太阳能材料的研究和发展

1、 本文由syj983232贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 维普资讯 罂罂 缝缝翡 的趼 沈辉辉 梁宗宗存 李李戬洪 引言言 随随 着人人类社会会 的不不断 发发展 ，人人与 自自然的矛矛盾也愈愈来愈突突 出出。目前前全世界界范围面面临的最最为突出出自 题是环环境与能能源即即 勺勺 换换的缘故故从物物理角度度来讲，黑黑色意味味着光线线的几乎乎全部的的吸 收收、被吸吸收的光光能即转转化为热热能。因因此为了了最大限限度地实实现太 阳阳能 的的光热转转换，似似平用黑黑色的涂涂层材料料就可满满足 了了，但实实际 情况并并非如此此。这主主要是材材

2、料本身身还有一一个热辐辐射问题题。从量量 子子物理 的理论论可知，黑黑体辐射射的波长长范围大大约在 之之 间黑黑体辐射射的强度度分布只只与温度度平 波波长有关关，辐射射强度 的峰 值 对对应 的的波 长长在 附附近。 由由此可见见，太阳阳光谱的的波长分分布范围围基本上上 与热热辐射不不重 叠。 因此要要实现最最佳的太太 阳能能热转换换，所采采 用的的材料必必须满足足 以以下两个个条件：在太阳阳光谱内内吸收光光线程度度高，即即有尽量量高 吸收率率 ；在热热辐射波波长范匿匿内有尽尽可能低低的辐射射损失， 环环境恶化化千 能能源短缺缺 。这这个 问问题当然然要通过过各国政政府采取取正确 的的对策来来

3、处理 发展展新材料料厦相应应的技术术，将是是解决这这一题题 最最为有效效的方法法。事实实上近年年来人们们对太阳阳能材料料 的研研制和利利 用用，已显显示了积积极 有有效的作作 用。这这 一新新型二能能材 料料的发展展既 力 可解块块人类面面临 的的能源短短缺，叉叉不造成成甄境污污染 。尽尽管太阳阳能 材材料 的的成本还还较高和和性能还还有峙进进一步提提高但但随着材材料 学 的不断断进步，太太阳能材材料愈来来愈显示示了诱人人的发展展前景。可可以 预 见见，在下下个世纪纪，太阳阳能材料料将扮演演更为重重要的角角色 就象 半导导体等功功能材料料的发展展带来电电信和计计算机产产业的兴兴起和发发展 一一

4、 即即有尽可可能低 的发射射率 。一般般来说，对对同一波波长而言言，材料料 的的吸收率率和发射射率有同同样的数数值，即即吸收率率高贝 相应的的发射率率 也也高但但吸收率率 与与反射率率 厦厦透身 率 满足如如下关系系 。对对干不透透 明材材料由于于 ，则则 而而对于黑黑 样样，太阳阳能材料料厦相关关技术也也将带来来太阳能能器件的的产业化化 发发展，使使人类在在环境保保护和能能 源利利用两方方面的午午 谐达达到更 加完 亡 善善的境界界。 太阳阳能是人人类取之之不尽，用用之不竭竭的可再再生能源源，也是是清 洁能源源，不产产生任何何 的环环境污染染 。为为 了充充分 有有效地 利抖 太阳 能，人人

5、们发展展了多砷砷太阳能能材料。按按性能和和用途太太体上可可分为 光热热转换材材料，光光 电转转换材料料，光化化学能转转换材料料和光能能调控 色色物体来来说， ，则 根据据以上讨讨论，可可知最有有效的 太太 阳能能光热转转换材料料是在太太阳光谱谱范围内内，即 有有 即 ）；而在 ，即热热辐射波波长范围围内， 有有 即 或 ）。一一般将具具备这一一特性 的溶层层材 料料稚为选选择性吸吸收材料料。如不不完全满满足以上上条件，如如在热辐辐射 变变色材料料等。由由此而形形成太阳阳能光热热利 用用，光电电利用，光光化学 能能利用和和太阳能能光能调调控等相相应技术术从 目前世世界范匿匿内经济济 渡渡长范围围

6、内 有较大大 的值值，则尽尽管在太太阳光谱谱 ，仍仍有很大大 热热辐射损损 失 这类类材料通通常称为为非选择择性涂层层材料 。所有有选 择性 吸收 涂层 的构 造基 本上 分为两两 个部部份 ：红 外外反射 底层 （ 铜 铝等高高红外反反射比金金属 ）和和太阳光光谱吸收收层 （ 金属化化合 发发展状况况来看，太太阳能材材料厦相相应利 用技术术是发展展最 和最有有 央央 发发展前景景的高社社技产业业之一。随随着科学学技术白白 不断断进步 将不不 勺勺 断地地出现更更为经济济，性 能更好好的新型型太 能材料料。 日日 物物或金属属复台材材料 ）。吸吸收涂层层在太阳阳光波峰峰值波长长 ）耐耐近产生生

