新材料概论之新能源材料

关于新材料概论之新能源材料能源危机能源一直是关乎世界各国经济发展和民众生活的重要议题。化石能源在世界能源总体消费中占据主体地位。在世界范围内，能源主要是石油供应，当前，能源消费继续强劲，价格暴涨，然而供求严重失衡，影响和波及世界各地的经济发展，给世界经济发展带来极大风险的情况，使供需矛盾恶性循环。21世纪后的绝大部分时间里，能源供应趋紧。在这区间，尽管在世界范围内石油供需总体上保持平衡，供略大于求，但这一平衡十分脆弱。往往由于自然灾害、气候变化、局部战争、社会动乱、恐怖活动等原因。在某些国家和地区，某些季节或某一时间段、某些石油品种出现断档，致使某些国家和地区不时发生油荒、电荒等能源供应紧

张局面。总体看，能源生产能力增长缓慢，能源消费需求却快速上升。

第2页,共14页，2024年2月25日，星期天第3页,共14页，2024年2月25日，星期天什么是太阳能？太阳能(solarenergy)，是指太阳的热辐射能，主要表现就是常说的太阳光线。在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。自地球上生命诞生以来，就主要以太阳提供的热辐射能生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为制作食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，太阳能发电是一种新兴的可再生能源。第4页,共14页，2024年2月25日，星期天太阳能电池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

永久性清洁性灵活性第5页,共14页，2024年2月25日，星期天光生伏特效应第6页,共14页，2024年2月25日，星期天太阳能电池能量转换的基础是半导体PN结的光生伏特效应。当光照射到半导体光伏器件上时，能量大于硅禁带宽度的光子穿过减反射膜进入硅中，在N区、耗尽区和P区中激发出光生电子--空穴对。耗尽区：光生电子--空穴对在耗尽区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被送进N区，光生空穴则被推进P区。根据耗尽近似条件，耗尽区边界处的载流子浓度近似为0，即p=n=0。在N区中：光生电子--空穴对产生以后，光生空穴便向P-N结边界扩散，一旦到达P-N结边界，便立即受到内建电场作用，被电场力牵引作漂移运动，越过耗尽区进入P区，光生电子（多子）则被留在N区。在P区中：的光生电子（少子）同样的先因为扩散、后因为漂移而进入N区，光生空穴（多子）留在P区。如此便在P-N结两侧形成了正、负电荷的积累，使N区储存了过剩的电子，P区有过剩的空穴。从而形成与内建电场方向相反的光生电场。太阳能电池工作原理第7页,共14页，2024年2月25日，星期天第8页,共14页，2024年2月25日，星期天硅基太阳能电池

硅基薄膜太阳电池是对所有以硅为主要材料的薄膜类太阳电池的总称。材料结构上包括非晶硅、微晶硅，电池结构上包括非晶硅单结、非晶硅/非晶硅双结叠层、非晶硅/微晶硅双结叠层电池，也包括以硅为基础的各种合金材料和电池，例如非晶硅锗电池等。。特点：转换效率高工艺复杂成本高

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多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓III-V族化合物、砷化镓、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池等。多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜铟硒薄膜电池等。

硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。

砷化镓(GaAs)III-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。

铜铟硒薄膜电池(简称CIS)适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。特点：价格低廉性能良好工艺简单材料来源稀有发展受到限制化合物薄膜太阳能电池第10页,共14页，2024年2月25日，星期天纳米晶TiO2太阳能电池将色素附着在纳米粒子上，然后浸泡在一种电解液中，色素受到光的照射，生成自由电子和空穴，自由电子被TiO2吸收，从电极流出进入外电路，再经过用电器，流入电解液，最后回到色素中。特点：制造成本低材料廉价且环境友好效率低寿命低（仍处于实验研发阶段）染料敏化纳米晶太阳能电池第11页,共14页，2024年2月25日，星期天有机太阳能电池有机太阳能电池以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流。主要的光敏性质的有机材料均具有共轭结构并且有导电性特点：工艺简单成本低第12页,共14页，2024年2月25日，星期天发展前景已知太阳光照射到地球上的平均能量密度为1376W/平方米，假设能量转化率已达到为30%。城市每个三口之家每天的平均用电量为3kw·h，平均太阳光照时间4h，则只需不足2平方米太阳能电池板即可为之提供充足的电力。另一方面，家庭电路最大熔断电流一般在20A左右，最大瞬时功率4400W。达到此瞬时功率只需10平方米左右的太阳能电池板即可。工厂、学校的等大型耗电场所则依靠水利、风力发电、核能发电等途径获得电力。这种多层次的供电体系既可以保证社会正常运转，也充分利用了清洁能源。由上述计算我们也以大致看出，太阳能电池只能作为辅助能源，而不能作为主要能源使用。因为太阳能虽然总量很大，但受场地及成本等因素限制不可能达到很高的功率，难以满足高耗电场