第五章 太阳能化学

第五章太阳能化学5.1太阳能简介5.2太阳能的光热利用

5.3太阳能的光电作用5.4太阳能的制氢5.5太阳能空间发电

本章主要内容5.1太阳能简介表面温度：5762K中心温度：几万K能量来源：氢核聚变H占75%每秒钟太阳有400万吨质量损失，即使这样，太阳的寿命仍然可以延续600亿年，用之不竭。太阳光进入大气层后被大气层反射、吸收，地面反射等，最终真正被地球表面吸收的太阳辐射仅为其总辐射量的22亿分之一，但已经高达173×1015W，相当于燃烧500万吨煤。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。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能源的重要组成部分。利用方式：光热转换、光电转换和光合作用。除核能、地热能和潮汐能外，地球上的其它能源都来自太阳能。太阳能（SolarEnergy）太阳能利用的优缺点优点

储量的无限性，取之不尽、用之不竭存在的普遍性，就地取用利用的清洁性，无污染利用的经济性，成本低

太阳能资源分析是太阳能利用是否可行的基础。从能源利用角度看，太阳能的主要缺点：①能流密度低；②其强度受各种因素影响（地形、季节、气候）太阳能利用的主要方式◆光热转换◆光电转换◆光化学作用—生物质能◆光解制氢5.2光热利用定义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。内容太阳能热水器太阳能热发电太阳能制冷与空调太阳能干燥太阳能采暖（太阳房）太阳能热水器它是将太阳光能转化为热能，使水从低温度加热到高温，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平板式太阳能热水器分类真空管式太阳能热水器储水箱集热管支架工作原理集热管利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。太阳光高效保温水箱真空集热管自然循环式热水系统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。外管内管真空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、电化学处理均匀涂在内管外表面。内外管底部有吸气剂强制循环式热水器平板式太阳能热水器铝合金外框专用钢化玻璃导热介质出口酚醛泡沫保温层集热板镀锌钢板优点1）特别适合与建筑一体化要求2）具有较高的热效率3）具有良好的承压性能集热器的吸热板由金属材料制成，集热器与贮水箱的连接也采用金属零件，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。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高6%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，易于实现与建筑构件的结合。而且其集热板为金属材质，可采用丝结、焊接等连接方式，安装、维护和使用非常方便。4）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、牢固。而真空管集热器之间只能通过橡胶管连接。缺点1）集热器热损失偏高2）不利于防冻5）结构简单、便于规模化生产、安装成本低、使用寿命长红泥塑料袋式太阳能热水器

成本低，重量轻，便于运输携带，安装简单

没有保温，水热的快，凉的也快简易、方便，适合夏季使用圆桶式太阳能热水有单圆筒、双圆筒、三圆筒、多圆筒多种规格加工工艺简单，成本低，适合工厂化生产保温较好，热效率较高，水质清洁适合春夏秋三季使用

方箱式太阳能热水器储水箱为方箱或梯形有效吸热面积大，热效率高承压能力差，不便于工厂化生产

其它形式光热利用太阳能热发电太阳能热发电，也叫聚焦型太阳能热发电，通过大量反射镜以聚焦的方式将太阳直射光聚集起来，加热工质，产生高温高压的蒸汽，进而驱动汽轮机发电。定义分类太阳能槽式发电太阳能塔式发电太阳能碟式发电太阳能槽式发电

利用大面积的槽式抛物面反射镜将太阳光聚焦到管状的接收器上，并将管内的传热工质加热成高压蒸汽，进而推动汽轮机发电。太阳能塔式发电

塔式太阳能热发电是采用大量的定向反射镜(定日镜)将太阳光聚集到一个装在塔顶的中央热交换器上，进而产生1100oC的高温。八达岭塔式太阳能发电太阳能碟式发电

碟式（又称盘式）太阳能热发电系统是世界上最早出现的太阳能动力系统，是目前太阳能发电效率最高的太阳能发电系统，最高可达到29.4%。碟式系统的主要特征是采用碟（盘）状抛物面镜聚光集热器，该集热器是一种点聚焦集热器，可使传热工质加热到750℃左右，驱动发动机进行发电。

