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1、主讲：郭泽宇材料科学与艺术设计学院,能源材料 Energy&Materials,主要内容,能源与能量新能源及其技术太阳能及其材料生物质及其材料风能及其原理氢能及其材料新型核能及技术新能源材料其他能源材料,总述,1.1 能源与能量,能量：物质做功的能力。能源：比较集中而又易转化的含能物质。,能量的单位：焦耳，千瓦小时（常用）能源的单位：与能量的单位相同，实际工作中还可能 用到煤当量和油当量,1.2 能源的分类,根据方式：三类来至地球以外的太阳能地球自身蕴藏的能量地球与其他天体引力相互作用形成的能量,能源总体简介,按相对比较方式分类,1.3 新能源技术的发展,太阳能光热转换：以太阳能集热器为代表
2、热水器光电转换：太阳能电池 所用典型材料：单晶硅，多晶 硅，非晶硅，硫化镉，砷化锌 主体：非晶硅薄膜 缺点转化效 率低，工艺不成熟。,光化转换：即光化学电池,气压差异 水平方向高压空气向低压地区流动 风 风能风电技术发展核心：风力发电机组世界风电机组的发展趋势：单机容量大型化大型风电机组研发和新型机组海上风电机组,1.3.2 风能,定义：任何由生物的生长和代谢所产生的物质(动物，植物，微生物及其排泄代谢物)中所蕴含的能量。发电方式有两种：生物质直接燃烧发电生物质气化发电,1.3.3 生物质能,定义：即离地球表面5000m深，15以上的岩石和液体的总含量。发电方面：国外：单机容量最高已达60MW
3、我国：单机容量最高为10MW，与国外有较大差 距。,1.3.4 地热能,定义：海洋能是指依附于海水作用和蕴藏 在海水中的能量。产生：太阳的辐射以及月球和太阳和引力，如海洋 温差能，潮汐能，波浪能，海洋能和盐度差 能等。海洋能发电技术：潮汐发电波浪发电潮流发电,1.3.5 海洋能,二.太阳能,2.1 太阳能的产生太阳的能量通过核聚变产生，有两个主要过程：碳-氮循环：产生一个离子（He氦核）放出正电子和射线。质子-质子循环,2.2 太阳的辐射与衰减,太阳的辐射强度随波长的变化而变化太阳电磁辐射经过地球大气层衰减，到达地球表面，这时的能量才是地球表面接收的太阳辐射。X射线（波长1nm）和从极端紫外线
4、（1200nm）到中紫外线(200315nm)的短波光受到超高层大气中的分子和臭氧的散射和吸收，太阳辐射到达地面的最短波长为300nm,按波长分布的太阳辐射（a）大气上界（AM0）；（b）AM1.5 太阳辐射,2.3 中国的太阳能资源,2.3 太阳能热利用,基本原理利用太阳能集热器将太阳光辐射转化成流体中的热能，并将加热流体输送出去利用。太阳能集热器的集热方式：非聚光性型：热吸收面积=光线照射面积聚光型：大面积辐射到小的吸收面积Q=Q+Q+QQa：被材料吸收：材料对辐射能的吸收率Q：被表面反射：反射率Q：透过材料：透过率黑体：=1；白体：=1；全透明体：=1,平行板集热器,主要由集热板，隔热板
5、，盖板和外壳组成。,集热板的作用：吸收阳光，并把它转换成热能通 过流管传递给集热介质。,热交换器的关键部位是平板吸热部件，要求对阳光的吸收率好，热辐射率低，结构设计合理，具有长期的耐候性和耐热特性，加工工艺简单，陈本低廉等。集热板吸热层一般采用：涂层材料,选择性吸收,非选择性吸收,要求高光谱吸收系数,低热辐射率,高热辐射率,为了提高效率，提高温度是一个途径，利用选择性吸收材料。对性能要求不高的集热器一般采用非选择性涂层，无光黑板漆涂层。,隔热层的作用：降低热损失，提高集热效率。对材料的要求：较好的绝热性能，较低的导热系数如：玻璃纤维，石棉，硬质泡沫塑料等,透明盖板的作用：和集热板之间形成一定高
6、度的空气夹层，减少对流保护集热板。外壳的作用：保护集热板和隔热层不受外界环境的影响，同时作为部件的骨架起到支撑作用。,太阳能热水器,聚光型集热器,基本原理：利用太阳对光线的反射将较大面积的太阳辐射聚集到较小面积的吸热层上，以提高对太阳能的吸收。,材料的选择主要有以下几点：反射面的反射率盖板材料的透过率吸热层的吸收率和反射率Example:Al的反射率=85%90%Ag的反射率=around 90%为什么一般选用铝做表面,聚光型集热器材料,1 较高的反射率,2 成本低廉,太阳光伏,太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并
7、网运行两种方式。独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区和人口分散地区，整个系统造价很高；在有公共电网的地区，光伏发电系统与电网连接并网运行，省去蓄电池，不仅可以大幅度降低造价，而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。,太阳光伏的基本原理能量转换的基础是由半导体材料组成的pn结的光伏特效应。当能量为h的光子照射到禁带宽度为Eg的半导体材料上时，产生电子-空穴对，并受由参杂的半导体材料组成的pn结电场的吸引，电子流入n区空穴流入p区，若将外电路短路，外电路中就有与入射光通量成正比的光电流通过。,2.4 太阳光伏,e,P区,N区,核心：P掺杂和N掺杂的半导体；P掺杂
