新嫩和原材料第四章太阳能电池材料

新嫩和原材料第四章太阳能电池材料第一页，共八十三页，编辑于2023年，星期三介绍内容太阳能太阳能的利用太阳能的光热利用太阳能的光电利用—太阳能电池5.最新进展第二页，共八十三页，编辑于2023年，星期三一，太阳能

太阳是一种炽热的气体球，蕴藏着无比巨大的能量。地球上除了地热能和核能以外，所有的能源都来源于太阳能，因此可以说太阳能是人类的“能源之母”。

第三页，共八十三页，编辑于2023年，星期三小麦第四页，共八十三页，编辑于2023年，星期三水稻第五页，共八十三页，编辑于2023年，星期三谷子第六页，共八十三页，编辑于2023年，星期三一，太阳能太阳每小时辐射到地球的能量约为18万兆瓦，相当于燃烧90兆吨优质煤的热量。第七页，共八十三页，编辑于2023年，星期三与太阳相关的一些物理量地球半径Re=6371km太阳半径Rs=6.96×105km地日距AU=1.496×108km≈200Rs太阳质量Ms=1.989×1030kg

＝地球质量（5.98×1024kg）的332,946倍＝全部太阳系行星质量的700倍第八页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳的构造

太阳是一个炽热的气态球体，它的直径约为1.39×106km，质量约为地球质量的3.32×105倍，体积则比地球大1.3×106倍，平均密度为地球的l/4。其主要组成气体为氢(约80%)和氦6(约19%)。

第九页，共八十三页，编辑于2023年，星期三

由于太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应，所以不断地释放出巨大的能量，并以辐射和对流的方式由核心向表面传递热量，温度也从中心向表面逐渐降低。由核聚变可知，氢聚合成氦在释放巨大能量的同时，每1g质量将亏损0.0072g。根据目前太阳产生核能的速率估算，其氢的储量足够维持600亿年，因此太阳能可以说是用之不竭的。

第十页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳内部有“里三层”，从中心向外依次是核反应区—是太阳热能产生的基地辐射区—太阳能先通过这里传播出去对流区—太阳能经过这里向太阳表层传播，它们是“输送带”。太阳的内部构造第十一页，共八十三页，编辑于2023年，星期三

太阳外部有“外三层”。依次为光球层、色球层和日冕层8。人们肉眼可见的明亮表面就是光球层，我们所见到太阳的可见光，几乎全是由光球层发出的。光球层厚约500千米，温度为5762K，密度为10-6g/cm3，厚约500km,它是由强烈电离的气体组成，太阳能绝大部分辐射都是由此向太空发射的。光球外面分布着能发光且几乎透明的太阳大气，有非常稀薄的气体组成，厚度为几百千米，成为反变层。它的外面是色球层，厚度约10000-15000km,大部分由氢和氦组成，温度大约5000K,密度大约10-8g/cm3。最外面一层是日冕，其密度很小而温度很高（106K）。第十二页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳辐射以3×108m/s的速度传播，从太阳到地球大约需要8分钟。太阳辐射能在穿越大气层时，一方面被大气中的氧气、臭氧9、水蒸气、二氧化碳等有选择性（只吸收一定波长范围，比如臭氧对紫外有吸收）的吸收，同时被空气分子、水蒸气以及粉尘等散射，因此到达地面的的太阳辐射比到达大气层的要低，即在大气层中有衰减。第十三页，共八十三页，编辑于2023年，星期三