7、强烈的的吸 收收， 在在红外波波段则 自由透透过 ，并并借助于于 太阳阳能光热热转换 我我们知道道，太 阳主要要以 电电磁 辐辐射的形形式结地地球带来来光与 热热。太阳阳辐射波波长主要要分布在在 范围 内。从从光热效效 底底层的高高红外反反射特性性构成选选择性涂涂层。实实际上利利用的选选择性 涂层层材料，多多是将超超细金属属颗粒分分散在金金属氧化化物的基基体上形形 成成黑色吸吸收津层层。这通通常采 用电化化学，真真空蒸发发和磁控控溅射等等 工工艺来实实现。 应应来讲，太太阳光谱谱中的红红外波段段直接产产生熟效效应，而而绝大部部份 光能不不能直接接产生热热量。我我们感觉觉在强烈烈的阳光光下的温温

8、暖和炎炎 热热，主要要是我们们的衣服服和皮肤肤吸收太太阳光线线，从而而产生光光热转 在在太阳能能热水器器上得到到广泛应应用的太太阳 能能吸热涂涂屉主要要 有有：磁控控溅射涂涂层，选选择性 阳极氧氧化涂层层等。从从 使用用和经济济角 度考虑虑， 除了了吸热性性能外 ，还 要 维维普资讯讯 htttp:/m 产产 业业 论论 坛坛 新新 蜡 料 产产 业 年 月刊刊 蒡蒡 求求使用寿寿命要长长，生长长成本要要 等等。我国国从 年代开开始加快快 了 氐 太太阳能的的能量密密度低 （ ） 约约 ，而且且不稳定定不连续续。用太太 阳阳能 电电池及相相应储存存技术可可太面积积采集、储储存太阳阳能， 适应

9、于人们们工作和和 日常常生活需需要 。目目前太阳阳能 电电池，占占主导市市场的 是单单晶硅电电池。估估计 不不久的将将来，多多晶硅薄薄膜电池池和 非非晶硅薄薄 膜膜电池会会逐步 占领市市场 ，并并有可能能最终 取代单单 晶硅硅 的主主导地 在在太阳能能吸热材材料 方方面的研研 究象清华华大学，北北 京太太阳能研研究 所所等单位位 先后后研制出出一系列列优 良良的选择择性涂层层材料 。所研研制 的的 黑黑钴选择择性吸收收涂层具具有 良良好的光光谱选择择性，适适台应用用在工作作 温温度较高高 的真真 空集集 热管管上 。研研 制成成功的用用于全玻玻璃真空空管上 铅 铝太太阳光谱谱选择性性吸 氨，

10、。近 来来国内外外在制备备工艺上上主要利利 用电电化学和和磁控溅溅射方法法，所研研 位位。近年年来，随随着材料料科学的的发展，不不断有新新材料、新新 工艺艺出 现。象象硒铟锢锢 电池池成本低低 ，性性能稳定定也是具具有很好好 发展展前景 的。此此外作为为近年来来太阳能能电池发发展的最最新成果果，纳米米晶太 阳 化化学能 电池更更展现 了太 阳能 电池的的一个 新的发发展 方方向。 制制的选择择性吸收收涂层材材料 向向多层化化，梯度度化发展展。如倍倍受重视视 的的氮化铝铝选择性性吸收涂涂层是新新一代的的吸热涂涂层的代代表。从从 目前前 已已达到的的水平来来看，光光热转换换材料的的性能还还可进一一

11、步提亩亩这 不仅仅需要人人们不断断探 索索新的材材料体系系和制备备工艺，还还可在津津层 的的玻璃盖盖板表面面上做 文章。如如德国某某研究所所，利用用全息照照相技 对对太阳能能 电池池的发展展进程简简单地回回厩 可可让我们们进一步步 了解解 材材料科学学对太阳阳能利用用的至关关重要的的作用，并并对材料料研究提提出更 高 的要求求。开发发太阳能能电池必必须面临临的问题题，就是是 氐氐 生产产成本 和提提高光 电转换换效率。高高性能单单晶硅电电池是建建立在高高质量单单晶硅 材料料和相关关的成熟熟的加工工处理工工艺基础础上的。目目前国内内外生产产单 晶硅主主要采用用提 拉拉法和区区熔两种种工艺。通通过

12、现代代先进的的电池工工 艺艺，开发发的单晶晶硅电池池可分为为平面单单晶硅高高效电池池和刻槽槽埋栅电电 极极单晶硅硅 电池池。为了了达到高高效率的的目的，在在平面单单晶硅中中采用表表 面面积构化化，用光光刻腐蚀蚀工艺制制成倒金金字塔结结构 （ 表面开开 口尺尺寸为 术术，在平平板盖板板表面上上进行纳纳米结构构处理，以以增加太太阳光透透射 率，减减少太阳阳能的反反射损失失，从而而使太阳阳能的热热利 用用效率得得到 了了进一步步提高。 从从技术与与经济的的观点来来看，最最简单也也最实际际 的途途径就是是把 太阳能能转换成成热能加加 以利利用。事事实上太太阳能光光热转换换是 目目前世 界范范围内太太

