；碳催化阴极碳催化阴极ITO透光透光导电玻璃导电玻璃;纳米纳米TiO2(20 nm)薄膜薄膜(10m)；光敏剂光敏剂:单层联吡啶钌配合物膜；单层联吡啶钌配合物膜；KI+I2乙晴乙晴电解质溶液电解质溶液；镀铂镀铂-ITO 对电极对电极Xian Jiaotong UniversityDSSC 基本反应基本反应.染料染料/TiO2 纳晶界面；纳晶界面；.染料染料/电解质界面；电解质界面；.电解质电解质/对电极界面。对电极界面。三个主要界面三个主要界面: :DSSCDSSC电池的技术关键

26、：电池的技术关键：如何构建在结构和功能上相互适配的三个界面如何构建在结构和功能上相互适配的三个界面? ?如何提高正向反应，抑制反向反应？如何提高正向反应，抑制反向反应？八个主要反应八个主要反应: :1 1，2 2，3 3，5 5，8 8 为正向反应，为正向反应，对光电流有贡献；对光电流有贡献；4 4，6 6，7 7 为为负反应，降低光电效率。负反应，降低光电效率。1234687Es*s0/s+I3-/I-TiO2S.E5ElectrolyteDye Xian Jiaotong UniversityDSSC 电极材料电极材料 纳米化纳米化20nm20nm：粒径太大粒径太大, , 吸附染料分子少吸

27、附染料分子少, ,不利于不利于光电转换；粒径太小光电转换；粒径太小, , 晶界势垒太高，阻碍载流子传输；晶界势垒太高，阻碍载流子传输；多孔化：多孔化：提高反应表面积；提高反应表面积；薄膜化薄膜化10m10m：太薄对太阳光能吸收不充分太薄对太阳光能吸收不充分, ,太厚则太厚则深层染料敏化剂利用不上；深层染料敏化剂利用不上； 掺杂或表面修饰：掺杂或表面修饰：改变改变TiOTiO2 2的能级结构，使之有利于的能级结构，使之有利于电子转移反应，抑制电子空穴的复合过程。电子转移反应，抑制电子空穴的复合过程。 综合比较，综合比较，TiO2 还是最佳选择。改进方法如下：还是最佳选择。改进方法如下：Xian

28、Jiaotong UniversityDSSC的染料性质的染料性质 在在TiO2表面有表面有强吸附性强吸附性，快速吸附平衡；，快速吸附平衡；与太阳光谱相匹配的强吸收带；与太阳光谱相匹配的强吸收带；染料的染料的氧化态和激发态的稳定性较高氧化态和激发态的稳定性较高, ,且具有尽可能且具有尽可能高的可逆转换能力高的可逆转换能力, ,即具有即具有长期稳定的工作寿命长期稳定的工作寿命；激发态寿命足够长激发态寿命足够长, ,足够的电子空穴分离时间，保足够的电子空穴分离时间，保证较高的电荷传输效率；证较高的电荷传输效率；电化学能量匹配。电化学能量匹配。Xian Jiaotong University染料的功

29、能设计染料的功能设计显色中心显色中心修饰修饰LOMO-HUMO位置位置表面吸附成键基团表面吸附成键基团憎水、反复合基团憎水、反复合基团设计一组分子结构，采用量子化学计算能级与激发设计一组分子结构，采用量子化学计算能级与激发态寿命，然后光谱实验和电池应用性能表征。态寿命，然后光谱实验和电池应用性能表征。Xian Jiaotong UniversityDSSC制备和组装制备和组装1.1.调胶调胶2.2.涂膜涂膜3.3.烘烤烘烤4.4.染色染色Xian Jiaotong University5.5.反电极反电极ITOITO面面6.6. 滴加电解液滴加电解液I2/I3-7.7.组装电池组装电池Xian