太阳能的独特优点：

1.最清洁——它没有一般煤炭、石油等矿物燃料产生的有害气体和废渣，因而不污染环境，被称作“干净能源”；

2.分布最广——到处都可以得到太阳能，使用方便、安全；

3.总量最大——取之不尽，用之不竭,成本低廉，可以再生。第十四页，共八十三页，编辑于2023年，星期三就全球而言，美国西南部、非洲、澳大利亚、中国西藏、中东等地区的全年总辐射量或日照总时数最大，为世界太阳能资源最丰富的地区。第十五页，共八十三页，编辑于2023年，星期三我国太阳能的分布我国是世界上太阳能资源丰富的国家之一，全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2200h(约91.6天),具备利用太阳能的良好条件。我国陆地表面接受的太阳辐射能约为50×1018kJ,全国各地太阳年辐射总量达335-837kJ/(cm2·年)。西藏10、青海、新疆10、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西北部、广东东南部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳能辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大。例如被人们称为“日光城”的拉萨市，1961-1970年的平均值，年平均日照时间为3005.7h,相对日照为68%。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最，例如素有“雾都”之称的成都市，年平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为26%。第十六页，共八十三页，编辑于2023年，星期三类型地区年日照时数/h一西藏西部、新疆东南部、青海西部、甘肃西部2800-3300二西藏东南部、新疆南部、青海东部、宁夏南部、甘肃中部、内蒙古、山西北部、河北西北部3000-3200三新疆北部、甘肃东南部、山西南部、陕西北部、河北东南部、山东、河南、吉林、辽宁、云南、广东南部、福建南部、江苏北部、安徽北部2200-3000四湖南、广西、江西、浙江、湖北、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏南部、安徽南部、黑龙江1400-2200五四川、贵州1000-1400第十七页，共八十三页，编辑于2023年，星期三

自古以来，人们就注意利用太阳能。早在几千年前，我们的祖先就曾用“阳燧”这种简单的器具向太阳“取火”，开辟了人类利用太阳能的新纪元。古希腊著名物理学家阿基米德曾用巨大的镜子聚集太阳光，一举烧毁了敌人的帆船队。然而，人们对太阳能的深刻认识和开发利用，直到最近才真正开始。

1945年，美国贝尔电话实验室制造出了世界上第一块实用的硅太阳能电池，开创了现代人类利用太阳能的新时代。英国研制成功一种太阳能冰箱有九块吸热板，晴天时它可以向冰箱的蓄电池充电，一天的充电量足够电冰箱使用五天。瑞士发明了一种太阳能热水瓶，仅重400克，通过装在瓶底部的像镜子似的折叠铝叶板吸收太阳能，用来烧开水。有阳光时，烧一瓶水仅需要半小时左右。太阳能的利用已扩展到科学研究、航空航天、国防建设和人们日常生活的各个方面。

1990年第11届亚运会火炬的火种，就是于8月7日下午，在距拉萨市以北100多公里的念青唐古拉峰下，由15岁的藏族少女达娃央宗用木柴从抛物面聚光太阳灶上获得的。原理与古代阳燧差不多，唯聚光所用的材料有较大的差别。第十八页，共八十三页，编辑于2023年，星期三讨论：太阳能在人类生活中应用的实例？第十九页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳能应用领域太阳能灯太空方面交通设施方面家电方面太阳能车和游艇通信方面领域第二十页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳能的利用太阳能利用太阳能光热利用太阳能光电利用太阳能光化学利用太阳能光生物利用利用太阳能分解水制氢第二十一页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳能的利用太阳能利用太阳能光热利用太阳能光电利用太阳能光化学利用太阳能光生物利用利用生物吸收太阳光通过光合作用把太阳能转换为化学能的过程第二十二页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳能的利用7太阳能利用太阳能光热利用太阳能光电利用太阳能光化学利用太阳能光生物利用第二十三页，共八十三页，编辑于2023年，星期三二，太阳能光热利用光热利用应用太阳能热水、供暖和制冷太阳能干燥农副产品、药材和木材太阳能淡化海水太阳能热动力发电太阳能热水器太阳能热暖器太阳能空调器第二十四页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳能光热利用光热利用应用太阳能热水、供暖和制冷太阳能干燥农副产品、药材和木材太阳能淡化海水太阳能热动力发电太阳能海水蒸馏器第二十五页，共八十三页，编辑于2023年，星期三

世界上第一座太阳能海水蒸馏器是由瑞典工程师威尔逊设计，1872年在北智利建立的，面积为44504m2，日产淡水17.7t。这座太阳能蒸馏海水淡化装置一直工作到1910年。第二十六页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳能光热利用热利用应用太阳能热水、供暖和制冷太阳能干燥农副产品、药材和木材太阳能淡化海水太阳能热动力发电第二十七页，共八十三页，编辑于2023年，星期三