13、阳能能利用的的一种最最普及最最主要 的形式式。我国国已成为为 世世界上生生产太阳阳能热水水器最 多的国国家， 时也是是世界上上最大的的 太阳阳能热水水器市场场 。可可预见见，太 阳能热热水器将将是不可可取代的的 太太阳能利利用形式式 。 帕再进进行发射射区钝化化和分区区掺杂处处理。所所迭到的的光电转转 换效率率可达到到 魄魄左右。对对刻槽埋埋栅电极极单晶硅硅 电池池，则利利用单 晶硅硅的各向向异性，通通过化学学腐蚀方方法在电电池表面面形成大大小不同同的 金字塔塔锥体再加上上立 埋埋栅电极极等措施施 也可可将转换换效率提提高 惜惜 太阳阳能光 电转换换 太太阳能光光 电转转换主要要是 半导体体材

14、料为为基石 ，利用用光照产产 出出 生生电子一一 空定定对，在在 结结上可以以产生光光电流和和光电压压的现象象 （ 光光 到到 左右。现现在单晶晶硅的电电池工艺艺已近成成熟，提提高转换换效率主主 要要是靠单单晶硅表表面微结结构处理理和分区区掺杂工工艺。近近斯国外外有关单单 位位又通过过表面纳纳米构造造减反射射处理 使单晶晶硅电池池转换效效率已达达 虢左左右。总总的来看看单晶硅硅电池效效率有可可能还会会提高到到接近鼍 伏伏效应） ，从 而实现现太 阳阳能光 电转换换的 目目的。通通常所用用的半导导 体体材料为为硅、铭铭和 【 一一 化台台物等。一一般对太太阳能电电池材料料有 如下一一些要求求：要

15、充充分利用用太阳能能辐射，即即半导体体材料的的禁带 不能能太宽，否否贝 太太阳能辐辐射利 用率太太低；有有较高的的光电转转换效 率；材材料本身身对环境境不造成成污染；材料便便于工业业化生产产 且材材料 性能稳稳定。能能达到这这几条要要求的主主要有锗锗硅 、砷化化镓、硫硫化 铜锑锑化镉等等。特 别象锗锗、硅 、砷化化镓等的的禁带宽宽度相当当干近 红外外线的光光子，对对这样的的半导体体太阳阳光谱的的大部分分，包括括各 种种可见光光都可 以用来来产生 电子一一 穴对对但 考虑 到只有有禁带宽宽 空空 左左右。但但由于单单晶硅生生产工艺艺复杂厦厦相应的的繁琐的的电池工工艺，致致 使使单晶硅硅电池成成本

16、居高高不下，困困此要大大规模推推 阳能电电池靠单单 晶硅硅是不可可能做到到的。 近近年来，多多晶硅薄薄膜电池池 由于于成本较较 低，且且转变效效率也较较 高高 （ 而得到到 了迅迅速发展展 。目目前制备备多晶硅硅薄膜多多栗用快快 速速热化学学 气相相沉积 （ 丁丁 ）和等等离子体体 增强强化 学学气相沉沉积 （ ） 工艺 化学学气相沉沉积主要要是以三三氯氢硅硅 （ ，四 】 氯氯 化硅硅 （ 或硅烷烷 （等 为原料料，在真真空石英英管反应应室 ） ） 内内沉稠 而成 薄膜膜 厚度度可得到到精确控控 制，衬衬底材料料一般选选用 度度在 电子伏伏特的半半导体才才有较高高的光 电转换换效率，因因 此

17、硅 砷化化镓等是是理想的的电池材材料 而锑化化镉由于于镉是有有毒元 紊紊，其应应用受到到一定限限制 。再再从原料料资源 、生产产工艺和和性能稳稳 等。近近些年来来一种种以冶金金级硅粉粉制作的的颗粒 皿 硅硅带为衬衬底的多多晶硅 薄膜 电池 引人注注目，这这为发展展低价长寿 电池池找到 了一条条新路子子 。制制备 多多晶硅薄薄膜电池池的关键键就是再再结 定定性等方方面综台台考虑，硅硅是最台台适最理理想的太太 阳能能 电 池材料料， 这这也是为为什么太太阳能电电池主要要硅材材料为主主 原原因 太阳能能光 电利用用是近些些年发展展最快，最最具活力力的研究究领域。从从太阳能能的 特点和和使用方方便性而

18、而言，太太 阳能能电池的的 出现现和发展展是标志志人类 用用太阳能能达到的的个新新的发展展阶段。众众所周知知，在地地球表面面 晶晶工艺，现现在几乎乎所有制制备单晶晶硅高效效电池 的技术术部用于于制备 多多晶硅薄薄膜 电电池的工工艺上 多晶晶硅薄膜膜电池将将最终取取代单晶晶硅 电池，而而作为 市场 的主导导产品。 现现在非晶晶硅 电电池研究究也取得得 了 突破性性进展。美美国联合合太阳 能能系统公公 司以以不锈钢钢板作衬衬底，采采用单层层，双层层、三层层本征非非 维维普资讯讯 htttp:/m 昌昌硅薄膜膜 结构构 ，使使非晶硅硅 电池池转换效效率达到到 蕊，估估计不久久 将将会达到到 目标 。

