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新能源材料與器件

緒論-能量概述第1章-能量物理化學(xué)第2章-太陽能電池材料與器件第3章-氫能材料與器件第4章-電化學(xué)能源材料與器件第5章-其他新能源技術(shù)第6章-能源經(jīng)濟緒論

課程內(nèi)容課程背景新能源概述3.1能源3.2能源發(fā)展史3.3常規(guī)能源3.4新能源3.5新能源材料與器件的發(fā)展二課程背景Background3新能源技術(shù)是21實際世界經(jīng)濟發(fā)展中最具決定性影響的五個技術(shù)領(lǐng)域之一（信息、生物、新材料、新能源、空間技術(shù)），而新能源材料與器件是發(fā)展新能源技術(shù)和實現(xiàn)新能源利用的關(guān)鍵。近年來國際能源發(fā)生了重大調(diào)整，全球治理體系深刻變革，我國在“十三五”規(guī)劃的主要目標中明確指出：“生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體改善，生產(chǎn)方式和生活方式綠色，低碳水平提高?！睂崿F(xiàn)這一目標就是要走綠色發(fā)展道路，發(fā)展新能源被提到了前所未有的國家戰(zhàn)略高度。課程背景Background4戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)：新能源、新材料、新能源汽車新能源材料能源危機材料發(fā)展環(huán)境污染資源短缺二Background5新能源技術(shù)促進可持續(xù)發(fā)展推動低碳經(jīng)濟英國政府發(fā)表的《能源白皮書》中，首次提出了“低碳經(jīng)濟的概念”，低碳經(jīng)濟概念的提出，引起國際社會的關(guān)注，并且逐步形成共識。所謂低碳經(jīng)濟，就是以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的經(jīng)濟模式，或者是含碳燃料所排放的二氧化碳顯著降低的經(jīng)濟。低碳經(jīng)濟能夠同時實現(xiàn)三個目標。一是解決能源安全問題；二十解決氣候變化和環(huán)境污染問題；三十提高國家經(jīng)濟競爭力和增加就業(yè)崗位問題。低碳經(jīng)濟包含：低碳生產(chǎn)、低碳流通、低碳消費三個方面。課程背景二Background6材料和能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的最重要物質(zhì)基礎(chǔ)隨著人類發(fā)展和社會工業(yè)化進程的推進，與人類休戚相關(guān)的室友、天然氣和煤等傳統(tǒng)能源日益減少，隨之而來的環(huán)境污染日益嚴重，威脅著人類的可持續(xù)發(fā)展，人類社會要實驗可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，保護自然環(huán)境與資源，必須發(fā)展新材料和新能源技術(shù)。能源的轉(zhuǎn)化和儲存在充分利用地球資源，實驗人類可持續(xù)發(fā)展、推動低碳經(jīng)濟方面起著重要的作用。課程背景二Background72017年，中國成為世界最大的原油進口國2018年，中國石油對外依存度升至70%課程背景二Background82018年，中國成為世界最大的天然氣進口國。對外依存度持續(xù)擴大課程背景二Background9汽車尾氣污染引發(fā)了嚴重的社會問題汽車是污染物總量的主要貢獻者，據(jù)環(huán)境保護部報告顯示，2017年，全國機動車排放污染物4359.7萬噸。對北京、上海PM2.5的來源分析，機動車造成污染都占據(jù)20%以上。課程背景二Background10傳統(tǒng)能源的使用成為環(huán)境污染的罪魁禍首課程背景二世界十大嚴重污染城市中國占：個7Background11溫室效應(yīng)——溫室氣體含量與來源課程背景二由于人類大量使用化石燃料，其排放出的CO2等溫室氣體對輻射的選擇性和吸收特性是使地球變暖的主要原因。12課程背景面臨任務(wù)研發(fā)環(huán)境友好、清潔高效的洗呢能源材料與器件成為洗呢能源領(lǐng)域的主旋律低碳生活發(fā)展清潔可再生能源實現(xiàn)清潔能源的高效利用鋰動力電池組超級電容器風(fēng)能太陽能二13三能源概述3.1能源1.基本概念能：物質(zhì)運動轉(zhuǎn)化的量度，也稱為“能量”。從物理學(xué)的觀點看，能量可以簡單地定義為物理系統(tǒng)做功的能力。廣而言之，任何物體都可以轉(zhuǎn)化為能量，但是轉(zhuǎn)化的數(shù)量、轉(zhuǎn)化的難易程度是不同的。能源：可以直接或經(jīng)轉(zhuǎn)換提供人類所需的光、熱、動力等任何形式能量的載能體資源。關(guān)于能源的定義：《科學(xué)技術(shù)百科全書》：“能源是可從其獲得熱、光和動力之類能量的資源”；《大英百科全書》：“能源是一個包括著所有燃料、流水、陽光和風(fēng)的術(shù)語，人類用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換手段便可讓它為自己提供所需的能量”；《日本大百科全書》：“在各種生產(chǎn)活動中，我們利用熱能、機械能、光能、電能等來作功，可利用來作為這些能量源泉的自然界中的各種載體，稱為能源”能量形式：機械能（風(fēng)能、水能等）、電磁能、熱能、化學(xué)能、原子能、光能。3.1能源14三能源概述2.能源種類：3.1能源按形成方式一次能源，即可供直接利用的能源煤、石油、天然氣、風(fēng)能、太陽能二次能源，即由一次能源直接或間接轉(zhuǎn)換而來的能源電、蒸汽、煤氣、氫按循環(huán)方式可再生能源，即不會隨它本身的轉(zhuǎn)化或人類的利用而越來越少風(fēng)能、生物質(zhì)能、太陽能、氫能非再生能源，它隨人類的利用而越來越少石油、煤、天然氣、核燃料按環(huán)境保護的要求清潔能源綠色能源，如太陽能、氫能、風(fēng)能、化學(xué)能源非清潔能源化石燃料按對被利用的程度常規(guī)能源煤、石油、水力、電能新能源太陽能、氫能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能、核能15三能源概述能源利用和開發(fā)太陽能化石能源風(fēng)能水能核能地?zé)崮芑瘜W(xué)能源3.1能源16三能源概述人類社會的發(fā)展離不開優(yōu)質(zhì)能源的出現(xiàn)和先進能源技術(shù)的使用。在當(dāng)今世界，能源的發(fā)展，能源和環(huán)境，是全世界、全人類共同關(guān)心的問題，也是我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重要問題。非再生能源:石油、天然氣、煤炭和裂變核燃料約占能源總消費量的85%左右（全世界為90%）再生能源:水力、太陽能、風(fēng)能等只占15%左右。2050年爭取達到50%。各種能源的消費比例圖:左圖為我國能源結(jié)構(gòu)；右圖為世界能源分布圖3.能源現(xiàn)狀與問題：3.1能源17三能源概述再生能源分布:太陽能占99%以上,風(fēng)能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能等不到1%人類使用的能源歸根到底要依靠太陽能，太陽能是人類永恒發(fā)展的能源保證。非水可再生能源（風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮?、潮汐能、波浪能、以及生物能）的發(fā)電量會從2007年的2.5%增長至2030年的8.6%。3.1能源18三能源概述能源問題—礦物能源面臨枯竭