8、作用：提供空穴；N掺杂作用：提供电子。减反层作用：,降低电池表面对太阳光的反射,提高对光的吸收。,要产生光生电流，要求半导体材料具有合适的禁带宽度。入射光子的能量 半导体的禁带宽是度时才能产生光电子，而h-Eg部分以热的形式损失。,主要半导体材料的禁带宽度Eg,大于,太阳光伏主要材料：硅,单晶硅和多晶硅太阳能电池用量最大。太阳电池的特征参数：,光谱效应(光谱灵敏度)：,开路电压：电阻为无穷大时测得的电池输出电压。短路电流：外电路负载为零时电池输出电流。两者随外电路负载的变化而变化。,电池的电流-电压特性为：,光电流/光子数,电池结构，材料性能，结深，表面光学特性，温度，电池厚度和辐射损伤。,影
9、响因素：,二极管电流,二极管电压,无光照下二极管的饱和电流,电子电荷,导带电子浓度,转换效率：,电池最大输出功率：Pmax=Imax Vmax太阳电池的光电转换效率为：=Pmax/Pin其中Pin为入射太阳光能量。,特指外电路中联接最佳负载电阻时，得到 的最大能量转换效率。,太阳能电池原理,太阳电池的制造,太阳电池的研究目标之一就是降低成本，所以采用薄膜电池是一个新的发展方向。晶体硅太阳电池的典型制造工艺：,浓酸处理，高纯去离子水清洗，用酸或碱腐蚀，最后清洗,控制气氛下高温扩散炉中,薄层铝及薄层银,金属掩膜制作栅线上电极,去杂质，防短路,制作减反膜SiO2/TiO2,太阳能电池的应用,太阳能电
10、池的应用,上世纪60年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。比如太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。在世纪之交前后期间，欧美等先进国家光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势。,阳光计划,近年来，太阳能光伏发电领域不断涌现出新技术。但过高的电价仍是困
11、扰产业发展的问题。目前太阳能电池上网电价约是火力发电的10倍。有专家指出，随着环保成本的增加，火力发电的电价变换将呈上升曲线，而薄膜太阳能电池上网电价将随着大规模量产和转换效率的提高逐渐下降，两条曲线预计将在2012-2015年之间相交。另外，市场前景也是不容忽视的问题。而克服这些困难必须依靠企业和政府的协同努力。从长期来看，积极拓展产业链上游业务是中国光伏发电企业面临的挑战，而中国光伏发电企业的责任是加快研发进度、加快技术创新，通过提高技术水平不断降低光伏发电的成本。,单晶硅太阳能电池板,多晶硅太阳能电池板,知识点巩固,单晶硅、多晶硅和非晶硅：当熔融的单质硅凝固时,硅原子以金刚石晶格排列成许
12、多晶核，1.如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅。2.如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅。3.熔融硅在过冷条件下凝固时，硅原子以无规网络形态排列成许多晶核，这些晶粒结合起来，就结晶成非晶硅。,单晶硅,多晶硅,多晶硅与单晶硅的差异,主要表现在物理性质方面。例如在力学性质、电学性质等方面，多晶硅均不如单晶硅。例如，在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。在化学活性方面，两者的差异极小。多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别，但真正的鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻
13、率等。,多晶硅可作为拉制单晶硅的原料。单晶硅可算得上是世界上最纯净的物质了，一般的半导体器件要求硅的纯度六个9以上。大规模集成电路的要求更高，硅的纯度必须达到九个9。目前，人们已经能制造出纯度为十二个9 的单晶硅。单晶硅是电子计算机、自动控制系统等现代科学技术中不可缺少的基本材料。,多晶硅太阳能电池板,太阳能电池的批量化生产,多晶硅太阳能电池板,多晶硅太阳能电池板,用于航天领域的多晶硅太阳能电池板,知识点补充（直拉法制备硅单晶）,熔融硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格的形态排列成许多晶核。晶体和坩埚作彼此相互反向运动，导致熔体中心区与外围区发生相对运动。这有利于在固液界面下方形成一个相对
14、稳定的区域，有利于晶体稳定生长。,单晶的形成,把原料放入石英坩埚中，在单晶炉中加热熔化，再将一根直径只有10-20mm的棒状晶种（称籽晶）浸入熔液中。在合适的温度下，熔液中的硅原子会顺着籽晶的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。把籽晶微微的旋转向上提升，融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体即硅单晶棒。,晶种：在结晶法中,通过加入不溶的添加物即晶种,形成晶核,加快或促进与之晶型或立体构型相同的对映异构体结晶的生长。,光圈的产生和利用,硅单晶的生长速度