30、 Jiaotong University敏化剂敏化剂NNNNHOOCCOOHCOOHCOOHRuSCNNCS联吡啶钌系列联吡啶钌系列性能最好性能最好Xian Jiaotong UniversityNNNNNNNNRRRRMNNNNMRRRR卟啉系列卟啉系列和酞菁系列和酞菁系列R = SO3-, OC5H11; M = H2, Zn, AlClXian Jiaotong UniversityNSCHCHNSOSC18H37COOHONOSSHOOCCN香豆素衍生物香豆素衍生物半菁染料衍生物半菁染料衍生物Xian Jiaotong UniversityDSSC DSSC 现状现状Jsc 20 mA

31、/cm2 Voc 0.7 VFF 0.71.5 10-11% 低成本、大规模生产的潜力；低成本、大规模生产的潜力； 60-65 60-65 性能很稳定，超过性能很稳定，超过 7070不够稳定；不够稳定； 寻找合适的固态空穴传输材料来代替液态电解质寻找合适的固态空穴传输材料来代替液态电解质, ,制备全固态的制备全固态的DSCDSC电池；电池； 预期光电效率超过预期光电效率超过 20%20%； 开发高效廉价的光敏染料；开发高效廉价的光敏染料；DSSCDSSC正处于积极的发展过程中。目前的样品性能在正处于积极的发展过程中。目前的样品性能在暗光条件下甚至优于硅电池。暗光条件下甚至优于硅电池。Xian

32、Jiaotong University中国首个染料敏化太阳电池示范电站中国首个染料敏化太阳电池示范电站建立在等离子体所内的建立在等离子体所内的500500瓦规模的小型示范电站瓦规模的小型示范电站Xian Jiaotong University聚合物太阳能电池聚合物太阳能电池其光阳极材料是具有共轭其光阳极材料是具有共轭 - -键和半导体性质的聚合物。键和半导体性质的聚合物。能带间隙为能带间隙为1-4 eV1-4 eV，可视为有机半导体；，可视为有机半导体；本征态时电导很小（本征态时电导很小（0.1 cm0.1 cm2 2/Vs/Vs），掺杂后电），掺杂后电导急剧增加，可达金属导电性；导急剧增加，

33、可达金属导电性；光激发可产生电子光激发可产生电子- -空穴对（激子）空穴对（激子） - -共轭聚合物：共轭聚合物：Polymeric Solar Cells (PSCs)Xian Jiaotong UniversityPSCS的结构与原理的结构与原理光照时，聚合物产生电子光照时，聚合物产生电子/ /空穴对。这种电子空穴对。这种电子/ /空穴空穴对被束缚在分子链上，并不能在链间运动。掺杂电对被束缚在分子链上，并不能在链间运动。掺杂电子受体子受体(C60)(C60)抓走电子，使载流子的电荷分离。抓走电子，使载流子的电荷分离。自由自由电子电子通过通过电子受体电子受体跃迁到跃迁到负极负极；而；而空穴空

34、穴通过通过聚合物聚合物主链主链跃迁至光透电极。跃迁至光透电极。Xian Jiaotong University主要生产商主要生产商USAJAPAN美国迅力光能公司美国迅力光能公司Xian Jiaotong University太阳能光化学作用太阳能光化学作用Xian Jiaotong University热化学热化学光电化学光电化学光生物化学光生物化学H2 水水 氢氢5.4 5.4 太阳能的制氢太阳能的制氢Xian Jiaotong University热化学法制氢热化学法制氢 利用太阳能聚光器收集太阳能直接加热水，使其达到利用太阳能聚光器收集太阳能直接加热水，使其达到2500K以上的温度，从

35、而分解产生以上的温度，从而分解产生H2和和O2的过程。的过程。面临问题：面临问题： 高温下氢、氧分离问题高温下氢、氧分离问题 高温太阳能反应器材料的耐受性高温太阳能反应器材料的耐受性研制新型催化剂研制新型催化剂卤素元素卤素元素C/CO金属金属/及其化合物及其化合物水分解温度水分解温度1000K1000KXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University光电化学分解法制氢光电化学分解法制氢 光阳极被光阳极被激发产生激发产生电子电子- -空穴对空穴对，在电解质存在电，在电解质存在电子流向阴极，水中的子流向阴极，水中的H H+ +从从阴极接受电子产生阴极