一种有前途的太阳能热动力发电技术是太阳能烟囱发电。它是在一大片圆形土地上盖满玻璃，圆中心建一高大的烟囱，烟囱底部装有风力透平机。透明玻璃盖板下被太阳加热的空气通过烟囱被抽走，驱动风力透平机发电。这种发电装置简单可靠，在西班牙已建有一座容量为100kW的试验电站。显然这种发电方式非常适合于我国广大的西部地区。第二十八页，共八十三页，编辑于2023年，星期三美国军用太阳能发电帐篷第二十九页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳能发电第三十页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳能光热利用基本原理将太阳辐射能收集起来，通过与工质（主要是水或者空气）的相互作用转换成热能加以利用。目前主要有三种收集器：平板型集热器、真空管集热器和聚焦型集热器。第三十一页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳光热利用分类根据所能达到的温度和用途可以分为三种：1）低温利用（＜200℃）主要有：太阳能热水器、太阳能干燥、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统2）中温利用（200-800℃）主要有：太阳灶、太阳能热发电、聚光集热装置3）高温利用（>800℃）主要有高温太阳能炉第三十二页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳能集热器太阳辐射的能流密度低，在利用太阳能时为了获得足够的能量，或者为了提高温度，必须采用一定的技术和装置（集热器），对太阳能进行采集。太阳能集热器是组成各种太阳能热利用系统的关键部件，是用于吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质。第三十三页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳能集热器是否聚光非聚光集热器聚光集热器平板式集热器真空管式集热器第三十四页，共八十三页，编辑于2023年，星期三平板式集热器17世纪后期发明的，但直到1960年以后才真正进行深入研究和规模化应用。是太阳能低温利用的基本部件，也一直是世界太阳能市场上的主导产品。在低温利用领域，技术经济性能优于聚光集热器。国内外使用比较普遍的是全铜集热器和铜铝复合集热器。第三十五页，共八十三页，编辑于2023年，星期三平板集热器吸热体透明盖板隔热体壳体作用吸收太阳能并将其内的流体加热减少集热板与环境之间的对流和辐射散热，保护集热板不受雨、雪、灰尘的侵蚀作用第三十六页，共八十三页，编辑于2023年，星期三平板集热器吸热体透明盖板隔热体壳体作用吸收太阳能并将其内的流体加热平板玻璃钢化玻璃作用防止集热器的侧面和背面向周围散热铝合金板不锈钢板碳钢板塑料、玻璃钢第三十七页，共八十三页，编辑于2023年，星期三真空管集热器为了减少平板集热器的热损，提高集热温度，国际上20世纪70年代研制成功真空集热器，其吸热体被封闭在高真空的玻璃真空管内，大大提高了热性能。所谓真空集热器就是将吸收体与透明盖板之间的空间抽成真空的集热器。第三十八页，共八十三页，编辑于2023年，星期三真空集热器全玻璃真空集热管玻璃-U形管真空集热管玻璃-金属热管真空集热管直通式真空集热管储热式真空集热管第三十九页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳能集热器是否聚光非聚光集热器聚光集热器平板式集热器真空管式集热器聚光器吸收器跟踪系统第四十页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳能集热器是否聚光非聚光集热器聚光集热器平板式集热器真空管式集热器聚光原理反射聚光折射聚光第四十一页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳能集热器是否聚光非聚光集热器聚光集热器平板式集热器真空管式集热器主要应用太阳灶高温太阳炉聚光型太阳能干燥器太阳能热发电系统第四十二页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳能热水器是太阳能热利用的主要产品之一。主要利用温室原理，将太阳能转变为热能，并向水传递热量，从而获得热水的一种装置。第四十三页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳能热水器集热器闷晒型热水器平板热水器真空管热水器第四十四页，共八十三页，编辑于2023年，星期三闷晒式热水器将集热器与储热水箱合为一体，机构简单、使用可靠、易于推广，但是保温性能差、热损失大。冬季室外温度低于零度时，要注意防冻问题。