19、可 以预 见，由由于更低低的生产产成本和和较高 的的 的的转换效效率，非非晶硅 电池也也将是太太阳能电电池的主主要发展展产品之之 ， 反反向时，则则产生与与上述相相反 的的过程， 即电子子和离子子从着色色的电 致变变色层内内抽 出出而使其其退色 与电电致变色色系统相相 比，气气致变色色系统具具有结构构简单和和调光 范围围宽 （ 的特点点。氧化化钨薄膜膜也是性性能优 良的气气致变色色 神 材料。气气致 变变色系统统主要 由双层层薄膜构构成 ，即即在 平平板玻璃璃上 先沉积积氧化钨钨，然后后沉淀一一层催 化剂层层，催化化剂层与与另一平平板 玻璃保保持一定定间隙。着着色时充充含有微微 量氢氢气的惰惰

20、性气体体即可， 退退色则充充氧气或或空气就就可实现现。变色色原理是是基于氧氧化还原原反应 和和氧 化化钨的 变价特特性 。 有有很好的的市场发发展 前前景 。 硒硒铟铜多多晶薄膜膜 电池池的效 率稳定定在 砩左左右，其其成本较较硅 材材料 电电池都低低，并且且易于规规模 生生产硒硒铟铜电电池 由由很薄的的四层 材料料构成，其其中每一一层都只只有纸张张厚 度度白 。在在太阳光光照射 勺 下下，由中中间两层层发 电电，上下下两层将将 电导导出。几几百平方方米面积积的 这种 电池重重量只有有左左右但但这种 电池所所用材 料由于于硒 、铟铟 都都是 比比较稀有有的元素素 ，因因此这类类 电池池发展将将

21、受到一一定限制制 不不管是硅硅材料 电池，还还是硒铟铟铜电池池， 由由于制备备 资源源 ； 问问题 成成本柯 能降得得很低最近受受到国内内外科学学家高度度重视的的 纳纳米昌二二氧化钛钛 化学学能电池池 显示示了更好好的发展展前景 这 种新新型电池池以纳米米多孔二二氧化钛钛为半导导体电极极 、蹦蹦睦渡金金属以以 及及 等等有扪化化台物作作染料，并并选 用用适当的的氧化一一 还原 电解质质。其 光 电转换换效率也也达到 嘴以以上，制制备威本本仅为硅硅太阳能能电池的的 寿命能能达到 年以以上。这这类太阳阳能化学学能电池池的研制制和 开发，必必将对人人类太阳阳能利用用起 巨巨大的促促进作用用 从从太阳

22、能能 电池池的发展展历史来来 看，材材料研 究起决决定性 的作 用，每每一新材材料 的的出现，都都给太 阳能 电池及及太 阳阳能光 电利用用带 来 一一次变革革。随着着新材料料，新工工艺的不不断 出出现，太太阳能 电池的的 效效率及稳稳定性等等将会得得到进一一步提高高 最最近穗 国夫和和费太阳阳能系统统研究所所研制气气致变色色系统有有突 破性进进展，所所推出的的样品为为带有两两个变色色单元的的房门，每每个变 色单单 元的的面积 为 ，其其变色退退色过 程在几几秒钟之之 内 即完完成，并并且在变变色 。欢后后性能仍仍保持稳稳定，其其样品在在 年年 德德国汉诺诺威博览览会上倍倍受注目目 估估计不久

23、久这一变变色系统统将不断断 成成 熟， 不断完完善。 电电致变色色，气致致变色这这类太阳阳能调控控变色材材料具有有很 好好的 研究前前景和广广阔的应应用范 围，如如可用于于交通工工具的门门窗，建建筑 物的门门窗以及及作为显显示器件件等 。至至今为此此，这类类材 料料变色机机理 和制备备工艺还还有待进进一步研研究，特特别是变变色系统统有待 于进一一步 简简化、优优化，相相信 不不久 的的 将来来，这类类材料将将很快进进实用用化阶 段段，使人人们 利利用太阳阳能 的的形式 向智能能化发展展。 结 束语 太阳阳光调控控 变色色 以以上就与与太阳能能材料的的发展状状况进行行了撬述述 。总总的来看看，

24、太阳阳光调控控变色材材料，如如 电致致变色和和气致变变色材料料也是太太 阳阳能材料料家族的的重要成成员 这类材材料的出出现，标标致人类类利 用用太 阳能的的水 平平的进一一步提高高 电电致变色色材料 在国外外已有很很长的研研究历史史。在近近些年，由由 于于真空技技术和薄薄膜工艺艺技术的的进步， 电致变变色材料料也成 了太阳阳 能能材料的的个研究究热点。现现 已清清楚，许许多金属属氧化物物都是优优 良 的的 电致致变色材材料，如如氧化钨钨、氧化化镍、氧氧化钼等等，但性性能最好好 的的当属氧氧化钨 目前前氧化钨钨薄膜的的制备 工艺主主要有真真空蒸 发， 磺磺控溅射射和湿化化学法等等 电电致变色色材

