新能源材料的主要進(jìn)展

1、新能源材料的主要進(jìn)展在科學(xué)發(fā)展觀的指引下，我國(guó)電化學(xué)與新能源領(lǐng)域的專(zhuān) 家們正致力于研究該領(lǐng)域內(nèi)的若于新問(wèn)題，開(kāi)發(fā)新技術(shù)，提 供新產(chǎn)品，積極為經(jīng)濟(jì)繁榮與社會(huì)進(jìn)步服務(wù)。參照國(guó)內(nèi)國(guó)際 的發(fā)展，結(jié)合我們的研究工作，本文對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的一些重要 前沿作一簡(jiǎn)單介紹金屬氫化物鎳電池材料，鋰離子二次電池 材料，燃料電池材料，太陽(yáng)能電池材料等:金屬氫化物鎳電池材料鐐氫電池是我國(guó)具有較強(qiáng)資源優(yōu)勢(shì)的高科技產(chǎn)品，在國(guó) 際市場(chǎng)具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。2005年，我國(guó)出口鐐氫電池9 108只，超過(guò)日本成為鐐氫電池的第一生產(chǎn)大國(guó)，確立了我 國(guó)作為世界鐐氫電池生產(chǎn)基地的戰(zhàn)52第78期 蔣利軍 等：新能源材料的研究進(jìn)展略地位。鐐氫動(dòng)力

2、電池已進(jìn)入成 熟期，在商業(yè)化、規(guī)模化應(yīng)用的混合動(dòng)力汽車(chē)中得到了實(shí)際 驗(yàn)證，全球已經(jīng)批量生產(chǎn)的混合動(dòng)力汽車(chē)大多采用鐐氫動(dòng)力 電池。目前技術(shù)較為領(lǐng)先的是日本Pa nason icEV Energy公司, 其開(kāi)發(fā)的電池品種主要為615 Ah電池，形狀有圓柱型和方 型兩種形式，電池比能量為45 Wh /kg ,比功率達(dá)到1 300W /kg。采用鐐氫動(dòng)力電池的Pr i us混合動(dòng)力轎車(chē)在全 球銷(xiāo)售約120萬(wàn)輛，并已經(jīng)受了 11年左右商業(yè)運(yùn)行考核。 隨著Pr i us混合動(dòng)力轎車(chē)需求增大，原有的鐐氫動(dòng)力電池的 產(chǎn)量已不能滿足市場(chǎng)需求,Panaso2n icEV Energy公司正在福 島縣新建一條可滿足

3、106臺(tái)/ a電動(dòng)汽車(chē)用鐐氫動(dòng)力電 池的生產(chǎn)線，計(jì)劃3年后達(dá)產(chǎn)。近年來(lái)，在國(guó)家863電動(dòng)汽車(chē)專(zhuān)項(xiàng)的支持下，鎳氫動(dòng)力 電池取得了較大發(fā)展，長(zhǎng)春一汽、東風(fēng)電動(dòng)車(chē)輛股份有限公 司和長(zhǎng)安汽車(chē)等單位在其開(kāi)發(fā)的混合動(dòng)力轎車(chē)、混合動(dòng)力客 車(chē)中，大多使用了鎳氫動(dòng)力電池，清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的燃料電池 混合動(dòng)力客車(chē)也使用了鎳氫動(dòng)力電池作為輔助動(dòng)力。開(kāi)發(fā)的鎳氫動(dòng)力電池的主要品種有80 Ah， 40 Ah，28 Ah，8 Ah，615 Ah， 其中80 Ah電池的比功率達(dá) 到550W /kg，8 Ah電池的比功率達(dá)到1 000W / kg。采用 40Ah /288V鎳氫電池為輔助動(dòng)力的油-電混合動(dòng)力客車(chē)已 完成105km實(shí)