36、接受电子产生H H2 2。阳阳极极阴阴极极半导体材料半导体材料Sunlight光激发过程：光激发过程：TiO2 + h h+ + e-光电极上氧化反应：光电极上氧化反应：H2O + 2h+ O2 +2H+ 对电极上析氢反应：对电极上析氢反应：2H+ 2e- H2总的光解水反应：总的光解水反应：H2O + h O2 + H2Xian Jiaotong Universitymetale-e-O2H2OH2H2Oe-h+LiquidSolidSrTiO3KTaO3TiO2SnO2Fe2O3光解池结构示意图光解池结构示意图光阳极材料是影响产氢效率的关键因素光阳极材料是影响产氢效率的关键因素Xian J

37、iaotong University光阳极材料：光阳极材料：TiOTiO2 2使使光吸收光吸收限尽可能地限尽可能地移向可见光移向可见光部分，以部分，以减少光生减少光生载流子之间的复合载流子之间的复合，提高载流子的寿命。，提高载流子的寿命。提高光阳极材料产氢效率途径：提高光阳极材料产氢效率途径：耐腐蚀耐腐蚀禁带宽度大禁带宽度大(3eV),387nm(3eV),387nm表面修饰、掺杂、表面修饰、掺杂、金金属属离离子子非非金金属属离离子子稀稀土土元元素素Xian Jiaotong University光催化法制氢光催化法制氢 光催化材料：光催化材料：TiO2、过渡金属氧化物、层状氧化物、过渡金属氧

38、化物、层状氧化物(K4Nb6O17、K2La2TiO10、Sr2Ta2O7)，硫化物，硫化物(CdS、Cu-ZnS)。难点：难点：光解水效率只有光解水效率只有1-2%。Xian Jiaotong University微生物制微生物制氢氢 在太阳光照射下，利用微生物体内的固氮酶和氢酶分在太阳光照射下，利用微生物体内的固氮酶和氢酶分解水制备氢气。解水制备氢气。优点：清洁、节能、不消耗矿物资源。优点：清洁、节能、不消耗矿物资源。 常温、常压下反应。常温、常压下反应。Xian Jiaotong University5.5 5.5 太阳能空间发电站太阳能空间发电站Xian Jiaotong Univer

39、sity1968年，美国的年，美国的Peter Glaser博士提出了博士提出了空间太阳能空间太阳能电站电站(Space Solar Power Station，SSPS)的设想，为的设想，为人类解决能源与环境问题指出了一个重要方向。人类解决能源与环境问题指出了一个重要方向。Peter Glaser博士提出的空间太阳能电站的原型实际博士提出的空间太阳能电站的原型实际上是上是太阳能发电卫星太阳能发电卫星(Solar Power Satellite，SPS)，其结构如图所示其结构如图所示历史进展历史进展Xian Jiaotong University所得电能以微波形式传输到地面所得电能以微波形式传

40、输到地面聚光镜聚光镜Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University太阳能太阳能SPSSPS将太阳能将太阳能以微波或激光以微波或激光形式传送回地形式传送回地球，能耗小球，能耗小空间太阳能发电优势空间太阳能发电优势反射反射吸收吸收折射折射地面接收器地面接收器Xian Jiaotong University激光式优点：系统的整流天线比微波式小；微波传输存在大激光式优点：系统的整流天线比微波式小；微波传输存在大气电离层的干扰，故有强度限制，而激光传输没有这种限制气电离层的干扰，故有强度限制，而激光传输没有这种限制；传输密度大，为微波系统的；传输密度大，为微波系统的100100倍，并且方向性很好。倍，并且方向性很好。微波式优点：即使在坏天气下也可以供应能源微波式优点：即使在坏天气下也可以供应能源传送电能的形式传送电能的形式Xian Jiaoton