新材料概論之新能源材料

新能源材料

——太陽(yáng)能電池

組員：能源危機(jī)能源一直是關(guān)乎世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和民眾生活的重要議題?；茉丛谑澜缒茉纯傮w消費(fèi)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(fèi)繼續(xù)強(qiáng)勁，價(jià)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(jì)發(fā)展，給世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)極大風(fēng)險(xiǎn)的情況，使供需矛盾惡性循環(huán)。21世紀(jì)后的絕大部分時(shí)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(zhēng)、社會(huì)動(dòng)亂、恐怖活動(dòng)等原因。在某些國(guó)家和地區(qū)，某些季節(jié)或某一時(shí)間段、某些石油品種出現(xiàn)斷檔，致使某些國(guó)家和地區(qū)不時(shí)發(fā)生油荒、電荒等能源供應(yīng)緊

張局面?？傮w看，能源生產(chǎn)能力增長(zhǎng)緩慢，能源消費(fèi)需求卻快速上升。

什么是太陽(yáng)能？太陽(yáng)能(solarenergy)，是指太陽(yáng)的熱輻射能，主要表現(xiàn)就是常說(shuō)的太陽(yáng)光線(xiàn)。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(lái)，就主要以太陽(yáng)提供的熱輻射能生存，而自古人類(lèi)也懂得以陽(yáng)光曬干物件，并作為制作食物的方法，如制鹽和曬咸魚(yú)等。在化石燃料日趨減少的情況下，太陽(yáng)能已成為人類(lèi)使用能源的重要組成部分，并不斷得到發(fā)展。太陽(yáng)能的利用有光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式，太陽(yáng)能發(fā)電是一種新興的可再生能源。太陽(yáng)能電池通過(guò)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光生伏特效應(yīng)太陽(yáng)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(shí)，能量大于硅禁帶寬度的光子穿過(guò)減反射膜進(jìn)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(duì)。耗盡區(qū)：光生電子--空穴對(duì)在耗盡區(qū)中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場(chǎng)分離，光生電子被送進(jìn)N區(qū)，光生空穴則被推進(jìn)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(duì)產(chǎn)生以后，光生空穴便向P-N結(jié)邊界擴(kuò)散，一旦到達(dá)P-N結(jié)邊界，便立即受到內(nèi)建電場(chǎng)作用，被電場(chǎng)力牽引作漂移運(yùn)動(dòng)，越過(guò)耗盡區(qū)進(jìn)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?yàn)閿U(kuò)散、后因?yàn)槠贫M(jìn)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(chǔ)存了過(guò)剩的電子，P區(qū)有過(guò)剩的空穴。從而形成與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。太陽(yáng)能電池工作原理硅基太陽(yáng)能電池

硅基薄膜太陽(yáng)電池是對(duì)所有以硅為主要材料的薄膜類(lèi)太陽(yáng)電池的總稱(chēng)。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(diǎn)：轉(zhuǎn)換效率高工藝復(fù)雜成本高

多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池材料為無(wú)機(jī)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(yáng)能電池材料為無(wú)機(jī)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(yáng)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(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，并不是晶體硅太陽(yáng)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(dá)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(qiáng),對(duì)熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是GaAs材料的價(jià)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(jiǎn)稱(chēng)CIS)適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問(wèn)題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要方向。唯一的問(wèn)題是材料的來(lái)源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類(lèi)電池的發(fā)展又必然受到限制。特點(diǎn)：價(jià)格低廉性能良好工藝簡(jiǎn)單材料來(lái)源稀有發(fā)展受到限制化合物薄膜太陽(yáng)能電池納米晶TiO2太陽(yáng)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(jìn)入外電路，再經(jīng)過(guò)用電器，流入電解液，最后回到色素中。特點(diǎn)：制造成本低材料廉價(jià)且環(huán)境友好效率低壽命低（仍處于實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段）染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池有機(jī)太陽(yáng)能電池有機(jī)太陽(yáng)能電池以具有光敏性質(zhì)的有機(jī)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(jī)材料均具有共軛結(jié)構(gòu)并且有導(dǎo)電性特點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單成本低發(fā)展前景已知太陽(yáng)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(dá)到為30%。城市每個(gè)三口之家每天的平均用電量為3kw·h，平均太陽(yáng)光照時(shí)間4h，則只需不足2平方米太陽(yáng)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(shí)功率4400W。達(dá)到此瞬時(shí)功率只需10平方米左右的太陽(yáng)能電池板即可。工廠(chǎng)、學(xué)校的等大型耗電場(chǎng)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(huì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也充分利用了清潔能源。由上述計(jì)算我們也以大致看出，太陽(yáng)能電池只能作為輔助能源，而