能源危機與能源安全是當(dāng)前世界各國面臨的嚴峻挑戰(zhàn)改善能源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)能源多元化是國家發(fā)展的必然選擇!3.1能源19三能源概述能源問題—環(huán)境污染利用能源的過程直接污染地球環(huán)境。主要來源：1)煤、石油等燃料的燃燒:我國的煤炭、石油等能源消耗居世界第一；2)汽車排放的廢氣；3)工業(yè)生產(chǎn)(化工廠、煉焦廠等)過程中產(chǎn)生的廢氣，我國單位GDP能耗是發(fā)達國家的8-10倍，每年新增碳排放量為世界第一大氣污染：1)酸雨問題；2)溫室效應(yīng)；3)臭氧層破壞。3.1能源20三能源概述3.2能源發(fā)展史火的發(fā)現(xiàn)和利用；畜力、風(fēng)力、水力等自然動力的利用；21三能源概述3.2能源發(fā)展史化石燃料的開發(fā)和熱的利用；電的發(fā)現(xiàn)及開發(fā)利用；核能等新能源的發(fā)現(xiàn)及開發(fā)利用22三能源概述3.2能源發(fā)展史柴草時期18世紀初葉，即資本主義發(fā)展的初期以前為柴草時期。這時人類是以樹葉、雜草等當(dāng)燃料，用于熟食和取暖，而生產(chǎn)活動主要靠人力、畜力以及一些簡單的水力和風(fēng)力機械作動力。這段漫長的時期，人類社會的生產(chǎn)和生活處于很低的水平。能源簡史根據(jù)各個歷史階段所使用的主要能源，可以分為柴草時期、煤炭時期、石油時期和新能源時期23三能源概述3.2能源發(fā)展史煤炭時期從18世紀下初葉產(chǎn)業(yè)革命導(dǎo)致了工業(yè)大發(fā)展，逐步擴大的煤炭利用促進了煤炭工業(yè)的發(fā)展，使煤炭代替了柴薪成為生產(chǎn)生活的主要燃料；燃煤蒸汽機成為生產(chǎn)的主要動力；煤炭轉(zhuǎn)換成電力進入社會各個領(lǐng)域成為生產(chǎn)和生活的重要能源之一，電力的應(yīng)用從根本上改變了人類社會的面貌。24三能源概述3.2能源發(fā)展史石油時期19世紀中葉，石油資源的發(fā)現(xiàn)，開拓了能源利用的新時代。石油和天然氣以熱值高、運輸方便、清潔和廉價等優(yōu)點，逐步在工業(yè)發(fā)達國家中代替了煤炭。隨后，世界石油和天然氣的消費量超過了煤炭成為世界能源供應(yīng)的主力。1973年出現(xiàn)的石油危機，促使人類對能源的開發(fā)利用開始向比較豐富的核能以及太陽能和其他可再生能源改變，以更好地解決人類下一世紀的能源需求。4.新能源時期進入21世紀，人類開始了對綠色、環(huán)保、高效和穩(wěn)定的新能源的探索。25三能源概述3.3常規(guī)能源常規(guī)能源：在相當(dāng)長的歷史時期和一定的科學(xué)技術(shù)水平下，已經(jīng)被人類長期廣泛利用的能源，不但為人們所熟悉，而且也是當(dāng)前主要能源和應(yīng)用范圍很廣的能源，稱之為常規(guī)能源，如煤炭、石油、天然氣、水能等。（1）煤炭煤炭是理在地殼中億萬年以上的樹木等植物，由于地殼變動等原因，經(jīng)過物理和化學(xué)作用而形成的含碳量很高的可燃物質(zhì)，又稱作原煤。按煤炭的揮發(fā)物含量的不同，將其分為泥煤、褐煤、煙煤和無煙煤等類型。26三能源概述3.3常規(guī)能源（1）煤炭煤炭是地球上蘊藏量最豐富、分布地域最廣的化石燃料。根據(jù)世界能源委員會的評估，世界煤炭可采資源量達4.84×104億噸標準煤，占世界化石燃料可采資源量的66.8%。露天開采礦井開采27三能源概述3.3常規(guī)能源（1）煤炭煤炭既是重要的燃料又是珍貴的化工原料，在國民經(jīng)濟的發(fā)展中起著重要作用。煤炭在電源結(jié)構(gòu)中約占72%，在化工生產(chǎn)原料用量中約占50%，在工業(yè)鍋爐燃料中約占90%，在生活民用燃料中約占40%。自20世紀以來，煤炭主要用于電力生產(chǎn)和在鋼鐵工業(yè)中煉焦，某些國家蒸汽機車用煤的比例也很大。工業(yè)煉焦28三能源概述3.3常規(guī)能源（2）石油石油是僅次于煤的化石燃料，它是一種天然的黃色、褐色或黑色的流動或半流動的黏稠的可燃液體、烴類混合物。石油也稱為“原油”。它可以被加工成各種餾分，包括天然氣、汽油、石腦油、煤油、柴油、潤滑油、石蠟以及其他許多種衍生產(chǎn)品，是最重要的液體燃料和化工原料。29三能源概述3.3常規(guī)能源（2）石油目前世界上已找到近3萬個油田和7500個氣田，這些油氣田遍布于地殼上六大穩(wěn)定板塊及其周圍的大陸架地區(qū)。在156個較大的盆地內(nèi)幾乎均有油氣田發(fā)現(xiàn)，但分布極不平衡。世界石油儲量分布圖30三能源概述3.3常規(guī)能源（2）石油在現(xiàn)代國防方面，新型武器、超音速飛機、導(dǎo)彈和火箭所用的燃料都是從石油中提煉出來的。石油是重要的化工原料，可以制成發(fā)展石油化工所需的絕大部分基礎(chǔ)原料?？梢哉f石油是國民經(jīng)濟的“血脈”。海上鉆井油田開發(fā)示意圖31三能源概述3.3常規(guī)能源（3）天然氣天然氣是除煤和石油之外的另一種重要的一次能源。它燃燒時有很高的發(fā)熱值，對環(huán)境的污染也較小，而且還是一種重要的化工原料。天然氣的生成過程同石油類似，但比石油更容易生成。天然氣是地下巖層中以碳氫化合物為主要成分的氣體混合物的總稱。主要由甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等烴類綜合組成，其中甲烷占80%~90%。32三能源概述3.3常規(guī)能源（3）天然氣天然氣是蘊藏量豐富，最清潔而便利的優(yōu)質(zhì)能源。世界上天然氣資源豐富，據(jù)俄羅斯學(xué)者預(yù)測，世界常規(guī)天然氣的總資源量達4×1014-6×1014m3，此外還有大量非常規(guī)天然氣資源。與石油一樣，世界天然氣資源分布也很不均勻，主要集中在中東、蘇聯(lián)和東歐，三者之和約占世界天然氣總儲量的70%。33三能源概述3.3常規(guī)能源（3）天然氣2001年全世界氣體燃料的總消費量為1137百萬噸標準油。其中工業(yè)消費占44.8%，交通運輸占4.8%，其他行業(yè)和生活消費則為50.4%。天然氣市場非常廣闊。世界各地區(qū)的天然氣生產(chǎn)/消費圖（2002年，單位：十億m3）34三能源概述3.3常規(guī)能源（4）水能水能是自然界廣泛存在的一次能源。它可以通過水力發(fā)電站方便地轉(zhuǎn)換為優(yōu)質(zhì)的二次能源—電能。所以通常所說的“水電”既是被廣泛利用的常規(guī)能源，又是可再生能源。而且水力發(fā)電對環(huán)境無污染，因此水能是世界上眾多能源中永不枯竭的優(yōu)質(zhì)能源。35三能源概述3.3常規(guī)能源（4）水能我國土地遼闊，河流眾多，徑流豐沛，落差巨大，蘊藏著豐富的水能資源。據(jù)估計，我國河流水能資源的理論蘊藏量為6.76億kW，年發(fā)電量為59200億kW·h，不論是水能資源的理論蘊藏量，還是可能開發(fā)的水能資源，中國在世界各國中均居第一位。水能資源分布：36三能源概述3.3常規(guī)能源（4）水能水資源分布37三能源概述3.3常規(guī)能源（4）水能三峽工程——世界之最世界防洪效益最為顯著的水利工程：三峽水庫總庫容393億m3，防洪庫容221.5億m3，能有效地控制長江上游洪水，增強長江中下游抗洪能力。世界上最大的水電站：三峽電站總裝機容量1820萬kW，年發(fā)電量846.8億萬kWh世界泄洪能力最大的泄洪閘：三峽工程泄洪閘最大泄洪能力為10.25萬m3/s。38三能源概述3.3常規(guī)能源（4）水能世界最大的抽水蓄能電站2000年3月14日，廣東省廣州抽水蓄能電站8號機組移交生產(chǎn)，標志著該電站的建設(shè)已全面完成，成為世界上最大的抽水蓄能電站。總裝機容量240萬kW的廣蓄電站，一期工程總投資約27億元，二期工程總投資近30億元。39三能源概述3.3常規(guī)能源（5）核能由于原子核的變化而釋放的巨大能最叫作核能，也叫作原子能。核能發(fā)電是一種清潔、高效的能源獲取方式。實現(xiàn)核能的和平利用，就能夠代替化石燃料，目前已生產(chǎn)出各種規(guī)格的核反應(yīng)堆，是核潛艇、核動力破冰船、核電站等設(shè)備的核心部件。40三能源概述3.4新能源1.基本概念新能源是相對常規(guī)能源而言的，一般指以采用新技術(shù)和新材料而獲得的，在新技術(shù)基礎(chǔ)上系統(tǒng)開發(fā)利用的能源。包括太陽能、生物質(zhì)能、化學(xué)能源、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能、潮汐能，以及氫能、沼氣、酒精、甲醇等。隨著常規(guī)能源的有限性以及環(huán)境問題的日益突出，以環(huán)保和可再生為特征的新能源越來越得到各國的重視。新能源具有資源可持續(xù)、清潔、分布均衡等特點，必將成為未來可持續(xù)能源系統(tǒng)的支柱。新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展既是整個能源供應(yīng)系統(tǒng)的有效補充手段，也是環(huán)境治理和生態(tài)保護的重要措施，是滿足人類社會可持續(xù)發(fā)展需要的最終能源選擇。