4、際路況的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。近年來(lái)針對(duì)負(fù)極儲(chǔ)氫合 金的研發(fā)主要集中于以下幾個(gè)方面：通過(guò)多元合金化調(diào)節(jié)材 料熱力學(xué)特性，改善材料的電催化活性，以改善材料在寬溫 度范圍內(nèi)的綜合電化學(xué)性能；通過(guò)快速冷卻等工藝實(shí)現(xiàn)合金 成分結(jié)構(gòu)的均勻化，細(xì)化品粒，以抑制材料粉化，降低腐蝕 速率，改善材料的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性；通過(guò)采用廉價(jià)金屬替 代鉆以降低材料成本等。在新材料的開(kāi)發(fā)方面AB315合 金 取得了較大進(jìn)展，該合金容量可達(dá)430mAh /g , -40 e下容量達(dá)到常溫容量的70%左右，在寬溫度范圍內(nèi)的 電極反應(yīng)電荷轉(zhuǎn)移阻抗和傳質(zhì)擴(kuò)散阻抗等特性均小于AB5 型合金，但其循環(huán)穩(wěn)定性仍有待提高。日本已將此類(lèi)材料用 于超高容量

5、、低自放電和低溫型鎳氫電池上，于2005年底 推出了系列超高容量、低自放電的小型鎳氫電池，如容量為 2 700 mAh的 AA型和1 000mAh的 AAA型電池，電池儲(chǔ) 存1年后容量仍可保持85%。2007年我國(guó)稀土系A(chǔ)B5型 儲(chǔ)氫合金的年生產(chǎn)能力為20 500 t,實(shí)際產(chǎn)量13 000 t ,目前主要生產(chǎn)廠家有18家，分布于福建、北京、內(nèi)蒙古、 遼寧、廣東和甘肅等地。日前鎳氫電池所采用的正極材料均為B球型N i(OH) 2,鎳氫動(dòng)力電池正極材料的研發(fā)重點(diǎn)是改善高溫條件 下高倍率充放電效率及其可靠性，主要方法為調(diào)整材料組分, 摻雜稀土氧化物及其進(jìn)行顆粒表面修飾等。此外，還開(kāi)展了 材料的低維化

6、研究以提高材料的震實(shí)密度及質(zhì)子的擴(kuò)散速 率，通過(guò)金屬置換、嵌入式雙氫氧化物和C /Ni(OH ) 2復(fù)合 正極材料的研究以增加電極反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移數(shù)，提高材料比容 量等。二：鋰離子二次電池材料鋰離子電池是1991年由日本SONY公司開(kāi)發(fā)完成的鋰 離子電池系統(tǒng)(LiCoO2 / C)后進(jìn)入量產(chǎn)階段的。這種新型 蓄電池具有高的工作電壓(平均工作電壓為3.63.7V)和高 的比能量，優(yōu)于常用的鐐鎘電池和鐐氫電池，還具有長(zhǎng)循環(huán) 壽命、無(wú)記憶效應(yīng)(如果電池的電量沒(méi)有被完全放盡就充電 導(dǎo)致的電池容量降低的現(xiàn)象)和污染少(鋰離于電池的金屬 含量最低)等優(yōu)點(diǎn)，因此成為目前商業(yè)開(kāi)發(fā)二次電池的主流。高能電池的開(kāi)發(fā)首先

7、從尋找高比能量的電極材料開(kāi)始。 在所有金屬元素中，鋰的相對(duì)原子質(zhì)量最小(6.941)、密度最 小(0.534X103Kgm-3)、電化當(dāng)量最小(0.259gAh-1)、電極電 位最負(fù)(-3.045V vs. NHE),因此，以金屬鋰為負(fù)極的電池具 有最高的工作電壓、最大的比能量。再加上鋰高分子電池的發(fā)明，使用高分子電解質(zhì)不但沒(méi) 有漏液的問(wèn)題，而且由于鋰離于電池具有優(yōu)異的電性能及安 全、無(wú)公害，形狀有高度的可塑性等特點(diǎn)，符合電子產(chǎn)品輕、薄、短、小的要求，所以備受各國(guó)科學(xué)家及電池業(yè)的重視， 發(fā)展極快。鋰離子電池被人們稱(chēng)為“綠色環(huán)保能源”和“跨世 紀(jì)的能源革命”。然而，鋰離子電池目前還處于初級(jí)研究階