所使用的集热器有塑料袋式（质量轻、便于携带、价格低廉，但使用寿命短）、池式（结构简单、便于制造和安装，成本低廉，但在高纬度地区不能充分利用太阳能，玻璃内表面往往有水蒸气凝结，减低了玻璃的透光率，长期使用时池内水质难以保证）、筒式（比上两种效果好）等。第四十五页，共八十三页，编辑于2023年，星期三平板式热水器采用平板集热器，集热器和水箱结合紧密，上下循环管很短，不仅省材料而且又减少了管道的热损失。有利于提高热效率。第四十六页，共八十三页，编辑于2023年，星期三真空管太阳热水器关键部件真空管集热器。第四十七页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳能制冷太阳能制冷的效率比较低，难以与其他形式的制冷相比。因此，商业化利用仍有较大的差距。第四十八页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳能与建筑节能利用太阳能供电、供热、供冷、照明，建成太阳能综合利用建筑物，是国际太阳能学术界的热门研究课题，是太阳能利用一个新的发展方向。美国、德国、日本、意大利等国家已建成这种全部依靠太阳能的示范建筑物。第四十九页，共八十三页，编辑于2023年，星期三三个阶段第一阶段：被动式太阳房，完全通过建筑物结构、朝向、布置以及相关材料的应用进行集取、储存和分配太阳能的建筑。第二阶段：主动式太阳房，以太阳能集热器与风机、泵、散热器等组成的太阳能采暖系统或者与吸收式制冷机组成的太阳能空调及供热系统的建筑。第三阶段：加上太阳能电池应用，为建筑物提高采暖、空调、照明和用电，完全能满足这些要求的“零能房屋”。第五十页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳房是太阳能建筑的主要形式，基本上可以分为被动式太阳房、主动式太阳房和热泵式太阳房。被动式太阳房不需要专门的集热器、热交换器、水泵（或风机）等设备，只是依靠建筑方位的合理布置，通过窗、墙、屋顶等建筑物本身的构造和材料的热工性能，以自然交换的方式（辐射、对流、传导）使建筑物在冬季尽可能多的吸收和存储热量，以达到采暖的目的。第五十一页，共八十三页，编辑于2023年，星期三被动式太阳房直接受益式集热-蓄热墙体式综合（阳光间）式利用屋顶进行集热和储热自然循环（热虹吸）式最简单的一种太阳房形式，依靠建筑方位的合理布置，通过窗、墙、屋顶等建筑本身的构造和材料的热工性能，以自然交换的方式（辐射、对流、传导）使建筑物在冬季尽可能多的吸收和存储热量，减少室温下降的幅度第五十二页，共八十三页，编辑于2023年，星期三被动式太阳房直接受益式集热-蓄热墙体式综合（阳光间）式利用屋顶进行集热和储热自然循环（热虹吸）式最早的著名蓄热墙是法国的Trombe墙房间朝南的一侧墙体外涂选择性涂层，再外置玻璃，在房间南侧构成一个平板集热器的结构，以加热墙体与玻璃之间的空气，然后被加热的热空气通过通风口与室内换热。而在夜间，则通过热质墙体积蓄的热量加热房间。这种形式，是以牺牲房间的采光为代价的。第五十三页，共八十三页，编辑于2023年，星期三被动式太阳房直接受益式集热-蓄热墙体式综合（阳光间）式利用屋顶进行集热和储热自然循环（热虹吸）式在房间的南面附加一个温室，即可用于新建的太阳房，又可在改建的旧房上附加上去，实际上是前两种形式的综合。附加的温室可作为生活间，也可作为阳光走廊或者门斗。第五十四页，共八十三页，编辑于2023年，星期三被动式太阳房直接受益式集热-蓄热墙体式综合（阳光间）式利用屋顶进行集热和储热自然循环（热虹吸）式将屋顶做成一个浅池式集热器，利用屋顶进行集热储热，不受结构和方位的限制，屋顶作为室内的散热面，能使室温均匀，也不影响室内的采光和布置第五十五页，共八十三页，编辑于2023年，星期三被动式太阳房直接受益式集热-蓄热墙体式综合（阳光间）式利用屋顶进行集热和储热自然循环（热虹吸）式集热器、储热器和建筑物分开独立设置的。适用于建在山坡上的房屋。集热器低于房屋地面，储热器设在集热器上面，形成高度差，利用冷热流体的密度差形成对流循环。第五十六页，共八十三页，编辑于2023年，星期三主动式太阳房需要一些辅助设备：集热器、储热装置、辅助热源以及管道、阀门、风机、水泵、控制系统。集热器的热负荷要足够大，集热器的面积一般要占建筑采暖面积的10-30%。而且集热器要求结构简单、性能可靠、价格便宜。太阳集热器储热装置辅助热源室内第五十七页，共八十三页，编辑于2023年，星期三热泵式太阳房利用太阳能集热器接受来自太阳的辐射，作为热泵的低温热源（10-20℃），然后通过热泵将热量传递到30-50℃的采暖热媒中去。有直接式太阳能热泵和间接式太阳能热泵第五十八页，共八十三页，编辑于2023年，星期三三，太阳能的光电利用太阳能光伏电池发电太阳能的光电利用太阳能热动力发电太阳能热化学发电第五十九页，共八十三页，编辑于2023年，星期三光伏发电优点清洁安全广泛资源充足长寿命优点潜在的经济性第六十页，共八十三页，编辑于2023年，星期三