41三能源概述3.4新能源常見綠色新能源

太陽能風(fēng)能生物質(zhì)能核能化學(xué)能源到“十二五”期末，新能源所占比重應(yīng)該達到12%—13%到2020年，大電網(wǎng)覆蓋地區(qū)非水電可再生能源發(fā)電在電網(wǎng)總發(fā)電量中的比例達到3％以上。2.新能源分類42三能源概述3.4新能源2.新能源分類新能源太陽能取之不盡、用之不竭的可再生清潔能源存在轉(zhuǎn)換效率、成本和使用壽命等系列問題氫能質(zhì)量輕、傳熱高、清潔和來源廣氫能的制備和貯存距離大規(guī)模利用還有一定距離核能已實現(xiàn)對核裂變的控制和利用，但尚未實現(xiàn)可控的核聚變反應(yīng)清潔能源之一，和平利用核能為全球所關(guān)注生物質(zhì)能綠色能源，科學(xué)家們預(yù)計將成為未來可持續(xù)新能源系統(tǒng)的重要組成部分風(fēng)能太陽熱輻射引起的大氣流動的動能，是可再生的清潔能源，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要領(lǐng)域43三能源概述3.4新能源2.新能源分類44三能源概述現(xiàn)有能源網(wǎng)絡(luò)3.4新能源45三能源概述3.4新能源電能儲存是當(dāng)前研究的重點?；瘜W(xué)電源（電池）是人們生活中應(yīng)用廣泛的方便儲能技術(shù)，也是高新技術(shù)和現(xiàn)代移動通訊的新型能源。性能優(yōu)越的金屬氰化物-鎳電池、鋰離子電池和燃料電池是21世紀的綠色能源。化學(xué)電源儲能的電化學(xué)原理、制造技術(shù)和發(fā)展趨勢是新能源開發(fā)的重要組成部分。以風(fēng)能為例，新能源的利用流程46三能源概述3.4新能源3.先進儲能技術(shù)儲能，是指能量轉(zhuǎn)化為在自然條件下比較穩(wěn)定的存在形態(tài)的過程：自然儲能——光合作用（太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存）人為儲能——機械儲能、化學(xué)儲能、電磁儲能、水能儲存等儲能技術(shù)：在能源開發(fā)、轉(zhuǎn)換、運輸和利用過程中，能量的供應(yīng)和需求之間往往存在數(shù)量上、形態(tài)上和時間上的差異。為了彌補這些差異、有效利用能源，而采取的儲存和釋放能量的人為過程或技術(shù)。47三能源概述3.4新能源儲能技術(shù)一般要求:儲能密度大變換損耗小運行費用低維護較容易不污染環(huán)境應(yīng)用最廣最主要的是電能儲存。儲能系統(tǒng)評價指標:儲能密度儲能功率儲能效率儲能價格環(huán)境負荷電的儲能技術(shù)大致分三類：直接儲存電磁能把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存把電能轉(zhuǎn)化為機械能儲存儲能技術(shù)將在能源系統(tǒng)、新能源（單個或集成）技術(shù)及輸送中發(fā)揮重要作用。3.先進儲能技術(shù)儲能系統(tǒng)本身并不節(jié)約能源，主要在于能夠提高能源利用體系的效率，促進新能源如太陽能和風(fēng)能的發(fā)展。48三能源概述3.5新能源材料與器件的發(fā)展1.能源材料的概念及分類

廣義上，凡能源工業(yè)及能源利用技術(shù)所需的材料都可稱為能源材料。有的學(xué)者分為：新能源技術(shù)材料－如增殖堆用核材料、太陽能電池材料節(jié)能材料－如非晶態(tài)金屬磁性，超導(dǎo)材料。儲能材料－如貯氫（吸氫）材料，高比能電池材料。新能源材料：指實現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)化利用及發(fā)展新能源技術(shù)中所用的關(guān)鍵材料，是發(fā)展新能源技術(shù)的核心和其應(yīng)用的基礎(chǔ)。從材料學(xué)的本質(zhì)和能源發(fā)展的觀點看，高效儲存和有效利用現(xiàn)有能源的新型材料也可歸屬為新能源材料。新能源材料是能源轉(zhuǎn)化、儲存與應(yīng)用過程中的關(guān)鍵材料，主要包括太陽能電池材料、燃料電池材料、鎳氫電池材料、鋰離子電池材料及發(fā)展生物質(zhì)能所需的關(guān)鍵材料等。49三能源概述3.5新能源材料與器件的發(fā)展2.新能源材料的應(yīng)用與發(fā)展新材料把原來習(xí)用已久的能源變?yōu)樾履茉?。如：半?dǎo)體材料把太陽能有效地直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽蝗剂想姵啬苁箽渑c氧反應(yīng)而直接產(chǎn)生電能，代替過去利用氫氣燃料獲得高溫。新電極材料可提高儲能和能力轉(zhuǎn)化效率如：鎳氫電池、鋰離子電池等都是靠電極材料的儲能效果和能量轉(zhuǎn)化功能而發(fā)展起來的新型二次電池。新材料決定著核反應(yīng)堆的性能與安全性新反應(yīng)堆需要新型的耐腐蝕、耐輻射材料，這些新材料的組成與可靠性對核能的安全運行和環(huán)境負荷起決定作用。材料的組成、結(jié)構(gòu)、制作、加工工藝決定著新能源安全環(huán)保與運行成本。如：太陽電池材料決定著光電轉(zhuǎn)換效率；燃料電池及儲能電池的電極材料及電解質(zhì)的質(zhì)量決定著電池的性能和壽命。50三能源概述3.5新能源材料與器件的發(fā)展物理電源的種類相對較少即為滿足新能源的高效轉(zhuǎn)換和儲存而設(shè)計的清潔裝置。物理電源是指把物理過程的能量轉(zhuǎn)換成電能的裝置最為典型的物理電源是太陽電池物理電源3.新能源器件化學(xué)電源最為顯著的特點電化學(xué)系統(tǒng)可逆過程化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能化學(xué)電源存儲電能的效率通常比燃料燃燒系統(tǒng)高很多51三能源概述3.5新能源材料與器件的發(fā)展52三能源概述3.5新能源材料與器件的發(fā)展按照新能源利用角度分類53三能源概述3.5新能源材料與器件的發(fā)展主要新能源相關(guān)器件堿性二次電池（能量儲存）金屬氫化物鎳蓄電池及鋰離子蓄電池（包括聚合物鋰離子蓄電池）主要應(yīng)用于便攜式移動設(shè)備，氫鎳和鋰離子蓄電池則為空間飛行器使用。產(chǎn)品向大容量及功率化動力儲能電池的方向發(fā)展。

燃料電池MP354三能源概述3.5新能源材料與器件的發(fā)展主要新能源相關(guān)器件燃料電池（能量轉(zhuǎn)化）堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池、直接醇類燃料電池、聚合物膜燃料電池、磷酸燃料電池、溶化碳酸鹽燃料電池等，距商業(yè)化應(yīng)用尚有距離。55三能源概述3.5新能源材料與器件的發(fā)展主要新能源相關(guān)器件太陽能電池（能量轉(zhuǎn)化）太陽電池分為空間和地面兩大應(yīng)用方向，地面應(yīng)用以晶體硅（單晶硅、多晶硅）太陽電池為主，非晶硅太陽電池和銅銦硒（CIS）等化合物半導(dǎo)體太陽電池有少量應(yīng)用；空間應(yīng)用基本為單晶硅太陽電池和砷化鎵太陽電池，目前仍以單晶硅電池為主，但砷化鎵電池具有良好的應(yīng)用前景。56三能源概述3.5新能源材料與器件的發(fā)展3.新能源材料與器件的發(fā)展趨勢新能源成為新興產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略重點大力發(fā)展高效清潔的新能源及其先進能源材料的研究以替代化石能源，改善能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)能源多元化。原料能夠擺脫化石燃料的限制使用過程無排放污染綠色電池能源轉(zhuǎn)換過程不受熱力學(xué)卡諾循環(huán)限制綠色新能源的特點與優(yōu)勢

57三能源概述3.5新能源材料與器件的發(fā)展3.新能源材料與器件的發(fā)展趨勢“一代材料，一代技術(shù)，一代裝備”新能源材料技術(shù)的研發(fā)與推廣將引領(lǐng)和支撐新能源等國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的培育與發(fā)展。PV核能無論如何強調(diào)新能源和可再生能源的發(fā)展意義都不過分。