25、料可可用于建建筑物太太阳光调调 太太阳能利利 用的的水平，最最终取决决于太阳阳能材料料的发展展水平。新新材 料 、新新工艺的的出现 可进一一步提高高人类利利 用太太 阳能能的水平平。象 太阳阳能 电电池和太太阳能调调控材 料和系系统，正正在和 即将形形成一个个 大 规模模的高科科技产业业从科科学和经经济发展展来看，这这部是具具有重大大 意意义的欧美有有百万屋屋顶发电电计划并并在制定定太空发发 电战战略，我我 国国正在西西部地区区实施阳阳光发 电工程程。如能能利用太太阳能 电池发发展 太太阳能 电动汽汽车，不不仅能节节省大量量矿物燃燃料，而而且能从从根本上上 改改善环境境污染状状况。从从发展经经

26、济、提提高 产产品档次次和开发发新产品品 来来看，太太阳能材材料及相相应技术术产品也也是有广广阔发展展前景 的。象象 太太 阳能能电视 ，冰箱箱及太阳阳能加工工技术 ，都具具有广阔阔的市场场，将 给我我国经济济带来活活力和新新的经济济增长点点 。太太 阳能能利用 日益与与建 筑结合合在一起起，建筑筑材料也也有 向向功能化化发展 的趋势势而太太阳能 利用用就是一一个重要要的结台台对 象象 如如能结台台太阳能能利用特特点，可可 控控变色材材料，透透光调节节范围 这对于于夏季防防止室 内 热热 过 和和降低室室内空调调 电能能消耗具具有重要要作 用用，是一一种 很很好的光光能调 控控 节能能材料 。

27、但 电 致致变色系系统的结结构比较较复杂，一一般 需需要五层层 薄薄膜结构构，即分分别在两两平板玻玻璃 内内表面积积透明导导电层电电极在在 每每一 电电极上沉沉积氧化化 钨变变色系置于膜膜层中间间的为离离子导体体膜 或 电电解液。 电致变变色的工工作原理理为，在在外加 电压的的作用下下，通 过透透明导电电层提供供的电子子和存贮贮在一边边的电致致变色层层的并经经离 子导体体层以快快 离子子方式传传输的正正离 子子共同注注另边的电电致变 色层层，并使使其发生生氧化还还原的电电化学反反应而着着色。当当旄压 电压 开开发更 多的新新产品。象象 电 致变色色，气致致变色材材料就是是值得开开发 的的高科技

28、技新型建建材产品品通过过 利用用这些太太阳能建建材，使使人们将将 建建筑物与与太阳能能利用得得到完善善的结台台。国外外已建有有多种太太阳能 住宅宅，我们们只要从从中吸取取相关技技术推广广应用就 可可很好地地造福 于于人类和和大 自自然 。 11本文由由sunnp_llsj贡贡献 ddoc文文档可能能在WAAP端浏浏览体验验不佳。建建议您优优先选择择TXTT，或下下载源文文件到本本机查看看。 太太阳能材材料的研研究和发发展 引引言 随随着人类类社会的的不断发发展，人人与自然然的矛盾盾也愈来来愈突出出。目前前全世界界范围面面临 的的最为突突出的问问题是环环境与能能源，即即环境恶恶化和能能源短缺缺。

29、这个个问题当当然要通通过 各各国政府府采取正正确的对对策来处处理，发发展新材材料及相相应的技技术将将是解决决这一问问题 最最为有效效的方法法。事实实上近年年来人们们对太阳阳能材料料的研制制和利用用，已显显示了积积极 有有效的作作用。这这一新型型功能材材料的发发展，既既可解决决人类面面临的能能源短缺缺，又不不造 成成环境污污染。尽尽管太阳阳能材料料的成本本还较高高和性能能还有待待进一步步提高，但但随着材材 料科科学的不不断进步步，太阳阳能材料料愈来愈愈显示了了诱人的的发展前前景。可可以预见见，在下下 个世世纪，太太阳能材材料将扮扮演更为为重要的的角色。就就象半导导体等功功能材料料的发展展带来 电

30、信和和计算机机产业的的兴起和和发展一一样， 太阳能能材料及及相关技技术也将将带来太太阳能器器 件的的产业化化的发展展， 使使人类在在环境保保护和能能源利用用两方面面的和谐谐达到更更加完善善的 境境界。 大阳能能是人类类取之不不尽，用用之不竭竭的可再再生能源源，也是是清洁能能源，不不产生任任何的 环境污污染。为为了充分分有效地地利用太太阳能，人人们发展展了多种种太阳能能材料。按按性能和和 用途途大体上上可分为为光热转转换材料料，光电电转换材材料，光光化学能能转换材材料和光光能调控控 变色色材料等等。由此此而形成成太阳能能光热利利用，光光电利用用，光化化学能利利用和太太阳能光光 能调调控等相相应技

31、术术。从目目前世界界范围内内经济发发展状况况来看，太太阳能材材料及相相应利 用技术术是发展展最快和和最有发发展前景景的高科科技产业业之一。随随着科学学技术的的不断进进 步，将将不断地地出现更更为经济济，性能能更好的的新型太太阳能材材料。本本文主要要综述和和评估 近年来来国内外外太阳能能材料的的发展状状况，主主要涉及及光热转转换，光光电转换换及变色色材料 的最新新研究动动态和发发展前景景，并对对国内发发展大阳阳能材料料及相应应技术，提提出一些些看 法法。 22 太阳阳能光热热转换 我们知知道，太太阳主要要以电磁磁辐射的的形式给给地球带带来光与与热。太太阳辐射射波长主主要分 布在 0225-22.