8、段，無(wú)論在正 極材料、負(fù)極材料還是電解質(zhì)材料的研制方面都還不成熟。 根據(jù)已有的研究成果。鋰離于電池因其科技含量高、用途廣 的許多優(yōu)點(diǎn)，必然會(huì)占有較大的市場(chǎng)份額，發(fā)展前景十分看 好，是手機(jī)、照相機(jī)、電子手表、計(jì)算器、各種具有儲(chǔ)存功能的電子器件或裝置的理想電源。正極材料:鋰離子電池正極材料不僅作為 電極材料參與電化學(xué)反 應(yīng)，而且是電池的鋰離子源?，F(xiàn)在已經(jīng)用于鋰離子電池生產(chǎn) 的正極材料為L(zhǎng)iCoO2。比較廉價(jià)的電極材料為L(zhǎng)iNiO2和LiMn2O4，它們正在被廣泛研究并已經(jīng)在電池中試用。負(fù)極材料：在二次鋰離子電池的發(fā)展中，其負(fù)極材料經(jīng)歷了由金屬鋰到鋰合金、碳材料、氧化物、納米合金的演變過(guò)程：負(fù)極材料

9、金屬鋰鋰合金（如 LiAl）碳材料（石墨）氧化物（如細(xì)。）納米合金（如納米硅）容量/（mA，h/g）3 400%790372 ,7002 000年代19651971198019951998在20世紀(jì)60年代，負(fù)極材料主要是金屬鋰，它是比容 量最高的負(fù)極材料。由于金屬鋰異?；顫姡阅芘c很多無(wú) 機(jī)物和有機(jī)物反應(yīng)。在鋰電池中，鋰電極與非水有機(jī)電解質(zhì) 反應(yīng)，在表面生成一層鈍化膜，使金屬鋰在電解質(zhì)中穩(wěn)定存 在，這是鋰電池得以商品化的基礎(chǔ)。I對(duì)于二次鋰電池，在充電過(guò)程中，鋰將重新回到負(fù)極， 新沉積的鋰表面沒(méi)有鈍化膜保護(hù)，非?；顫姡糠咒噷⑴c電 解質(zhì)反應(yīng)并被反應(yīng)產(chǎn)物包裹，與負(fù)極失去電接觸，形成彌散 態(tài)的鋰

10、。與此同時(shí)，充電時(shí)在負(fù)極表面會(huì)形成樹(shù)枝狀晶，造 成電池短路，使電池局部溫度升高，融化隔膜，軟短路變成 硬短路，電池被毀，甚至爆炸起火。為了解決這一問(wèn)題，現(xiàn)在主要在三個(gè)方面展開(kāi)研究：尋找替代金屬鋰的負(fù)極材料；采用聚合物電解質(zhì)來(lái)避免金屬鋰與有機(jī)溶劑反應(yīng)；改進(jìn)有機(jī)電解液的配方，使金屬鋰在充放電循環(huán)中保 持光滑均一的表面。前兩個(gè)方面的研究已取得重大進(jìn)展，但直接使用金屬鋰 做負(fù)極仍處于研究狀態(tài)。隨著SONY公司用碳作為負(fù)極材料的鋰離于電池的商 業(yè)化，對(duì)碳負(fù)極材料的研究正蓬勃開(kāi)展。用碳取代金屬鋰作 負(fù)極，電池的安全性大大提高；同時(shí)，在充放電的過(guò)程中不 會(huì)形成枝晶，避免了電池內(nèi)部短路，大大延長(zhǎng)了電池的壽命。

11、在眾多的碳材料中，以石油焦為負(fù)極的C/Li電池具有 良好的可逆性的庫(kù)侖容量，所以，以往研究大都集中在石油 焦和石油焦纖維上。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)，有機(jī)物裂解碳具有較好的 可逆性和容量，它給尋找鋰離子電池用碳材料開(kāi)辟了新的研 究方向。三：燃料電池材料燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電 能的化學(xué)裝置，又稱(chēng)電化學(xué)發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能 發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。燃料電池不受卡 諾循環(huán)效應(yīng)的限制，效率高；燃料電池用燃料和氧氣作為原 料，排放出的有害氣體SOx、NOx極少；同時(shí)沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng) 部件，故沒(méi)有噪聲污染。由此可見(jiàn)，從節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài) 環(huán)境的角度來(lái)看，燃料電池是最有發(fā)展前途的