太陽能氫能風(fēng)能第一章能量定律能量儲存技術(shù)能量轉(zhuǎn)換過程原電池與電解池電極過程動力學(xué)導(dǎo)論能源物理化學(xué)一能源物理化學(xué)59物理化學(xué)是化學(xué)的一個分支，涉及物質(zhì)的物理性能，現(xiàn)代物理化學(xué)包括化學(xué)熱力學(xué)、動力學(xué)、平衡、光普和量子化學(xué)等。物理化學(xué)研究物質(zhì)的不同物理狀態(tài)（如氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)），以及溫度和光（電磁輻射）對其物理性能和化學(xué)反應(yīng)的影響。能源物理化學(xué)主要研究物質(zhì)的物理和化學(xué)狀態(tài)性能，涉及能量守恒、貶值、儲存及轉(zhuǎn)換過程的物理化學(xué)原理。能源定律6019世紀初期，不少人曾一度夢想著制造一種不靠外部提供能量，本也不減少能量的可以水遠運動下去的機器（永動機）。即只需提供初始能量使其運動起來就可以永遠地運動下去的一種機器，可以源源不斷自動地對外做功。1.1.1能量守恒定律1.117-18世紀許多機械專家就已經(jīng)論證了永動機是不可能的；熱力學(xué)第二定律被發(fā)現(xiàn)后，這個夢想便不政自破。熱力學(xué)第一定律的發(fā)現(xiàn)是人類認識自然的一個偉大進步，第一次在空前廣閥的領(lǐng)域里把自然界各種運動形式聯(lián)系了起來。既為自然科學(xué)領(lǐng)域增加了嶄新的內(nèi)容，又大大推動了哲學(xué)理論的前進。能源定律611.1.1能量守恒定律1.1能量守恒定律：自然界的一切物質(zhì)都具有能量，能量既不能創(chuàng)查也不能消滅，而只能從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式，從一個物體傳遞到另一個物體。在能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程中能量的總量恒定不變根本原因：一是系統(tǒng)內(nèi)各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)換，且轉(zhuǎn)換的量值一定相等（以下稱為等量轉(zhuǎn)換原則）；二是系統(tǒng)內(nèi)變化形式能量的減少量與變化形式能量的增加量相等。即ΣdE減少=ΣdE增加。能源定律621.1.1能量守恒定律1.1對能量守恒定律的補充：①ΣE=常量，只是保證總能量守恒或總能量增量守恒，并不保證體系內(nèi)的所有形式能量之間能量轉(zhuǎn)換必須遵守等量轉(zhuǎn)換原則；②能量守恒定律成立的條件：一是功和能的關(guān)系一一各種不同形式的能可以通過做功來轉(zhuǎn)化，即功是能轉(zhuǎn)化的量度。二是能量增量與各種形式能量之間的關(guān)系——各種形式能量的轉(zhuǎn)換遵守等量轉(zhuǎn)換原則，而ΣE=常量與ΣdE減少=ΣdE增加是結(jié)果。③能量守恒定律與總能量守恒（總改變量守恒）以及幾種能量形式等量轉(zhuǎn)換之間的關(guān)系是不可逆的，由能量守恒定律可得總能量守恒（總改變量守恒）以及能量形式等量轉(zhuǎn)換，但由總能量守恒（總改變量守恒）以及幾種能量形式之間等量轉(zhuǎn)換是不能得到能量守恒定律的。④能量守恒有二，一是等量轉(zhuǎn)換，二是總量守恒，二者不可或缺。⑤功能原理與能量守恒定律的本質(zhì)是一致的。能源定律631.1.2能量轉(zhuǎn)換定律1.1能量轉(zhuǎn)化遵循的規(guī)律：能量既不會憑空消失，也不會憑空產(chǎn)生，它只會從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，而在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。自然界中能量是守恒的，但是由于能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移是有方向性的，因此還存在能源危機。這就需要我們提高能源的使用效率。風(fēng)能→電能機械能→電能能源定律641.1.1能量守恒定律1.1電能→機械能電能→內(nèi)能電能→化學(xué)能化學(xué)能→電能能源定律651.1.3能量貶值原理1.1能量不僅有量的多少，還有質(zhì)的高低。熱力學(xué)第一定律只說明了能量在量上要守恒，并沒有說明能量在“質(zhì)”方面的高低。自然界進行的能量轉(zhuǎn)換過程是有方向性的。不需要外界幫助就能自動進行的過程稱為自發(fā)過程，反之為非自發(fā)過程。自發(fā)過程都有一定的方向。水總是從高處向低處流動氣體總是從高壓向低壓膨脹熱量總是從高溫物體向低溫物體傳遞能源定律661.1.3能量貶值原理1.1熱量傳遞有方向性能源定律671.1.3能量貶值原理1.1熱力學(xué)第二定律的克勞修斯說法不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。ColdHot熱力學(xué)第二定律的開爾文–普朗克說法不可能從單一熱源吸取熱量使之完全轉(zhuǎn)變成功而不產(chǎn)生其他影響。能源定律681.1.3能量貶值原理1.1熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)就是能量貶值原理，并指明了能量轉(zhuǎn)換過程的方向、條件及限度。在能量利用中熱效率和經(jīng)濟性是非常重要的兩個指標。由于存在著耗散作用、不可逆過程以及可用能損失，在能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程中，各種熱力循環(huán)、熱力設(shè)備和能量利用裝置的效率都不可能達到100%。能源定律691.1.3能量貶值原理1.1

一些常用能量轉(zhuǎn)換裝置的能量轉(zhuǎn)換效率能源儲存技術(shù)701.2機械能——以動能、勢能形式儲存。熱能——以潛熱、顯熱形式儲存。電能——感應(yīng)場能或靜電場能?；瘜W(xué)能、核能——自身即為儲能形式。能源儲存技術(shù)711.2.1機械能的儲存1.2以動能形式儲存

飛輪以勢能形式儲存（1）彈簧、扭力桿和重力裝置（2）壓縮空氣儲能（3）抽水蓄能電站能源儲存技術(shù)721.2.1機械能的儲存1.2中國抽水蓄能電站分布能源儲存技術(shù)731.2.2電能的儲存1.2蓄電池發(fā)展方向：廉價、高效、能大規(guī)模儲能。蓄電池作為電能儲存系統(tǒng)燃料電池儲能能源儲存技術(shù)741.2.2電能的儲存1.2靜電場和感應(yīng)電場（1）電容器在直流電路中廣泛用作儲能裝置，在交流電路中則用于提高電力系統(tǒng)或負荷的功率因數(shù)，調(diào)整電壓；（2）高電壓技術(shù)、高能核物理、激光技術(shù)、地震勘探等方面采用的直流高壓電容器；（3）超導(dǎo)磁鐵蓄能。帶有超導(dǎo)磁鐵的飛輪電力儲存系統(tǒng)能源儲存技術(shù)75顯熱儲存蓄熱裝置設(shè)計、運行和管理簡單方便；裝置體積龐大；熱損失大。能的儲存1.21.2.3熱能的儲存潛熱儲存利用蓄熱材料發(fā)生相變而儲熱；儲能密度高，裝置體積小，熱損失??；過程等溫或近似等溫，易與運行系統(tǒng)匹配。能源儲存技術(shù)76化學(xué)儲存一種高能量密度的儲存方法；利用某些物質(zhì)在可逆化學(xué)反應(yīng)中的吸熱和放熱過程來達到熱能的儲存和提??；技術(shù)上困難，目前尚難實際應(yīng)用。1.21.2.3熱能的儲存地下含水層儲存地下含水層儲冷：冬季將凈化過的冷水用管井灌入含水層里儲存，到夏季抽取使用，叫“冬灌夏用”。地下含水層儲熱：夏季將高溫水或工廠余熱水經(jīng)凈化后用管井灌入含水層里儲存，到冬季時抽取使用，叫“夏灌冬用”。能源儲存技術(shù)771.21.2.4化學(xué)能的儲存化學(xué)能是各種能源中最易儲存和運輸?shù)哪茉葱螒B(tài)。利用某些物質(zhì)在可逆反應(yīng)中的吸熱和放熱過程來達到熱能的儲存和提取。這是一種高能量密度的儲存方法。從廣義上講，儲存原油和各種石油產(chǎn)品、液化石油氣（LPG）、液化天然氣（LNG）、煤等化石燃料本身就是對化學(xué)能的儲存。能源轉(zhuǎn)換過程781.31.3.1概述狹義上的能量轉(zhuǎn)換，即能量形態(tài)上的轉(zhuǎn)換化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能熱能轉(zhuǎn)換為機械能機械能轉(zhuǎn)換為電能在能量利用中最重要的能量轉(zhuǎn)換過程是將燃料的化學(xué)能通過燃燒轉(zhuǎn)換為熱能，熱能再通過熱機轉(zhuǎn)換成機械能，機械能既可以直接利用，也可以通過發(fā)電機再將機械能轉(zhuǎn)換為更便于應(yīng)用的電能。廣義上的能量轉(zhuǎn)換能量在空間上的轉(zhuǎn)移，即能量的傳輸。能量在時間上的轉(zhuǎn)移，即能量的儲存。能源轉(zhuǎn)換過程791.31.3.2化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能燃料燃燒是化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能的最主要方式。能在空氣中燃燒的物質(zhì)稱為可燃物，但不能把所有的可燃物都稱作燃料（如米和沙糖之類的食品）。燃料，就是能在空氣中容易燃燒并釋放出大量熱能的氣體、液體或固體物質(zhì)，是能在經(jīng)濟上值得利用其發(fā)熱量的物質(zhì)的總稱。燃料固體燃料煤炭（焦炭、型煤、木炭等）木材液體燃料石油（汽油、煤油、柴油、重油等）氣體燃料天然氣（焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、水煤氣和液化石油氣）能源轉(zhuǎn)換過程801.31.3.2化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能燃燒設(shè)備鍋爐工業(yè)爐窯化學(xué)能