5.3太阳能的光电作用光生电途径：太阳辐射能

热能

电能光

电光生电光生伏达电池光化学电池太阳能电池太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池是目前研究的主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池仍处于萌芽阶段。

说明自身并不提供能量，它只是一种能量转化装置。其原理是通过半导体内载流子的运动产生电能。光生伏特效应是太阳电池能量转换的基础。是指半导体在太阳光照射下由于内部电子-空穴对（载流子）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。光生伏特效应半导体物理基础知识孤立原子：能级E246....2N原子数目导带禁带价带成键轨道反键轨道r0r

∞大量原子组成的固体：能带满带空带价带：所有价电子所处的能带导带：自由运动电子所具有的能带Eg：能带间隙半导体Ec导带Ev价带Ec导带Ev价带EgEc导带Ev价带Eg0.5<Eg<~3.0eV绝缘体金属导体Eg>4eVEg=0禁带半导体的光激发半导体吸光产生光生电子-空穴对；只有能量大于Eg的光子被吸收；光生电压与禁带能量Eg呈线性关系太阳能的光谱特征0.41-2.5μm0.5<Eg<~3.0eVp-n结与光伏电池p型(多空穴)n型(多电子)Bp-n结的形成光伏效应（PhotovoltaicEffect）光激发：电子-空穴对（e–，h+）内部电场：电荷分离；电荷积累:光生电压光电转换：光能转化为电能。

硅电池技术非常成熟：s-Si(24.7%),p-Si(19.8%),a-Si(13%)

大规模应用受到高纯材料的成本限制。

p-n结太阳电池的基本原理太阳电池作为光电转换器件必须具备的条件：1.入射光子能够被吸收产生电子-空穴对2.电子-空穴对在复合前被分离3.分开的电子与空穴能够传输到负载（电路）光伏电池材料的性质(要求)

合适的禁带宽度Eg。Eg对电池转换效率的影响是双向的：Eg值增大，光生电压增大，光生电流减小。计算表明，Eg~1.5eV(0.8)的材料比较合适。

光电转换效率较高。转换效率与Eg值、少数载流子寿命有关Ø

便于工业化应用，包括资源、成本、环境等方面的因素。太阳能电池结构高透光性粘接、密封绝缘、防水支撑太阳能电池分类Ø

晶体硅太阳能电池Ø

CdTe薄膜太阳能电池Ø

CIGS(铜铟镓硒)太阳能电池Ø

有机材料太阳能电池Ø

染料敏化太阳能电池单晶、多晶、非晶非硅太阳能电池单晶硅电池：采用扩散法在p型硅片上沉积一层薄的n型层。表面处理使整个表面织构化以减少光反射损失，并覆盖一层减反射膜。光能转换效率为24.7%。材料成本高。晶体硅太阳能电池

CVD0.3mm成型/抛磨/清洗/刻蚀SiO2SiHCl3Si表面绒化多晶硅材料：以熔融的硅铸造固化制成，工艺简单，成本较单晶硅低。工业上光电转换效率达到15%。容易大尺寸制造，在未来将替代单晶硅。非晶硅：新型的硅半导体材料，可在廉价的玻璃、塑料膜等衬底上直接对SiH4高频辉光放电沉积，可见光波长的吸收系数比晶体硅大近一个数量级，效率达到13％。具有大幅度降低成本的潜力，连续化大规模CVD生产技术。无序的原子排列导致p-n结处缺陷多，需引入过渡层太阳能红绿灯2008年北京奥运会是一场绿色奥运，奥运村及相关场馆90％的洗浴用热水依靠太阳能，体育场馆周围的路灯及其80％-90％的能源由太阳能系统提供。

太阳神号无人飞机：最著名的太阳能飞机时速：33m/s，重量：90kg太阳能轮船太阳能游艇铜铟镓硒薄膜太阳能电池是20世纪80年代后期开发出来的新型太阳能电池，典型的多层膜结构如下：金属栅、减反射膜、窗口层、过渡层、光吸收层、背电极和基板。CIGS太阳能电池