12、發(fā)電技術(shù)。1839年Grove利用氫、氧反應(yīng)生成水，同時(shí)有電流產(chǎn)生 的原理發(fā)明了氫-氧燃料電池，但由于原材料等原因，研究進(jìn) 展十分緩慢。直到二十世紀(jì)六十年代，美國(guó)阿波羅宇宙飛船為實(shí)現(xiàn)登 月計(jì)劃需要一種不產(chǎn)生廢料的大功率、高能量密度的電源， 才使堿性燃料電池(AFC)在航空航天領(lǐng)域進(jìn)入實(shí)用化階段， 但其昂貴的成本限制了其商業(yè)化的可能性。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，美國(guó)、日本等國(guó)投入了大量人力、財(cái)力 進(jìn)行燃料電池的研究，相繼開(kāi)發(fā)了磷酸型燃料電池（PAFC）、 熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池 （SOFC）。其中，磷酸型燃料電池被稱(chēng)為第一代燃料電池，它采用H3PO4液體作為電解質(zhì)，用由催化劑（

13、Pt或其合金）和載體（碳黑）組成的多孔材料作電極。其裝機(jī)容量可超過(guò)萬(wàn)千 瓦級(jí)規(guī)模，電流密度已到200mA/cm2以上，是目前開(kāi)發(fā)研 究水平較高、商業(yè)化進(jìn)程最快、最實(shí)用化的燃料電池。熔融碳酸鹽型燃料電池是第二代燃料電池，所用的電解 質(zhì)主要為熔融的堿金屬碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物，陽(yáng)極 是以鎳為主的多孔材料，陰極為多孔摻鋰氧化物，運(yùn)行溫度 較高，故不需要貴金屬作催化劑；發(fā)電效率高，有希望發(fā)展 成大規(guī)模發(fā)電技術(shù)。固體氧化物燃料電池（SOFC）作為第三代燃料電池， 以固態(tài)氧化物作為電解質(zhì)，陽(yáng)極材料常用的是Ni/YSZ（Y2O3 穩(wěn)定ZrO2）金屬陶瓷，陰極材料為鈣鈦礦型復(fù)合氧化物。SOFC被認(rèn)為是最有

14、效率的和萬(wàn)能的發(fā)電系統(tǒng)，特別是 作為分散的電站，可用于發(fā)電、熱電聯(lián)供、交通、空間宇航 和其他許多領(lǐng)域，被稱(chēng)為21世紀(jì)的綠色能源。自20世紀(jì)80 年代以來(lái)，對(duì)SOFC的研究開(kāi)發(fā)速度加快，但真正達(dá)到商業(yè) 化應(yīng)用預(yù)計(jì)還需要相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。四：太陽(yáng)能電池材料太陽(yáng)能電池的原理及發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行詳細(xì)闡述，并對(duì)太陽(yáng)能電池及其關(guān)鍵材料的市場(chǎng)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞太陽(yáng)能電池，轉(zhuǎn)換效率，品體硅，薄膜1太陽(yáng)能電池的發(fā)展概況自1954年在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制出來(lái)第1塊單品 硅太陽(yáng)能電池以來(lái)，開(kāi)啟了人類(lèi)對(duì)太陽(yáng)能在發(fā)電方面使用的 一扇大門(mén)。1 958年太陽(yáng)電池首先在航天器上得到應(yīng)用。20 世紀(jì)70年代初，硅太陽(yáng)電池開(kāi)