熱能能源轉(zhuǎn)換過程811.31.3.3熱能轉(zhuǎn)換為機械能將熱能轉(zhuǎn)換為機械能是目前獲得機械能的最主要的方式。轉(zhuǎn)換過程通常是在熱機中完成。應(yīng)用最廣的熱機是內(nèi)燃機、蒸汽輪機、燃氣輪機等。蒸汽輪機蒸汽輪機主要用于發(fā)電廠中，也可作為大型船舶的動力，或拖動大型水泵、壓縮機、風(fēng)機。燃氣輪機

燃氣輪機除了用于發(fā)電外，還是飛機的主要動力源，也可用作船舶的動力。內(nèi)燃機內(nèi)燃機主要為各種車輛、工程機械提供動力。能源轉(zhuǎn)換過程821.31.3.3熱能轉(zhuǎn)換為機械能蒸汽輪機蒸汽輪機，簡稱汽輪機，是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機械功的熱機。汽輪機單機功率大、效率高、運行平穩(wěn)，在現(xiàn)代火力發(fā)電廠和核電站中都用它驅(qū)動發(fā)電機。汽輪發(fā)電機組所發(fā)的電量占總發(fā)電量的80%以上。此外汽輪機還用來驅(qū)動大型鼓風(fēng)機、水泵和氣體壓縮機，也用作艦船的動力。能源轉(zhuǎn)換過程831.31.3.3熱能轉(zhuǎn)換為機械能燃汽輪機燃汽輪機和蒸汽輪機最大的不同是，它不是以水蒸氣作工質(zhì)而是以氣體作工質(zhì)。燃料燃燒時所產(chǎn)生的高溫氣體直接推動燃汽輪機的葉輪對外做功，因此以燃汽輪機作為熱機的火力發(fā)電廠不需要鍋爐。它包括三個主要部件：壓氣機、燃燒室和燃氣輪機。燃燒室發(fā)電機燃料空氣廢氣能源轉(zhuǎn)換過程841.31.3.3熱能轉(zhuǎn)換為機械能內(nèi)燃機包括汽油機和柴油機，是應(yīng)用最廣泛的熱機。大多數(shù)內(nèi)燃機是往復(fù)式，有汽缸和活塞。內(nèi)燃機有很多分類方法，但常用的是根據(jù)點火順序分類或根據(jù)氣缸排列方式分類。按點火或著火順序可將內(nèi)燃機分成四沖程發(fā)動機和二沖程發(fā)動機。能源轉(zhuǎn)換過程851.31.3.4機械能/光能/化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能電能是與電荷的流動和積聚有關(guān)的一種能量。由于電能能夠容易地以高轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換成其它形式的能量，因此電能是非常有用的一種能量形式。機械能直接轉(zhuǎn)換成電能：發(fā)電機水輪發(fā)電機汽輪發(fā)電機能源轉(zhuǎn)換過程861.31.3.4機械能/光能/化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能：化學(xué)電源，即電池，化學(xué)電源能量轉(zhuǎn)化率高，方便并安金可靠，在不同領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。電池一次電池二次電池燃料電池儲備電池定義電池反應(yīng)本身不可逆，電池放電后不能充電再使用的電池可重復(fù)充放電循環(huán)使用的電池，充放電次數(shù)可達數(shù)十次到上千次活性物質(zhì)可從電池外部連續(xù)不斷地輸入電池，連續(xù)放電電機的正負極和電解質(zhì)在儲存期不直接接觸，使用前采取激活手段，電池便進人放電狀態(tài)例子鋅-錳電池、鋅-汞電池、鋅-銀電池、鋅-空氣電池鉛酸蓄電池、鎘-鎳蓄電池和鋰離子電池氫氧燃料電池鎂銀電池、鉛-二氧化鉛電池應(yīng)用大功率放電的人造衛(wèi)星、電動汽車和應(yīng)急電器燃料電池適合于長時間連續(xù)工作的環(huán)境，已成功用于飛船和汽車導(dǎo)彈電源、心就起搏器電源能源轉(zhuǎn)換過程871.31.3.4機械能/光能/化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能輻射能轉(zhuǎn)換成電能能源轉(zhuǎn)換過程881.31.3.4機械能/光能/化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能核能轉(zhuǎn)換成電能：核電站。能源轉(zhuǎn)換過程891.31.3.4電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能主要發(fā)生在二次電池的充電中。這個過程正好與電池使用相反，通過將電能源源不斷地導(dǎo)入電池轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，從而儲存起來。以鋰離子電池為例：目前已產(chǎn)業(yè)化的鋰離子電池的負極材料為碳材料，正極為LiCoO2材料，電解質(zhì)是LiPF6（LiClO4）和有機試劑。鋰離子電池的電化學(xué)表達式及原理：原電池與電解池901.41.4.1原電池原電池(Galvaniccell)：(1)定義：凡是能將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾娀瘜W(xué)裝置叫做原電池或自發(fā)電池。

(2)性質(zhì)：原電池區(qū)別于普通氧化還原反應(yīng)的基本特征就是能通過電池反應(yīng)將化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，所以它是一種能量轉(zhuǎn)換的電化學(xué)裝置。如：

原電池與電解池911.41.4.1原電池(3)電池的可逆性：電池進行可逆變化必須具備兩個條件：

?電池中的化學(xué)變化是可逆的，即物質(zhì)的變化是可逆的；

?電池中能量的轉(zhuǎn)化是可逆的，即電能或化學(xué)能不轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏⑹А?/p>

(4)原電池電動勢：定義：沒有電流通過時，原電池兩個終端相之間的電位差（即兩電極相對電位差）。

注意：只有可逆電池有E，電池不可逆時只能測到V。

原電池與電解池921.41.4.2電解池電解（1）定義：使電流通過電解質(zhì)溶液而在陰陽兩極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)的過程。（2）電解池定義：由外電源提供電能，使電流通過電極，在電極上發(fā)生電極反應(yīng)的裝置。工作原理：電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能構(gòu)成電解池的條件：與電源相連的兩個電極；電解質(zhì)溶液(或熔化的電解質(zhì));形成閉合回路電極：陽極---與電源的正極相連，發(fā)生氧化反應(yīng)陰極---與電源的負極相連，發(fā)生還原反應(yīng)惰性電極---只導(dǎo)電,不參與氧化還原反應(yīng)(C/Pt)活性電極---既導(dǎo)電又參與氧化還原反應(yīng)(Cu/Ag)原電池與電解池931.41.4.2電解池（3）電解原理：①電子流向：與電流流向相反②離子流向：陽離子流向陰極，陰離子流向陽極③電極反應(yīng)：陽極:發(fā)生氧化反應(yīng)電極材料或電解質(zhì)溶液中的陰離子失去電子陰極:發(fā)生還原反應(yīng)電解質(zhì)溶液或電極材料中的陽離子得到電子（4）放電順序陽極：①若為活性電極(Ag以前)，則是電極本身失電子變成離子進入溶液②若為惰性電極，則是溶液中的陰離子“爭”先放電

S2->I->Br->Cl->OH->等含氧酸根離子(NO3-、SO42-)>F-

陰極：無論是活性或惰性電極都是溶液的陽離子“爭”先放電

Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+(水)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+

原電池與電解池941.41.4.3原電池與電解池的區(qū)別原電池與電解池951.41.4.4電極/溶液界面模型電極/溶液界面的特點：靜電作用：使符號相反的剩余電荷形成緊密雙電層結(jié)構(gòu)；熱運動：使荷電粒子趨向均勻分布，形成分散層結(jié)構(gòu)。

Helmholtz模型（緊密層模型）

該模型只考慮電極與溶液間的靜電作用，認為電極表面和溶液中的剩余電荷都緊密地排列在界面兩側(cè)，形成類似荷電平板電容器的界面雙電層結(jié)構(gòu)

原電池與電解池961.41.4.4電極/溶液界面模型Gouy—Chapman分散層模型該模型粒子熱運動的影響，認為溶液中的剩余電荷不可能緊密地排列在界面上，而應(yīng)按照勢能場中粒子地分配規(guī)律分布在臨近界面的液層中，即形成電荷“分散層”。原電池與電解池971.41.4.4電極/溶液界面模型Stern模型該模型認為由于靜電作用和粒子熱運動這兩種矛盾作用對立統(tǒng)一的結(jié)果，使電極/溶液界面的雙電層將由緊密層和分散層兩部分組成。電極過程動力學(xué)導(dǎo)論981.4電極體系可逆電極(reversibleelectrode)：氧化還原反應(yīng)速度相等，物質(zhì)交換和電荷交換平衡。（平衡電位）

