新材料概論之新能源材料

關(guān)于新材料概論之新能源材料第一頁，共十四頁，2022年，8月28日能源危機能源一直是關(guān)乎世界各國經(jīng)濟發(fā)展和民眾生活的重要議題?；茉丛谑澜缒茉纯傮w消費中占據(jù)主體地位。在世界范圍內(nèi)，能源主要是石油供應(yīng)，當(dāng)前，能源消費繼續(xù)強勁，價格暴漲，然而供求嚴(yán)重失衡，影響和波及世界各地的經(jīng)濟發(fā)展，給世界經(jīng)濟發(fā)展帶來極大風(fēng)險的情況，使供需矛盾惡性循環(huán)。21世紀(jì)后的絕大部分時間里，能源供應(yīng)趨緊。在這區(qū)間，盡管在世界范圍內(nèi)石油供需總體上保持平衡，供略大于求，但這一平衡十分脆弱。往往由于自然災(zāi)害、氣候變化、局部戰(zhàn)爭、社會動亂、恐怖活動等原因。在某些國家和地區(qū)，某些季節(jié)或某一時間段、某些石油品種出現(xiàn)斷檔，致使某些國家和地區(qū)不時發(fā)生油荒、電荒等能源供應(yīng)緊

張局面。總體看，能源生產(chǎn)能力增長緩慢，能源消費需求卻快速上升。

第二頁，共十四頁，2022年，8月28日第三頁，共十四頁，2022年，8月28日什么是太陽能？太陽能(solarenergy)，是指太陽的熱輻射能，主要表現(xiàn)就是常說的太陽光線。在現(xiàn)代一般用作發(fā)電或者為熱水器提供能源。自地球上生命誕生以來，就主要以太陽提供的熱輻射能生存，而自古人類也懂得以陽光曬干物件，并作為制作食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。在化石燃料日趨減少的情況下，太陽能已成為人類使用能源的重要組成部分，并不斷得到發(fā)展。太陽能的利用有光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式，太陽能發(fā)電是一種新興的可再生能源。第四頁，共十四頁，2022年，8月28日太陽能電池通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置

永久性清潔性靈活性第五頁，共十四頁，2022年，8月28日光生伏特效應(yīng)第六頁，共十四頁，2022年，8月28日太陽能電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體光伏器件上時，能量大于硅禁帶寬度的光子穿過減反射膜進入硅中，在N區(qū)、耗盡區(qū)和P區(qū)中激發(fā)出光生電子--空穴對。耗盡區(qū)：光生電子--空穴對在耗盡區(qū)中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場分離，光生電子被送進N區(qū)，光生空穴則被推進P區(qū)。根據(jù)耗盡近似條件，耗盡區(qū)邊界處的載流子濃度近似為0，即p=n=0。在N區(qū)中：光生電子--空穴對產(chǎn)生以后，光生空穴便向P-N結(jié)邊界擴散，一旦到達P-N結(jié)邊界，便立即受到內(nèi)建電場作用，被電場力牽引作漂移運動，越過耗盡區(qū)進入P區(qū)，光生電子（多子）則被留在N區(qū)。在P區(qū)中：的光生電子（少子）同樣的先因為擴散、后因為漂移而進入N區(qū)，光生空穴（多子）留在P區(qū)。如此便在P-N結(jié)兩側(cè)形成了正、負(fù)電荷的積累，使N區(qū)儲存了過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴。從而形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電場。太陽能電池工作原理第七頁，共十四頁，2022年，8月28日第八頁，共十四頁，2022年，8月28日硅基太陽能電池

硅基薄膜太陽電池是對所有以硅為主要材料的薄膜類太陽電池的總稱。材料結(jié)構(gòu)上包括非晶硅、微晶硅，電池結(jié)構(gòu)上包括非晶硅單結(jié)、非晶硅/非晶硅雙結(jié)疊層、非晶硅/微晶硅雙結(jié)疊層電池，也包括以硅為基礎(chǔ)的各種合金材料和電池，例如非晶硅鍺電池等。。特點：轉(zhuǎn)換效率高工藝復(fù)雜成本高

第九頁，共十四頁，2022年，8月28日

多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、砷化鎵、硫化鎘、碲化鎘及銅銦硒薄膜電池等。多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅銦硒薄膜電池等。

硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代產(chǎn)品。

砷化鎵(GaAs)III-V化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率,抗輻照能力強,對熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是GaAs材料的價格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。

銅銦硒薄膜電池(簡稱CIS)適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。特點：價格低廉性能良好工藝簡單材料來源稀有發(fā)展受到限制化合物薄膜太陽能電池第十頁，共十四頁，2022年，8月28日納米晶TiO2太陽能電池將色素附著在納米粒子上，然后浸泡在一種電解液中，色素受到光的照射，生成自由電子和空穴，自由電子被TiO2吸收，從電極流出進入外電路，再經(jīng)過用電器，流入電解液，最后回到色素中。特點：制造成本低材料廉價且環(huán)境友好效率低壽命低（仍處于實驗研發(fā)階段）染料敏化納米晶太陽能電池第十一頁，共十四頁，2022年，8月28日有機太陽能電池有機太陽能電池以具有光敏性質(zhì)的有機物作為半導(dǎo)體的材料，以光伏效應(yīng)而產(chǎn)生電壓形成電流。主要的光敏性質(zhì)的有機材料均具有共軛結(jié)構(gòu)并且有導(dǎo)電性特點：工藝簡單成本低第十二頁，共十四頁，2022年，8月28日發(fā)展前景已知太陽光照射到地球上的平均能量密度為1376W/平方米，假設(shè)能量轉(zhuǎn)化率已達到為30%。城市每個三口之家每天的平均用電量為3kw·h，平均太陽光照時間4h，則只需不足2平方米太陽能電池板即可為之提供充足的電力。另一方面，家庭電路最大熔斷電流一般在20A左右，最大瞬時功率4400W。達到此瞬時功率只需10平方米左右的太陽能電池板即可。工廠、學(xué)校的等大型耗電場所則依靠水利、風(fēng)力發(fā)電、核能發(fā)電等途徑獲得電力。這種多層次的供電體系既可以保證社會正常運轉(zhuǎn)，也充分利用了清潔能源。由上述計算我們也以大致看出，太陽能電池只能作為輔助能源，而不能作為主要能源使用。因為太陽能雖然總量很大，但受場地及成本等因素