15、始在地面應(yīng)用。從80年代起， 太陽(yáng)能電池效率大幅度提高，生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低。從1990 年到2000年，光伏組件的銷(xiāo)售每年平均以20%的速率增長(zhǎng)， 特別是從1997年以來(lái)，年增長(zhǎng)速度上升到30%。近5年期 間，世界光伏市場(chǎng)以平均每年4%的幅度增加，到2010年傘 球市場(chǎng)容量將增加到400億歐元。到2050年，可再生能源 占總一次能源的54%，其中太陽(yáng)能的比例約為13%15%； 到2100年，可再生能源將占86%，太陽(yáng)能占67%，據(jù)美國(guó) 華盛頓World watch研究院于2007年5月下旬的評(píng)估：多品 硅太陽(yáng)能工業(yè)的成本將快速下降，這將使其成為今后幾年內(nèi) 的主流發(fā)電方，至2010年，成本將下降

16、40%以上，多晶硅 太陽(yáng)能行業(yè)極有可能在20082009年重新進(jìn)入黃金發(fā)展期 L “。日本從1991年開(kāi)始到2001年在建筑屋頂安裝光伏系 統(tǒng)累計(jì)333MW，平均每年增長(zhǎng)20MW。美國(guó)L8j 1980年正 式將光伏發(fā)電列入公共電力規(guī)劃，累計(jì)投資達(dá)8億多美元， 1997年宣布“百萬(wàn)屋頂光伏計(jì)劃”，到2010年將安裝1000 3000MW太陽(yáng)電池。德國(guó)從1999年啟動(dòng)“屋頂光伏”計(jì)劃， 當(dāng)年安裝 7MW, 2000 年 39MW, 2001 年 77MW，到 2003 年達(dá)到405Mw。2002年，我國(guó)國(guó)家計(jì)委啟動(dòng)了 “西部省區(qū) 無(wú)電鄉(xiāng)通電計(jì)劃”，光伏用量達(dá)到16. 5MW。2006年我國(guó)產(chǎn) 量達(dá)

17、到460MW，比2005年增加280%，可再生能源發(fā)展空 間巨大?；痦?xiàng)目：國(guó)家863項(xiàng)目 (2007AA032226)；國(guó)家重點(diǎn)973計(jì)劃(2002CB211800)作者簡(jiǎn)介：李麗(1977)，女， 博士，副教授.碩士生導(dǎo)師，從事綠色二次電池及相關(guān)材料 研究。張貴友(1983)，男，碩士研究生，從事太陽(yáng)能電池及 相關(guān)材料制備研究。聯(lián)系人：吳鋒(1951).男，教授，博 士生導(dǎo)師。2品體硅太陽(yáng)能電池2. 1單品硅太陽(yáng)能電池單晶硅太陽(yáng)能電池是當(dāng)前開(kāi)發(fā)得最快的一種太陽(yáng)能電 池，以高純的單品硅棒為原料，純度要求99. 999%，其結(jié) 構(gòu)和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。德國(guó)費(fèi) 萊堡太陽(yáng)能研

18、究所制得的電池轉(zhuǎn)化效率超過(guò)23%。BP Solar 公司采用UNSW開(kāi)發(fā)的激光刻槽埋柵技術(shù)生產(chǎn)出的電池平 均效率達(dá)到17%。印度物理研究所提出一種內(nèi)部光陷作用的 高效硅太陽(yáng)電池模型可將轉(zhuǎn)換效率提高到28. 6%。北京太 陽(yáng)能研究所研制的刻槽埋柵電極2crux2em品體硅電池的轉(zhuǎn) 換效率達(dá)到19. 79%|。單品硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高但對(duì) 硅的純度要求高，且復(fù)雜工藝和材料價(jià)格等肉素致使成本較 高。2. 2多品硅太陽(yáng)能電池多晶硅太陽(yáng)能電池材料多半是含有大量單品顆粒的集 合體，或用廢次單品硅料和冶金級(jí)硅材料熔化澆鑄而成，在 結(jié)品的質(zhì)量及純度等方面較低，所以效率也較低。目前大規(guī) 模工業(yè)化生產(chǎn)的多晶硅