不可逆電極(irreversibleelectrode)：

?電荷交換平衡，物質(zhì)交換不平衡（穩(wěn)定電位）

?電荷交換不平衡，物質(zhì)交換不平衡（不穩(wěn)定電位）

電極過程動力學(xué)導(dǎo)論991.4極化?極化(polarization)：有電流通過時，電極電位偏離平衡電位的現(xiàn)象

?過電位(overvoltage)：在一定電流密度下，電極電位與平衡電位的差值

?極化值：

有電流通過時的電極電位（極化電位）與靜止電位的差值極化產(chǎn)生的原因電流流過電極時，產(chǎn)生一對矛盾作用：

?極化作用—電子的流動在電極表面積累電荷，使電極電位偏離平衡狀態(tài)；

?去極化作用—電極反應(yīng)吸收電子運動傳遞的電荷，使電極電位恢復(fù)平衡狀態(tài)。

極化是由上述兩種作用聯(lián)合作用的結(jié)果。

電極過程動力學(xué)導(dǎo)論1001.4極化圖(polarizationdiagram)?極化圖：把表征電極過程特征的陰極極化曲線和陽極極化曲線畫在同一個坐標系中，這樣組成的曲線圖叫極化圖。電極過程動力學(xué)導(dǎo)論1011.4原電池極化規(guī)律電極過程動力學(xué)導(dǎo)論1021.4電解池極化規(guī)律電極過程動力學(xué)導(dǎo)論1031.4原電池與電解池的比較電極過程動力學(xué)導(dǎo)論1041.4電極過程的基本歷程?液相傳質(zhì)步驟

?前置的表面轉(zhuǎn)化步驟簡稱前置轉(zhuǎn)化

?電子轉(zhuǎn)移步驟或稱電化學(xué)反應(yīng)步驟

?隨后的表面轉(zhuǎn)化步驟簡稱隨后轉(zhuǎn)化

?新相生成步驟或反應(yīng)后的液相傳質(zhì)步驟例：電極過程動力學(xué)導(dǎo)論1051.4速度控制步驟?速度控制步驟(rate-determiningstep)：串連的各反應(yīng)步驟中反應(yīng)速度最慢的步驟。

?濃差極化(concentrationpolarization)：液相傳質(zhì)步驟成為控制步驟時引起的電極極化。

?電化學(xué)極化(electrochemicalpolarization)：由于電化學(xué)反應(yīng)遲緩而控制電極過程所引起的電極極化。

電極過程的特征?異相催化反應(yīng)

?電極可視為催化劑，可以人為控制

?復(fù)雜的多步驟的串連過程，其動力學(xué)規(guī)律取決于速度控制步驟

太陽能電池材料與器件

第二章光電轉(zhuǎn)換理論太陽能是一種輻射能，要將這種輻射能(或其它光能)轉(zhuǎn)換為電能，必須借助“能量轉(zhuǎn)換器”——太陽能電池，也稱為光電池。因為常見的太陽能電池都是由半導(dǎo)體材料制造，所以有時也稱為半導(dǎo)體光電池。當(dāng)光線照射在p-n結(jié)上并且光在界面層被吸收時，具有足夠能量的光子能夠在p型硅和n型硅中將電子從共價鍵中激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴對。界面層附近的電子和空穴在復(fù)合之前，將通過內(nèi)建電場的作用被相互分離。太陽能電池工作原理是基于半導(dǎo)體p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。即太陽光或其它光照射半導(dǎo)體p-n結(jié)時，就會在p-n結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓，叫做光生電壓。光生電場的方向與內(nèi)建電場相反，因此它的一部分可與內(nèi)建電場相抵消，其余部分則可使p區(qū)帶正電，n區(qū)帶負電；這樣就在n區(qū)與p區(qū)之間的產(chǎn)生了一個電動勢，稱為光生伏特電動勢，當(dāng)外電路接通時，即可產(chǎn)生電流。晶體硅太陽能電池原理圖太陽能電池的發(fā)電過程1，太陽光或其它光照射在太陽能電池的表面上；2，太陽能電池吸收具有一定能量的光子激發(fā)出非平衡載流子(光生載流子)，即電子-空穴對，它們的壽命要足夠長，以確保它們在被分離之前不會復(fù)合；3，電子-空穴對在p-n結(jié)內(nèi)建電場的作用下被分離，電子與空穴分別集中n區(qū)和p區(qū)，p-n結(jié)兩邊的異性電荷的積累形成光生電動勢；4，在太陽能電池兩側(cè)引出電極并接上負載形成電路，即在電路中獲得了光生電流，從而獲得電功率輸出（電能）。太陽能電池的分類

人類對光伏現(xiàn)象的認識可追溯到1839年，當(dāng)時的法國科學(xué)家E.Becquerel在一次實驗中觀察到電壓隨光照強度改變的實驗現(xiàn)象。1941年，美國Bell實驗室R.S.Ohl在Si材料上發(fā)現(xiàn)了光伏效應(yīng)，并且提出了半導(dǎo)體p-n結(jié)太陽能電池概念。之后逐漸形成了現(xiàn)在的太陽能電池[7]。目前，太陽能電池是一種重要的光電子器件，被人類賦予了未來解決能源危機的希望，它通過半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)由光生電動勢進行光電轉(zhuǎn)換，利用零成本的太陽光發(fā)電。1、同質(zhì)結(jié)電池：在相同的半導(dǎo)體材料上構(gòu)建的一個或多個p-n結(jié)的電池；2、異質(zhì)結(jié)電池：在不同禁帶寬度的兩種半導(dǎo)體材料接觸的界面上構(gòu)成一個異質(zhì)p-n結(jié)的光伏電池。按照太陽能電池的發(fā)展歷程可將其分為三代太陽能電池，具體分類如圖3.3所示：第一代太陽能電池單晶硅的實驗室效率已經(jīng)達到25.6%，但由于其禁帶寬度僅有1.12V，因此已經(jīng)非常接近其29%的理論極限，同時晶體硅生產(chǎn)過程中伴隨的重污染和高能耗問題也導(dǎo)致其價格較為昂貴，盡管經(jīng)過多年的發(fā)展，太陽能電池組件的成本已經(jīng)降低至目前的約0.6美元/W[7]，但與傳統(tǒng)能源相比仍有較大差距。第二代太陽能電池是指以薄膜技術(shù)為核心的非晶硅（a-Si）、碲化鎘（CdTe）和銅銦鎵硒（CIGS）等電池，這些材料大多為直接帶隙半導(dǎo)體，具有較高的吸光系數(shù)，因此可以通過薄膜技術(shù)大大降低活性材料的使用量而降低成本，但效率及壽命相對晶體硅而言也遜色很多，即通過犧牲效率來換取成本。同時薄膜電池目前仍大多采用真空蒸鍍的方法制備，生產(chǎn)成本很高，質(zhì)量也很難控制，僅有少量實現(xiàn)了規(guī)模化產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，除此之外，鎘污染和銦資源的稀缺也制約著其進一步的應(yīng)用和發(fā)展[8]。第三代太陽能電池是指突破傳統(tǒng)的平面單pn結(jié)結(jié)構(gòu)的各種新型電池，這類電池通過引入多pn結(jié)疊層、介孔敏化、體相異質(zhì)結(jié)等新型結(jié)構(gòu)以及新型材料以獲得低成本、高效率的太陽能電池，代表了太陽能電池未來的發(fā)展方向。目前主要包括疊層電池（Tandem）、染料敏化電池（Dye-sensitized）、有機光伏電池（Organic）、量子點電池（Quatuamdots）以及最新的鈣鈦礦電池（Perovskite）等。硅太陽能電池