15、,薄膜太阳电池,不同材料制造工艺也不同，但是都采用了薄膜制备技术，包括物理气相沉积，如蒸发，化学气相沉积，射频磁控溅射，CVD。,用于航天飞船以及卫星的太阳能电池,太阳能电池研究的前沿,太阳能电池材料实际应用,太阳能电池板：光伏建筑一体化材料中国馆采取了利用68米平台和60米观景平台铺设单晶太阳能组件的方案，总装机容量达302千瓦。中国馆的60米观景平台四周采用特制的透光型“双玻组件”太阳能电池板，用这种“双玻组件”建成的玻璃幕墙，既具有传统幕墙的功能，又能够将阳光转换成清洁电力，一举两得。,日 本 馆,“发电膜”：全球首次应用 作为世界上首次采用“发电膜”技术的场馆，日本馆外墙使用的太阳能电
16、池能自主产生能源。日本馆的弧形穹顶上有三个呼吸孔、三座排热塔以及透明夹层皮肤。日本馆选择了透光、轻质高强、可回收利用的夹层薄膜乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）作为建筑表皮系统，夹层中埋设有曲面太阳能电池为建筑提供绿色辅助能源。这张高透光性发电膜通过吸收太阳光后自主发电，正常可提供整个日本馆供电系统1/4的电力。透光发电膜还会随着日光及夜晚的演出情况变换各种“表情”。,据悉，日本馆在建造过程中通过使用“发电膜”和“循环呼吸柱”，实现了将钢筋的使用量削减至普通建筑物的60%。同时，设在建筑表皮上的喷雾系统可降温而不湿衣。呼吸孔与排热塔用于室内外空气的交换，强化冷暖空气流通，同时具有采光、收集雨水、
17、散水降温的“呼吸”功能，可减少空调能耗和照明用电。,瑞 士 馆,光伏技术与LED：打造互动型智能帷幕 瑞士国家馆17米高的半透明帷幕上缀着1万个红色的“小太阳”，不时发出闪闪烁烁的光亮。这“小太阳”是智能帷幕的一个个单元，是一个圆盘大小的红色光敏器件，利用了最先进的太阳能发电技术，将吸收的太阳辐射转化为动力和能源。旨在用一种生动有趣的方式告诉观众：我们周围还有许多能源未被利用。每个“小太阳”包含块印制电路板，该电路板由太阳能电池、微处理器、3个双层电容器（高能率存储装置）、个快速开关的LED和光感器组成，这些电子元件密封在一个红色透明的聚碳酸酯容器里，通过它们可与展馆帷幕进行互动。,帷幕上的每
18、个“小太阳”，通过太阳能电池、光感器、LED等的相互配合工作，根据入射光的角度和强度，将光能吸收储存并转化为电能，可以独立发光。这些电池的设计模仿生物细胞，具有自成一体、自我维持的特性，仿佛每个个体都有自己的生命。“太阳能光伏技术本身并不算新奇，但它绿色、安全、环保，而我们用了一种聪明有创意的方式将它组合并展现了出来！,薄 膜 的 制 备,溅射镀膜,磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar 和新的电子；新电子飞向基片，Ar 在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄
19、膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E（电场）B（磁场）所指的方向漂移，简称EB漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar 来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。,工作原理,工作原理,磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原
20、子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。,磁控溅射,硅薄膜溅射,敏化TiO2纳米晶太阳能电池,构成：,透明导电基片,导电玻璃,纳米多孔TiO2敏化剂,多孔纳米晶TiO2薄膜,电解质溶液,透明对电极构成,敏化TiO2纳米晶太阳能电池结构,敏化TiO2纳米晶太阳能电池原理,敏化剂吸收太阳能跃迁到激发态，由于激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2导带，敏化剂中失去的电子很快从电解质中得到补偿，完成一个循环：I-2e 2I+被TiO2导带通过透明电极进入外电路，最终到达阴极的电子还原，I-+2e 3I-,在外回路上形成光电流
21、。,太阳能电池片制造过程,太阳能电池的检测,检测参数：,电池的输出电流-电压特性曲线以及光谱响应。,检测目标：,获得电池的短路电流、开路电压、最大输出功率以及串联电阻等。,检测所需条件：,需要太阳光源或者模拟太阳光源以便得到标准的太阳光谱，即总太阳辐射(直射和散射),AM1.5,在与地面成37度的倾斜面上辐照度为1000W/m2 地面的反射率为0.2。,气相条件:大气中水含量:1.42cm,臭氧含量0.34cm,浑浊度:0.27（=0.5m）,太阳电池发电系统,太阳电池发电系统,太阳电池发电系统,用于太阳电池对蓄电池的充放电控制，防止过充以及过放；防止反冲二极管，起到太阳电池-蓄电池单项导通作用。,储存电能并向负载供电。,把直流电转变为交流电。,发电。,海水淡化,要求了解,The End of Second Chapter,