32、5m 范范围内。从从光热效效应来讲讲，太阳阳光谱中中的红外外波段直直接产生生 热。 由此可可见，太太阳光谱谱的波长长分布范范围基本本上与热热辐射不不重叠。因因此要实实现最佳佳的 太太阳能热热转换，所所采用的的材料必必须满足足以下两两个条件件：在太阳阳光谱内内吸收光光线 程程度高， 即有尽尽量高的的吸收率率 a； 在热辐辐射波长长范围内内有尽可可能低的的辐射损损失， 即有尽尽可能低低的发射射率 。一般般来说，对对同一波波长而言言，材料料的吸收收率和发发射 率率有同样样的数值值，即吸吸收率高高则相应应的发射射率也高高。但吸吸收率 a 与与反射率率 及 透射率率 t 满足如如下关系系：at=l。对对

33、于不透透明材料料由于 t=00,则 a=1。而而 对于于黑色物物体来说说，0,则则 al。根根据以上上讨论，可可知最有有效的太太阳能光光热 转转换材料料是在太太阳光谱谱范围内内，即 25m，有有 a1（即即 0）；而在 22m，即即热辐射射波长范范围内，有有 0(即即 l 或或 a0）。一一般将具具备这一一 特性性的涂层层材料称称为选择择性吸收收材料。如如不完全全满足以以上条件件，如在在热辐射射波长 范围内内。 有较较大的值值，则尽尽管在太太阳光谱谱 a1，仍仍有很大大的热辐辐射损失失。这 类材料料通常称称为非选选择性涂涂层材料料。 所所有选择择性吸收收涂层的的构造基基本上分分为两个个 部份份

34、：红外外反射底底层（铜铜、铝等等高红外外反射比比金属）和和太阳光光谱吸收收层（金金属化 合物或或金属复复合材料料)。吸吸收涂层层在太阳阳光波峰峰值波长长（0.5m）附附近产生生强烈 的吸收收，在红红外波段段则自由由透过，并并借助于于底层的的高红外外反射特特性构成成选择性性涂 层层。实际际上利用用的选择择性涂层层材料，多多是将超超细金属属颗粒分分散在金金属氧化化物的基基 体上上形成黑黑色吸收收涂层。 这通常常采用电电化学， 真空蒸蒸发和磁磁控溅射射等工艺艺来实现现。 在在太阳能能热水器器上得到到广泛应应用的太太阳能吸吸热涂层层主要有有：磁控控溅射涂涂层，选选择 性性阳极氧氧化涂层层等。从从使用和

35、和经济角角度考虑虑，对光光热转换换材料的的基本要要求，除除了 吸吸热性能能外，还还要求使使用寿命命要长，生生产成本本要低等等。我国国从 880 年年代开始始加快 了在太太阳能吸吸热材料料方面在在研究，象象清华大大学，北北京太阳阳能研究究所等单单位先后后研 制制出一系系列优良良的选择择性涂层层材料。 所研制制的黑钴钴选择性性吸收涂涂层具有有良好的的光 谱谱选择性性，适合合应用在在工作温温度较高高的真空空集热管管上。研研制成功功的用于于全玻璃璃真 空空管上铝铝-氮/铝太阳阳光谱选选择性吸吸收涂层层也具有有很好的的性能参参数。 近来国国内外在在 制备备工艺上上主要利利用电化化学和磁磁控溅射射方法，

36、所研制制的选择择性吸收收涂层材材料向多多 层化化，梯度度化发展展。如倍倍受重视视的氮化化铝选择择性吸收收涂层是是新一代代有吸热热涂层的的 代表表。从目目前已达达到的水水平来看看，光热热转换材材料的性性能还可可进一步步提高，这这不仅 需要人人们不断断探索新新的材料料体系和和制备工工艺， 还可在在涂层的的玻璃盖盖板表面面上做文文 章。 如德国国某研究究所， 利用全全息照相相技术， 在平板板盖板表表面上进进行纳米米结构处处理， 以增加加太阳光光透射率率，减少少太阳能能的反射射损失，从从而使太太阳能的的热利用用效率得得到 了了进一步步提高。从从技术与与经济的的观点来来看，最最简单也也最实际际的途径径就

37、是把把太阳能能 转换换成热能能加以利利用。 事实上上太阳能能光热转转换是目目前世界界范围内内太阳能能利用的的一 种种最普及及最主要要的形式式。我国国已成为为世界上上生产太太阳能热热水器最最多的国国家，同同时 也也是世界界上最大大的太阳阳能热水水器市场场。可以以预见，太太阳能热热水器将将是不可可取代的的 太阳阳能利用用形式。与与国内其其它省区区相比，尽尽管广东东地区有有着丰富富的太阳阳能资源源， 但但太阳能能热水器器的利用用和普及及还有相相当的差差距。就就环保这这一点来来考虑，在在广东省省 大力力推广太太阳能热热水器利利用就大大有必要要。这除除了政府府应推出出相应政政策外，对对热水 器本身身也是