19、太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到了 12%14%的水平，實(shí)驗(yàn)竄最高轉(zhuǎn)換效率為18%。到2010 年，多品硅產(chǎn)最將增加l倍，預(yù)計(jì)多品硅太陽(yáng)能電池在未來(lái)仍然會(huì)很快的發(fā)展。3薄膜太陽(yáng)能電池3. 1非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池20世紀(jì)70年代Carlson等就已開(kāi)始對(duì)非晶硅電池的研 制，相對(duì)于單晶硅太陽(yáng)能電池，材料消耗少、電耗低、成本 低。非晶硅的光學(xué)帶隙為1. 7eV,對(duì)太陽(yáng)輻射的長(zhǎng)波區(qū)域不 敏感，還存在光致衰退Sw效應(yīng)，可通過(guò)制備疊層太陽(yáng)能電 池緩解這些問(wèn)題。目前單結(jié)非晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率已經(jīng) 超過(guò)12. 5。Sanyo公司利用非晶硅沉積在絨面單品硅片的 兩面上，制備出100mmX 100mm的電池效率可達(dá)2

20、1%, 800mmX1200mm的電池效率可達(dá)18. 4%。日本鐘淵化學(xué)工 業(yè)公司開(kāi)發(fā)薄膜多晶硅與薄膜非晶硅疊合的混合型薄膜硅 太陽(yáng)能電池，穩(wěn)定效率為11. 5%L2。國(guó)內(nèi)耿新華等采用工 業(yè)材料，制備出面積為20cmX 20cm的a-Si / a-Si疊層太陽(yáng) 能電池，轉(zhuǎn)換效率為8. 28%。如能解決其穩(wěn)定性等問(wèn)題， 則將在光伏產(chǎn)業(yè)中占有越來(lái)越黿要的地位。3. 2多品硅薄膜太陽(yáng)能電池多晶硅薄膜在長(zhǎng)波段具有高光敏性，能有效吸收可見(jiàn) 光且光照穩(wěn)定性強(qiáng)，是目前公認(rèn)的高效率、低能耗的理想材 料。馴。目前，商品多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率約為 12%14%,產(chǎn)量占硅太陽(yáng)能電池的50%左右。德國(guó)費(fèi)萊堡

21、太陽(yáng)能研究所采用區(qū)域再結(jié)品技術(shù)在Si襯底上制得的電池 轉(zhuǎn)換效率為19%L2弓|。日本京工陶瓷公司研制的15cruX 15cm的電池轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了 17%。澳大利亞新南威爾士 大學(xué)，采用熱交換法生長(zhǎng)的多晶硅制備的電池，轉(zhuǎn)換效率達(dá) 到18. 2%?？梢钥闯?，多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展很快將來(lái)可望使得光伏發(fā)電的成本能夠與常規(guī)能源相競(jìng)爭(zhēng)L3。3化合物薄膜太陽(yáng)能電池3. 3. 1碲化鎘太陽(yáng)能電池碲化鎘（CdTe料成本低、效率高，且光譜響應(yīng)與太陽(yáng) 光譜十分吻合。薄膜的生長(zhǎng)工藝主要有：絲網(wǎng)印刷燒結(jié)法、 近空間升華法、真空蒸發(fā)法等。碲化鎘半導(dǎo)體光伏材料理論 轉(zhuǎn)換效率為30%。CdTe電池實(shí)驗(yàn)室效率16. 4

22、%,大規(guī)模 生產(chǎn)的商業(yè)化電池平均效率8%10%。71。四川大學(xué)制備 出的電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)11. 6%30 。以CdTe吸收層，CdS 作窗口層的結(jié)構(gòu)為：減反射膜/玻璃/ S如：F / CdS / P-CdTe/背電極，這種電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)16%L3弓|。開(kāi)發(fā)新能源是降低碳排放、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)人類(lèi)社 會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。在新能源的發(fā)展過(guò)程中，新能源 材料起到了不可替代的重要作用，引導(dǎo)和支撐了新能源的發(fā) 展。核能材料是發(fā)展核能的重要基礎(chǔ)。儲(chǔ)能材料是發(fā)展節(jié)能 的清潔交通和新型儲(chǔ)能器54第7- 8期 蔣利軍等：新能源 材料的研究進(jìn)展件的重要支撐。新能源材料是推動(dòng)氫能燃料 電池快速發(fā)的重要保障。提高