---從沙子到單晶硅太陽能電池片

硅是地殼內(nèi)第二位最豐富的元素，占地殼總質(zhì)量的25.7%。提煉硅的原始材料是SiO2，它是砂子的主要成分。然而，在目前工業(yè)提煉工藝中，采用的是SiO2結(jié)晶態(tài)即石英態(tài)。為了制取硅，將石英巖在大型電弧爐中用碳(木屑、焦炭和煤的混合物)按照以下反應(yīng)方程式進行還原：SiO2+2C→Si+2CO硅定期從爐中倒出，并用氧氣或氧氯混合氣體吹之以進一步提純。然后，它被倒入淺槽，在槽中凝固，隨后被破成碎塊。所得硅純度約為95%一98%，稱為粗硅，或冶金級硅(MG-Si)。其中含有各種雜質(zhì)，如Al、Fe、C、B和P等。提純用于太陽能電池以及其他半導(dǎo)體器件的硅，其純度比冶金級硅要更高。因此，必須經(jīng)過化學(xué)提純將冶金硅提純到太陽能電池所需的純度。硅的化學(xué)提純是指采用化學(xué)反應(yīng)把硅轉(zhuǎn)化為中間化合物，再將中間化合物提純至所需的高純度，然后再將其還原成為高純硅。中間化合物一般選用易于被提純的化合物，曾被研究過的中間化合物有SiCl4、SiI4和SiH4等，而目前工業(yè)上廣泛采用的是SiHCl3還原法，即西門子還原法。西門還原法是采用流化床工藝，用HCl把細碎的冶金級硅顆粒變成流體，用銅催化劑加速反應(yīng)的進行：Si+3HCl→SiHCl3+H2釋放的氣體經(jīng)過冷凝塔形成液體，在工業(yè)上采用蒸餾塔，對所得液體經(jīng)過多級蒸餾，可得到12個9純度的三氯氫硅（SiHCl3），這是半導(dǎo)體和太陽能電池工業(yè)高純多晶硅材料的原料。為了提純半導(dǎo)體硅，將高純SiHCl3液體通過高純氣體攜帶入充有大量氫氣的還原爐中，SiHCl3在通電加熱的細長的硅芯表面，經(jīng)過一周或更長的反應(yīng)時間，還原爐中的8mm的硅芯將生長到150mm左右。拉單晶對于單晶硅太陽能電池來說，硅不僅要很純，而且必須是晶體結(jié)構(gòu)中基本上沒有缺陷的單晶形式。工業(yè)生產(chǎn)這種單晶硅所用的主要方法是直拉工藝。在坩堝中，將半導(dǎo)體多晶硅熔融，同時加入微量的期間所需的一種摻雜劑，對太陽能電池來說，通常用硼（p型摻雜）。在溫度可以精細控制的情況下用籽晶能夠從熔融硅中拉出大圓柱形的單晶硅。通常用這種方法能夠生長直徑超過12.5cm，長度1m到2m的晶體。通過線鋸可將單晶硅棒切成厚度為200~300微米的硅片。在切片的過程中，會有30%~50%左右的硅因為刀槽或切割損失被浪費掉了。在切割的過程中，會在硅片表面形成一些損傷層。清洗與制絨在切片過程中，會形成表面機械切痕與損傷線切割損傷層厚度可達10微米。因此，太陽能電池制造的第一道常規(guī)工序即是去除硅片表面損傷層，目前主要采用化學(xué)腐蝕，不僅可以有效地去除由于切片造成的表面損傷，而且還可在硅片表面制作一層能減少光反射的絨面。單晶硅片通常采取堿腐蝕，因為單晶硅片具有(100)晶向，在堿腐蝕中會表現(xiàn)出擇優(yōu)性能，即(100)和(111)的腐蝕速率不同，而在表面出現(xiàn)金字塔構(gòu)造，即形成多個(111)小面。其反應(yīng)方程式為：Si+2NaOH+2H2O→Na2SiO3+2H2↑經(jīng)過與堿液反應(yīng)后，就會在硅片表面形成一個具有陷光作用的表面絨面構(gòu)造，光線在這樣的表面上至少會有2次機會與硅機會接觸，這樣可有效地減少太陽光在硅片表面的反射。硅的折射率為3.84(波長6.5微米)，光線一次與表面接觸可高達30%的反射，但由于金字塔構(gòu)造，第二次接觸時光線反射就可降到9%以下，使太陽能電池能吸收更多的陽光。擴散制結(jié)

太陽能電池的“心臟”就是p-n結(jié)，因此擴散制結(jié)是太陽能電池制造的核心工序。大多數(shù)廠家都選用p型硅片來制作太陽能電池，為了形成p-n結(jié)一般采用的是磷擴散。三氯氧磷(POC13)是目前磷擴散用得較多的一種雜質(zhì)源，進行磷擴散形成n型層。擴散過程的反應(yīng)式為：4POC13+3O2(過量)→2P2O5+6C12↑2P2O5+5Si→5SiO2+4P擴散設(shè)備可用橫向石英管或鏈式擴散爐，擴散的最高溫度可達到850-900℃。這種POC13液態(tài)源擴散方法制出的p-n結(jié)均勻、平整，方塊電阻的不均勻性小于10%，少子壽命可達10微秒以上，生產(chǎn)效率較高，這對于制作具有大的結(jié)面積的太陽能電池是非常重要的。在擴散過程中，硅片的所有表面(包括邊緣)都將不可避免地擴散上磷。p-n結(jié)的正面所收集到的光生電子會沿著邊緣含磷的區(qū)域流到p-n結(jié)的背面，而造成短路，因此邊緣的擴散層必須除去，如圖3.10所示。目前很多企業(yè)采用的是等離子邊緣刻蝕，也稱為干法刻蝕。去磷硅玻璃

在磷擴散過程中，P2O5和硅反應(yīng)生成磷原子和SiO2，這樣會在硅片表面形成一層含有磷元素的SiO2，稱之為磷硅玻璃(phosphosilieateglass，PSG)。用化學(xué)方法可去除擴散層SiO2，SiO2與氫氟酸(HF)反應(yīng)能生成易揮發(fā)且可溶于水的氣體四氟化硅(SiF4)，若HF過量，SiF4會進一步與HF反應(yīng)生成可溶性絡(luò)合物六氟硅酸(H2SiF6)，從而使硅表面的磷硅玻璃溶解，化學(xué)反應(yīng)方程式為：SiO2+4HF→SiF4↑+2H2OSiF4↑+2HF→H2SiF6SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O制備減反射膜

在真空或大氣中，光照射在硅片表面時，因為反射會使光損失約1/3：長波范圍的入射光損失總量為34%，短波范圍為54%。即使在硅表面制作了絨面，由于入射光產(chǎn)生多次反射而增加了吸收，但也有約11%的反射損失。如圖3.11所示，如果在硅表面制備一層減反射膜(antireflectioneoating，ARC)，由于膜的兩個界面上的反射光相互干涉，可以使光的反射大為減少，電池的短路電流和輸出就有很多的增加，效率也有相當(dāng)?shù)奶岣?。制作電極

制作電極，即在電池的正背面鍍上導(dǎo)電金屬電極。最早采用的是真空蒸鍍或化學(xué)電鍍，而目前普遍采用絲網(wǎng)印刷，即通過絲網(wǎng)印刷機和網(wǎng)版在太陽能電池的正、背面印刷上銀漿、鋁漿，形成正、負電極。太陽能電池的背面因為無需接受光照，可在整個背面制作上一層薄的金屬層，現(xiàn)在一般為鋁。但太陽能電池的正面必須要盡可能接受更多的光照，因此，電池的正面的電極通常呈梳子狀形式或絲網(wǎng)狀。正面電極的形狀要保證兩方面因素的平衡：一方面要保證透光率盡可能高；另一方面要保證金屬電極與半導(dǎo)體硅片的接觸電阻盡可能小。對此，各生產(chǎn)廠家有許多不同的制作工藝。通常電池片正面(負極)的梳子狀電極結(jié)構(gòu)中，一般有2條或3條粗的主柵線，以便于連接條焊接。而背面(正極)則往往以鋁硅合金作為背表面場，以提高開路電壓，背面也會有2條或3條粗電極以便焊接。燒結(jié)，是制造太陽能電池片的最后一步，其目的是干燥硅片上的漿料，燃盡漿料的有機組分，使?jié){料和硅片形成良好的歐姆接觸。高溫?zé)Y(jié)結(jié)束后，整個太陽能電池制造過程也就完成了。在光照下將太陽能電池正、負極連上導(dǎo)線，就有電流通過了。器件太陽能電池片的工作電壓只有0.4-0.5V，而且由于制作太陽能電池的硅片的尺寸通常是固定的，使得單個太陽能電池片的功率很小，遠不能滿足很多用電設(shè)備對電壓、功率要求，因此需要根據(jù)要求將一些太陽能電池片進行串、并聯(lián)。此外，太陽能電池片機械強度很小，很容易破碎。太陽能電池若是直接暴露制作大氣中，水分和一些氣體會對電池片產(chǎn)生腐蝕和氧化，時間長了甚至?xí)闺姌O生銹或脫落，而且還可能會受到酸雨、灰塵等的影響，這使得太陽能電池片需要與大氣隔絕。因此，太陽能電池片需要封裝成太陽能電池組件。封裝太陽能電池組件的封裝即是將太陽能電池片的正面和背面各用一層透明、耐老化、勃結(jié)性好的熱熔型EVA膠膜包封；用透光率高且耐沖擊的低鐵鋼化玻璃做上蓋板，用耐濕抗酸的聚氟乙烯復(fù)合膜(TPT)或玻璃等其它材料做背板，