38、提提出了更更高的要要求，特特别是光光热转换换材料的的性能更更需进一一步发展展提 高高，以使使太阳能能热水器器的性能能，寿命命和使用用效果更更能得到到人们普普遍认可可 3 太阳能能光电转转换 太太阳能光光电转换换主要是是以半导导体材料料为基础础，利用用光照产产生电子子-空穴穴对，在在 PNN 结上上可以产产生光电电流和光光电压的的现象（光光伏效应应），从从而实现现太阳能能光电转转换的 目的。通通常所用用的半导导体材料料为硅、锗锗和 IIllV 化化合物等等。一般般对太阳阳能电池池 材料料有如下下一些要要求：要要充分利利用太阳阳能辐射射，即半半导体材材料的禁禁带不能能太宽， 否则太太阳能辐辐射利用

39、用率大低低；有较较高的光光电转换换效率；材料本本身对环环境不造造成污 染；材材料便于于工业化化生产且且材料性性能稳定定。能达达到这几几条要求求的主要要有锗、硅硅、 砷砷化镓、硫硫化铜，锑锑化镉等等。特别别象锗、硅硅、砷化化镓等的的禁带宽宽度相当当于近红红外 线线的光子子，对这这样的半半导体，太太阳光谱谱的大部部份，包包括各种种可见光光都可以以用来产产 生电电子-空空穴对。 但考虑虑到只有有禁带宽宽度在 0.551.5 电电子伏特特的半导导体才有有较高 的光电电转换效效率，因因此硅、砷砷化镓等等是理想想的电池池材料。而而锑化镉镉由于镉镉是有毒毒 元素素，其应应用受到到一定限限制。再再从原料料资源

40、、生生产工艺艺和性能能稳定性性等方面面综合 考虑，硅硅是最合合适最理理想的太太阳能电电池材料料，这也也是为什什么太阳阳能电池池主要以以硅 材材料为主主的原因因。太阳阳能光电电利用是是近些年年发展最最快，最最具活力力的研究究领域。从从 太阳阳能的特特点和使使用方便便性而言言， 太太阳能电电池的出出现和发发展是标标志人类类利用太太阳 能能达到的的一个新新的发展展阶段。众众所周知知，在地地球表面面太阳能能的能量量密度低低 （ll0000w/mm2） 而且不不稳定不不连续。 ， 用用太阳能能电池及及相应储储存技术术可大面面积采集集、 储储存大阳阳能，以以适应于于人们工工作和日日常生活活需要。目目前大阳

41、阳能电池池，占主主导市场场 的是是单晶硅硅电池。估估计不久久的将来来多晶晶硅薄膜膜电池和和非晶硅硅薄膜电电池会逐逐步占 领市场场，并有有可能最最终取代代单晶硅硅的主导导地位。近近年来，随随着材料料科学的的发展， 不断有有新材料料、新工工艺出现现。象硒硒铟锢电电池成本本低性性能稳定定也是具具有很好好发展 前前景的。此此外作为为近年来来太阳能能电池发发展的最最新成果果，纳米米晶太阳阳化学能能电池更更 展现现了太阳阳能电池池的一个个新的发发展方向向。对太太阳能电电池的发发展进程程简单地地回顾， 可让我我们进一一步了解解材料科科学对太太阳能利利用的至至关重要要的作用用， 并并对材料料研究提提 出更更高

42、的要要求。开开发太阳阳能电池池必须面面临的问问题，就就是降低低生产成成本和提提高光电电 转换换效率。 高性能能单晶硅硅电池是是建立在在高质量量单晶硅硅材料和和相关的的成熟的的加工处处 理工工艺基础础上的。目目前国内内外生产产单晶硅硅主要采采用提拉拉法和区区治两种种工艺。通通过 现现代先进进的电池池工艺， 开发的的单晶硅硅电池可可分为干干面单晶晶硅高效效电池和和刻槽埋埋栅 电电极单晶晶硅电池池。为了了达到高高效率的的目的，在在平面单单晶硅中中采用表表面积构构化，用用 光刻刻展过工工艺制成成倒金字字塔结构构（表面面开口尺尺寸为 10 X 110m）再再进行发发射区 钝化和和分区掺掺杂处理理。所达达

43、到的光光电转换换效率可可达到 20左右。对对刻槽埋埋栅电 极单晶晶硅电池池，则利利用单晶晶硅的各各向异性性，通过过化学腐腐蚀方法法在电池池表面形形成大 小不同同的金字字塔锥体体， 再再加上刻刻槽埋栅栅电极等等措施， 也可将将转换效效手提高高到 220 左右。现现在单昌昌硅的电电池工艺艺已近成成熟，提提高转换换效率主主要是靠靠单晶硅硅表面微微结 构构处理和和分区掺掺杂工艺艺。近期期国外有有关单位位又通过过表面纳纳米构造造减反射射处理，使使 单晶晶硅电池池转换效效率已达达到 223左左右。总总的来看看单晶硅硅电池效效率有可可能还会会提 高高到接近近 255左右右。但由由于单晶晶硅生产产工艺复复杂及