23、能效，降低成本，節(jié)約資源，環(huán) 境友好，將成為新能源發(fā)展的永恒主題，新能源材料將在其 中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。如何針對(duì)新能源發(fā)展的重大需求, 解決相關(guān)新能源材料的材料科學(xué)基礎(chǔ)研究和重要工程技術(shù) 問(wèn)題，將成為材料工作者的重要研究課題。作業(yè)太陽(yáng)電池的工作原理；答：太陽(yáng)電池一將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件種類(lèi)硅太陽(yáng)電池1）Si太陽(yáng)電池1）單晶硅片2）GaAs太陽(yáng)電池2）多品硅片3）染料敏化電池3）非晶硅薄膜4）Cu2S電池4）多品硅薄膜大氣質(zhì)量一太陽(yáng)光線通過(guò)大氣層的路程對(duì)到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射的影響AM0地球大氣層外的太陽(yáng)輻射AM1穿過(guò)1個(gè)大氣層的太陽(yáng)輻射（太陽(yáng)入射角為0）AM1.5太陽(yáng)入射角為

24、45的太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層的情況太陽(yáng)電池的工作過(guò)程光生伏特效應(yīng)吸收光子，產(chǎn)生電子空穴對(duì)。電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離，在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電勢(shì)。將PN結(jié)用導(dǎo)線連接，形成電流。在太陽(yáng)電池兩端連接負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了將光能向電能的轉(zhuǎn) 換。對(duì)理想的P-N結(jié)電池最小飽和電流密度與禁帶寬度的關(guān)系對(duì)于硅，禁帶寬度約為l.lev,所得到最大Voc約為700mV, 相應(yīng)的最高FF為0.84。禁帶寬度約為1.41.6ev，轉(zhuǎn)化率會(huì)出現(xiàn)個(gè)峰值，砷化鎵具 有接近最佳值的禁帶寬度。Voc的損失主要在于體內(nèi)復(fù)合表面的減反射程度，通過(guò)制絨 和鍍減反射膜使反射率在10%以下。正面電極的印刷遮掉10%左右的入射光。電池片比較薄，部分光

25、線會(huì)直接穿透電池片。不過(guò)現(xiàn)采用 全背而印刷鋁漿對(duì)這損失有很大削弱。半導(dǎo)體體內(nèi)和表面的復(fù)合是正面電極金屬柵線電阻，rcl、 rc2分別是正面、背而金屬半導(dǎo)體接觸電阻，rt是正面擴(kuò) 散層的電阻，rb是基區(qū)體電阻，rmb是背面電極金屬層的 電阻。金屬體電阻：其中rsq為厚膜金屬導(dǎo)體層的方塊電阻，厚膜印刷銀電 極通常為0.003Q /0.005Q /； l為柵線長(zhǎng)度；w為柵線 寬度。對(duì)于鋁背場(chǎng)形式的背面電極，rsq通常為0.0100.020 Q /。es是硅的介電常數(shù)，ND是摻雜濃度。大致上ND N 1019/cm3時(shí)，RC將主要表現(xiàn)為隧道效應(yīng)，并隨著ND的增 加迅速地下降。對(duì)于勢(shì)壘高度在0.6V左右

26、的金屬材料，當(dāng) 硅的摻雜濃度在1020/cm3附近時(shí)，RC的數(shù)值大約為10-3 10-4Q cm2。為擴(kuò)散層方塊電阻；乙為電池主焊接電極方向尺寸；W為 電池細(xì)柵線方向尺寸；m為細(xì)柵線條數(shù)。太陽(yáng)電池種類(lèi)硅（硅）silicon目前太陽(yáng)光電系 統(tǒng)中應(yīng)用最為廣 泛多化合物Compound應(yīng)用于太空及聚 光型太陽(yáng)光電系 統(tǒng)晶硅Crystalline非晶硅Amorphous單品SingleCrystallin多品PolyCrystallind為基區(qū)厚度，約等于硅基片厚度；地而用太陽(yáng)電池基片材料電阻率通常使用范圍為0.53 Q.cm邊緣漏電（刻蝕未完全、印刷漏漿）體內(nèi)雜質(zhì)和微觀缺陷PN結(jié)局部短路（擴(kuò)散結(jié)過(guò)淺