通过调节Ga/In比例使薄膜禁带宽度在1.04-1.7范围内变化CdTe是公认的高效廉价的薄膜电池材料。CdTe是IIB-VIA化合物，带隙结合能为1.45eV。光谱响应与太阳光谱十分吻合，光吸收系数极大（1μm厚薄膜可以吸收>99％的禁带辐射能量），因而降低了对材料扩散长度的要求。常温下CdTe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类型有很大影响。CdTe太阳能电池

第一代：基于硅晶体的光伏电池◆技术成熟◆

典型光电转换效率：10-15%◆

寿命>20yrsachieved◆

电池价格的40%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三代：非硅系第四代：基于生物衍生材料。太阳能光伏电池的发展趋势195019601970198019902000510152025Efficiency(%)YearcrystallineSiamorphousSinanoTiO2CIS/CIGSCdTe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。2005-2012年全球太阳能电池产能预测太阳能在地表平均强度：0.2KW/m2

2000全球一次能源消耗：12.8TW

需用地：12.8TW/（0.1*0.2KW/m2

）=64×1010m2

＝64万平方公里

≈

6.6%中国地理面积以300μm厚的硅片计算，铺满64万公里约需4.57亿吨太阳电池级高纯硅（目前全球产量～2万吨）。光伏电池的局限性寻找更经济、高效的光-电转换方式是太阳能利用的主要研究方向。染料敏化太阳能电池利用染料的光敏性，提高TiO2的光吸收能力；利用电极/溶液界面实现电荷分离，使电子－空穴的复合受到限制；廉价的材料和制造成本为大规模应用提供可能。光电效率～11％，预期超过20%；（Dye-SensitizedSolarCells,DSSC）氧化态(I3-)扩散到对电极，被还原再生：光照下染料分子（S）被激发：TiO2/S+h

TiO2/S*激发态的电子快速注入到TiO2导带中，染料分子变成氧化态：TiO2/S*

TiO2/S+TiO2/S++3/2I-

TiO2/S+1/2I3-1/2I3-+e-(pt)

3/2I-氧化态S+中的电子供体I-，自身被还原到基态,使得染料分子再生：DSSC

的工作原理典型的DSSC体系所有材料均已商品化！N3dyePtCITO替代材料：塑料透光导电极(PET);固态电解质；碳催化阴极ITO透光导电玻璃;纳米TiO2(～20nm)薄膜(10μm)；光敏剂:单层联吡啶钌配合物膜；KI+I2＋乙晴电解质溶液；镀铂-ITO对电极DSSC基本反应Ⅰ.染料/TiO2

纳晶界面；Ⅱ.染料/电解质界面；Ⅲ.电解质/对电极界面。三个主要界面:DSSC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?如何提高正向反应，抑制反向反应？八个主要反应:1，2，3，5，8

为正向反应，对光电流有贡献；4，6，7

为负反应，降低光电效率。1234687Es*s0/s+I3-/I-TiO2S.E5ElectrolyteDyeⅠⅡⅢDSSC

电极材料纳米化－～20nm：粒径太大,吸附染料分子少,不利于光电转换；粒径太小,晶界势垒太高，阻碍载流子传输；多孔化：提高反应表面积；薄膜化－10μm：太薄对太阳光能吸收不充分,太厚则深层染料敏化剂利用不上；

掺杂或表面修饰：改变TiO2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。

综合比较，TiO2还是最佳选择。改进方法如下：DSSC的染料性质

在TiO2表面有强吸附性，快速吸附平衡；与太阳光谱相匹配的强吸收带；染料的氧化态和激发态的稳定性较高,且具有尽可能高的可逆转换能力,即具有长期稳定的工作寿命；激发态寿命足够长,足够的电子－空穴分离时间，保证较高的电荷传输效率；电化学能量匹配。染料的功能设计显色中心修饰LOMO-HUMO位置表面吸附成键基团憎水、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态寿命，然后光谱实验和电池应用性能表征。DSSC制备和组装1.调胶2.涂膜3.烘烤4.染色5.