44、相相应的繁繁琐的电电池工艺艺，致 使单晶晶硅电池池成本居居高不下下。 因因此要大大规模推推广太阳阳能电池池靠单晶晶硅是不不可能做做 到的的。近年年来，多多晶硅薄薄膜电池池由于成成本较低低且转转变效率率也较高高（155188） 而得到到了迅速速发展。目目前制备备多品硅硅薄膜多多采用快快速热化化学气相相沉积（RRTCVVD） 和等离离子体增增强化学学气相沉沉积（PPECVVD）工工艺。化化学气相相沉积主主要是以以三氯氢氢硅 （SSiHCCl3）、四四氯化硅硅（SiiCl44）或硅硅烷(SSiH44)等为为原料，在在真空石石英管反反应室 内沉积积而成。薄薄膜厚度度可得到到精确控控制，衬衬底材料料一般

45、选选用 ssi、SSiO22 及 Si33N4 等。近近些年来来，一种种以冶金金级硅粉粉制作的的颗粒硅硅带为衬衬底的多多晶硅薄薄膜电池池引人 注目，这这为发展展低价、长长寿电池池找到了了一条新新路子。制制备多晶晶硅薄膜膜电池的的关键 就是再再结晶工工艺， 现在几几乎所有有制备单单晶硅高高效电池池的技术术都用于于制备多多晶硅薄薄 膜电电池的工工艺上。多多晶硅薄薄膜电池池将最终终取代单单晶硅电电池，而而作为市市场的主主导产 品。现现在非晶晶硅电池池研究也也取得了了突破性性进展。美美国联合合大阳能能系统公公司以不不锈 钢钢板作衬衬底，采采用单层层、双层层、三层层本征非非晶硅薄薄膜结构构，使非非晶硅电

46、电池转换换效 率率达到 9113，估估计不久久将会达达到 115的的目标。可可以预见见，由于于更低的的生产成成 本和和较高的的转换效效率，非非晶硅电电池也将将是太阳阳能电池池的主要要发展产产品之一一，有很很 好的的市场发发展前景景。 硒硒铟铜多多晶薄膜膜电池的的效率稳稳定在 15左右，其其成本较较硅材料料电池都都低，并并且 易易于大规规模生产产。硒铟铟铜电地地由很薄薄的四层层材料构构成，其其中每一一层都只只有纸张张厚 度度的 11/200。在太太阳光照照射下，由由中间两两层发电电，上下下两层将将电导出出。几百百平方 米面积积的这种种电池重重量只有有 500kg 左右。但但这种电电池所用用材料由

47、由于硒、铟铟都是比比 较稀稀有的元元素，因因此这类类电池发发展将受受到一定定限制。不不管是硅硅材料电电池，还还是硒 铟铟电电池，由由于制备备工艺和和资源问问题，成成本不可可能降得得很低。最最近受到到国内外外科 学学家高度度重视的的纳米晶晶二氧化化钛（TTiO22）化学学能电池池，显示示了更好好的发展展前景。 这种新新型电池池以纳米米多孔二二氧化钛钛为半导导体电极极、 以以过渡金金属 RRu 以以及 OOs 等等有机 化合物物作染料料，并选选用适当当的氧化化-还原原电解质质。其光光电转换换效率也也达到 10以 上上，制备备成本仅仅为硅太太阳能电电池的 1/55-l/l0，寿寿命能达达到 220

48、年年以上。这这类太阳阳 能化化学能电电池的研研制和开开发，必必将对人人类太阳阳能利用用起巨大大的促进进作用。从从太阳 能电池池的发展展历史来来看，材材料研究究起决定定性的作作用，每每一新材材料的出出现，都都给太 阳能电电池及太太阳能光光电利用用带来一一次变革革。随着着新材料料，新工工艺的不不断出现现，太 阳阳能电池池的效率率及稳定定性等将将会得到到进一步步提高。 4 太太阳光调调控变色色 太阳阳光调控控变色材材料， 如电致致变色和和气致变变色材料料也是太太阳能材材料家族族的重要要成 员员。这类类材料的的出现，标标致人类类利用太太阳能的的水平的的进一步步提高。 电致变变色材料料在国外外已有很很长的研研究历史史。在近近些年，由由于真空空技术和和薄膜工工艺 技技术的进进步，电电致变色色材料也也成了大大阳能材材料的一一个研究究热点。现现已清楚楚，许多多 金属属氧化物物都是优优良的电电致变色色材料，如如氧化钨钨、氧化化镍、氧氧化铝等等，但性性能最 好的当当属氧化化钨。目目前氧化化钨薄膜膜的制备备工艺主主要有真真空蒸发发磁控控溅射和和湿化 学法等等。电致致变色材材料可用用于建筑筑物太阳阳光调控控变色材材料，透透光调节节范围为为 100 550，这这对于夏夏季防止止室内过过热和降降低室内内空调电电能消耗耗具有重重要作用用，是一一 种很很好的光光能调控控