太阳电池1954年诞生于美国贝尔实验室，随后1958年被用作“先锋1号”人造卫星的电源上了天。这种电池一下子就使人造卫星的电源可安全工作达20年之久，从而彻底取代了只能连续工作几天的化学电池，为航天事业的发展提供了一种新的能源动力。

据统计，世界90％的人造卫星和宇宙飞船都采用太阳能电池供电。美国已于近年研究开发出性能优异的太阳能电池，其地面光电转换率为35.6％，在宇宙空间为30.8％。澳大利亚用激光技术制造的太阳能电池，在不聚焦时转换率达24.2％，而且成本较低，与柴油发电相近。太阳能电池3第六十一页，共八十三页，编辑于2023年，星期三

太阳电池是利用半导体内部的光电效应，当太阳光照射到一种称为“P—N结”的11半导体上时，波长极短的光很容易被半导体内部吸收，并去碰撞

硅原子中的“价电子”使“价电子”获得能量变成自由电子而逸出晶格，从而产生电子流动。

结构原理第六十二页，共八十三页，编辑于2023年，星期三PN结12一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的PN结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。第六十三页，共八十三页，编辑于2023年，星期三P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴。N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。第六十四页，共八十三页，编辑于2023年，星期三第六十五页，共八十三页，编辑于2023年，星期三优缺点缺点：太阳能电池的效率较低，成本较高优点可靠性好使用寿命长没有转动部件使用维护方便第六十六页，共八十三页，编辑于2023年，星期三特征（1）能源取之不尽:因为是利用太阳能发电，能源取之不尽，没有燃料费用；（2）能源洁净：不产生废气等有毒废弃物，无环境污染，也没有噪声；（3）可以直接利用再用电的地方发电：可以直接安装在需要用电的地方，如果在各家的屋顶上安装太阳能电池，就可以直接满足家庭用电需要。第六十七页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳能电池的种类种类材料硅太阳能电池4单晶单晶硅多晶多晶硅非晶非晶硅化合物半导体太阳能电池Ⅲ-Ⅴ族砷化镓系（GaAs)Ⅱ-Ⅵ族、其他铜铟硒系(CuInSe2)其他有机化合物聚乙炔(polyacctylcnc)第六十八页，共八十三页，编辑于2023年，星期三现在硅系太阳能电池在小面积上的转换效率，单晶硅已经达到23%，多晶硅达到18%，非晶硅达到13%。实用性太阳能电池的转换效率，单晶硅为12-14%，多晶硅为12-14%，非晶硅为6-9%。全世界太阳能电池的年产量，1995年约为7.96万kw,在10年中增加了2.5倍，同时成本也在降低。

第六十九页，共八十三页，编辑于2023年，星期三发电用太阳能电池的发展方向

要使发电用太阳能系统使用化，需要进一步降低系统成本，因此要在以下几个方面继续努力：（1）提高太阳能电池的性能、开发相关技术、开发低成本规模化生产技术；（2）创造出新的需求；（3）努力形成增大产量的正反馈机制，在技术开发和产品开发方面给予积极的支持。第七十页，共八十三页，编辑于2023年，星期三

随着需求的增加，现在的结晶硅太阳能电池的生产面临着原料不足的危机，需要尽快开发出低成本、适合大面积、大规模生产的薄膜太阳能电池生产技术。第七十一页，共八十三页，编辑于2023年，星期三太阳能电池非晶硅（α-硅）系CdTe系铜铟硒（CIS）系薄膜硅系派生出CIGS太阳能电池新型电池染料敏化太阳能电池第七十二页，共八十三页，编辑于2023年，星期三

CIGS太阳能电池

CIGS是Cu(In1-xGax)Se2的缩写，具有黄铜矿相结构，是CuInSe2和CuGaSe2的混晶半导体。该材料可以在玻璃基板上形成缺陷很少的、晶粒巨大的、高品质结晶，而这种粒径尺寸是一般的多晶薄膜根本无法达到的。第七十三页，共八十三页，编辑于2023年，星期三电池优点光电转化效率高成本低寿命长第七十四页，共八十三页，编辑于2023年，星期三CIS系薄膜的制备蒸发法硒化法溅射法喷涂法电镀法激光消融法热水解法卤素输运法第七十五页，共八十三页，编辑于2023年，星期三检验标准低成本大面积规模化高效率第七十六页，共八十三页，编辑于2023年，星期三染料敏化太阳能电池