27、、制絨角錐體顆粒過(guò)大）太陽(yáng)電池材料的分類(lèi)及其發(fā)展概況。答：市場(chǎng)模塊半導(dǎo)體材料發(fā)電轉(zhuǎn)換效率單晶硅Single1220%Crystallin多晶硅Poly1018%CrystallinSi、 SiC、 SiGe、 6 9%SiH、 SiOGaAs、 InP 1830%CdS 、 CdTe 、10 12%CuInse奈米及有機(jī)Nano & Organic應(yīng)用于有機(jī)太陽(yáng)TiO21%以下電池，屬研發(fā)階段單晶硅又稱(chēng)為單結(jié)晶、晶圓型。制程貴，發(fā)電量佳， 礙于 晶圓型式，多半截圓型或圓弧造型，鋪設(shè)時(shí)面積上無(wú)法達(dá)到 最大利用及吸收。多晶硅又稱(chēng)為多結(jié)品。制程上較便宜，發(fā)電量略遜單晶硅，可截為 正方形，鋪設(shè)時(shí)可達(dá)到

28、最大面積利用及吸收。其品狀分布， 具有藝術(shù)效果，可為建筑物外觀加分。另外，雖其結(jié)理易造 成碎裂，但品體可再利用做為項(xiàng)鏈等裝飾品。非晶硅（可撓式）成本便宜，發(fā)電率較差，且容易造成裂質(zhì)化。但由于可直接 鍍?cè)诓ＡЪ八芰仙厦?，與建筑物可做最佳結(jié)合。除可做太陽(yáng) 光電系統(tǒng)發(fā)電用，室內(nèi)型民生消費(fèi)品也常見(jiàn)其應(yīng)用，如：電 子計(jì)算器、搖頭娃娃、玩具等。核能用材料及其發(fā)展概況。答：核能發(fā)電的能量來(lái)自核反應(yīng)堆中可裂變材料 （核 燃料）進(jìn)行裂變反應(yīng)所釋放的裂變能。裂變反應(yīng)指鈾-235、 钚-239、鈾-233等重元素在中子作用下分裂為兩個(gè)碎片，同時(shí)放出中子和大量能量的過(guò)程。反應(yīng)中，可裂變物的原 子核吸收一個(gè)中子后發(fā)生裂

29、變并放出兩三個(gè)中子。 若這些 中子除去消耗，至少有一個(gè)中子能引起另一個(gè)原子核裂 變，使裂變自持地進(jìn)行，則這種反應(yīng)稱(chēng)為鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。 實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是核能發(fā)電的前提。優(yōu)點(diǎn)核能發(fā)電不像化石燃料發(fā)電那樣排放巨量的污染 物質(zhì)到大氣中，因此核能發(fā)電不會(huì)造成空氣污染。核能發(fā)電不會(huì)產(chǎn)生加重地球溫室效應(yīng)的二氧化碳核能發(fā)電所使用的鈾燃料，除了發(fā)電外，沒(méi)有其他 的用途。核燃料能量密度比起化石燃料高上幾百萬(wàn)倍，故核 能電廠所使用的燃料體積小，運(yùn)輸與儲(chǔ)存都很方便，一座 1000百萬(wàn)瓦的核能電廠一年只需30公噸的鈾燃料，一航 次的飛機(jī)就可以完成運(yùn)送。核能發(fā)電的成本中，燃料費(fèi)用所占的比例較低，核 能發(fā)電的成本較不易受到國(guó)際經(jīng)濟(jì)情勢(shì)影響，故發(fā)電成本 較其他發(fā)電方法為穩(wěn)定。缺點(diǎn)核能電廠會(huì)產(chǎn)生高低階放射性廢料，或者是使用過(guò) 之核燃料，雖然所占體積不大，但因具有放射線，故必須 慎重處理，且需面對(duì)相當(dāng)大的政治困擾。核能發(fā)電廠熱效率較低，因而比一般化石燃料電廠排放更多廢熱到環(huán)境裹，故核能電廠的熱污染較嚴(yán)重