通過相關(guān)工藝使EVA膠膜將電池片、上蓋板和背板薪合為一個整體，從而構(gòu)成一個實用的太陽能電池發(fā)電器件，即太陽能電池組件或光伏組件，俗稱太陽能電池板。近些年，隨著國內(nèi)外光伏建筑一體化(BIPV)的推廣，各組件封裝廠商紛紛推出雙面玻璃太陽能電池組件。與普通組件結(jié)構(gòu)相比，雙面玻璃組件用玻璃代替TPE(或TPT)作為組件背板材料，其結(jié)構(gòu)如圖3.14所示。這種組件有美觀、透光的優(yōu)點，在光伏建筑上應(yīng)用非常廣泛，如：太陽能智能窗，太陽能涼亭和光伏建筑頂棚、光伏幕墻等等。與建筑結(jié)合是太陽能光電發(fā)展的一大趨勢。因此，預(yù)計雙面玻璃組件商業(yè)市場會進一步擴大。封裝太陽能電池組件的封裝即是將太陽能電池片的正面和背面各用一層透明、耐老化、勃結(jié)性好的熱熔型EVA膠膜包封；用透光率高且耐沖擊的低鐵鋼化玻璃做上蓋板，用耐濕抗酸的聚氟乙烯復(fù)合膜(TPT)或玻璃等其它材料做背板，通過相關(guān)工藝使EVA膠膜將電池片、上蓋板和背板薪合為一個整體，從而構(gòu)成一個實用的太陽能電池發(fā)電器件，即太陽能電池組件或光伏組件，俗稱太陽能電池板。近些年，隨著國內(nèi)外光伏建筑一體化(BIPV)的推廣，各組件封裝廠商紛紛推出雙面玻璃太陽能電池組件。與普通組件結(jié)構(gòu)相比，雙面玻璃組件用玻璃代替TPE(或TPT)作為組件背板材料，其結(jié)構(gòu)如圖3.14所示。這種組件有美觀、透光的優(yōu)點，在光伏建筑上應(yīng)用非常廣泛，如：太陽能智能窗，太陽能涼亭和光伏建筑頂棚、光伏幕墻等等。與建筑結(jié)合是太陽能光電發(fā)展的一大趨勢。因此，預(yù)計雙面玻璃組件商業(yè)市場會進一步擴大。太陽能電池組件的制造過程主要有以下一些步驟：激光劃片~串焊(將電池片焊接成串)~手工焊(焊接匯流條)-層疊(玻璃-EVA-電池-EVA-TPT/TPE/玻璃)-中測-層壓-固化-裝邊框(雙玻組件沒有鋁框，則不需要此步驟)、接線盒-終測。光伏系統(tǒng)

太陽能電池片封裝成太陽能電池組件后，仍然不能直接用來發(fā)電，因為太陽能電池有著自身的一些特點：在光線良好的白天發(fā)電多，陰天發(fā)電少，夜晚或無光照時不發(fā)電，因此需要把白天產(chǎn)生的電能儲存下來，而在不發(fā)電的時候?qū)㈦娔茚尫懦鰜?，這樣又可能需要控制器或其它輔助設(shè)備。這樣，能直接發(fā)電使用的太陽能電池的應(yīng)用產(chǎn)品就叫光伏系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)由以下三部分組成：太陽能電池組件(陣列)：充放電控制器、逆變器、測試儀表和計算機監(jiān)控等電力電子設(shè)備：蓄電池或其它蓄能和輔助發(fā)電設(shè)備。相對于其它發(fā)電形式，光伏系統(tǒng)具有以下特點：(l)基本上無噪聲；(2)不產(chǎn)生廢氣，不排放廢水；(3)沒有燃燒過程，不需要燃料；(4)維修保養(yǎng)簡單，維護費用低；(5)可靠性、穩(wěn)定性良好；(6)太陽能電池板組件為光伏系統(tǒng)核心部件，使用壽命很長，晶體硅太陽能電池壽命可達到25年以上；光伏系統(tǒng)應(yīng)用光伏系統(tǒng)的規(guī)?？缍群艽?，小到0.3~2W的太陽能草坪燈，大到MW級的光伏電站。其應(yīng)用形式也多種多樣，在無電缺電地區(qū)供電、交通、通信、國防、軍事、太空航天器、微波中繼站、家用電、水泵、小型玩具、裝飾和等諸多領(lǐng)域都能得到廣泛的應(yīng)用。盡管規(guī)模和形式繁雜，但其工作原理和組成結(jié)構(gòu)基本相同，光伏系統(tǒng)所包含的主要部件有：(1)光伏組件方陣：由光伏組件按照系統(tǒng)需求串、并聯(lián)而成，在光照時將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，是光伏系統(tǒng)的核心部件。(2)蓄電池：當(dāng)光伏組件產(chǎn)生的電能大于負載所需電能時，將光伏組件產(chǎn)生的電能儲存起來；當(dāng)在光照不足或夜晚時，或是負載所需電能大于光伏組件所發(fā)的電量時，將儲存的電能釋放以滿足負載的電量需求，是光伏系統(tǒng)的儲能件。目前光伏系統(tǒng)常用的是鉛酸蓄電池。(3)控制器：對蓄電池的充、放電條件加以規(guī)定和控制，并按照負載的電量需求控制光伏組件和蓄電池對負載的電能輸出，是光伏系統(tǒng)的核心控制部件。(4)逆變器：如果需要對交流負載供電，那么就要使用逆變器將太陽能電池組件產(chǎn)生的直流電或者蓄電池釋放的直流電轉(zhuǎn)化為負載所需的交流電。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本工作原理就是在光照下，光伏組件產(chǎn)生的電能直接給負載供電，若有多余的電能，則輸送給蓄電池進行充電，如果在日照不足的時候或者在夜間則由蓄電池給負載供電，對于含有交流負載的光伏系統(tǒng)而言，還需要增加逆變器，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電。光伏系統(tǒng)的應(yīng)用具有多種形式，一般將光伏系統(tǒng)分為獨立系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。并網(wǎng)系統(tǒng)

并網(wǎng)系統(tǒng)(grid-eonneetedsystem)示意圖如圖3.17所示，它最大的特點就是不采用蓄電池作為電能儲存設(shè)備，而是用將光伏組件所發(fā)的電力接入了公共電網(wǎng)。即光伏組件產(chǎn)生的電力除了供給交流負載外，多余的部分輸送給電網(wǎng)；而光伏組件不產(chǎn)生電力或者其電力不足以供給負載時，則由公共電網(wǎng)為負載供電。因為省掉了蓄電池充放電的過程，便更充分地利用了光伏組件的電力，減小了能量損耗，降低了系統(tǒng)成本。最初的并網(wǎng)系統(tǒng)是安裝在私家房的屋頂上，目前并網(wǎng)系統(tǒng)的安裝逐漸擴展到任何種類的建筑(如：公寓樓、學(xué)校以及農(nóng)業(yè)和工業(yè)廠房)。另外，并網(wǎng)系統(tǒng)也應(yīng)用到越來越多的其它機構(gòu)上(如高速公路隔音屏障和火車站臺頂)。獨立系統(tǒng)

獨立系統(tǒng)(stand一alonesystem)示意圖如圖3.18所示。獨立系統(tǒng)因為沒有并網(wǎng)，一般都需要有蓄電池，在零負載或低負載時，光伏組件的過剩電能為蓄電池充電，而在無光照或弱光照時，蓄電池放電以供應(yīng)負載。充電控制器能對充/放過程進行管理以保證蓄電池的長壽命。在必需的時候，也要用逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。在遠離電網(wǎng)的偏僻地帶或經(jīng)常無人問津的特殊用電點，如山區(qū)、燈塔、航標等，獨立系統(tǒng)是最有效的選擇；其成本能與電網(wǎng)連接其它供電途徑的成本相競爭。此外，獨立系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛：通信基站、交通燈、水泵、節(jié)能燈、收音機、計算器、裝飾品等等?；旌舷到y(tǒng)混合系統(tǒng)(hybridsystem)示意圖如圖3.19所示。在混合系統(tǒng)中，除了使用太陽能電池組件陣列外，還使用了其它發(fā)電設(shè)備作為備用電源。使用混合系統(tǒng)供電的目的就是為了綜合利用各種發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點，避免各自的缺點。其普遍的備用電源為風(fēng)力發(fā)電機或柴油發(fā)電機，光伏組件與水力發(fā)電機結(jié)合的混合系統(tǒng)則一般比較少見。風(fēng)光混合系統(tǒng)更多用在北緯地區(qū)，夏天陽光充足，由太陽能電池組件供電，冬季光照減弱而風(fēng)力充足，則由風(fēng)力渦輪機供電。在這種系統(tǒng)中，兩個控制器分別控制太陽能電池組件和風(fēng)力發(fā)電機的系統(tǒng)更為普遍。在風(fēng)能潛力很大的海岸或丘陵地區(qū)，風(fēng)光混合系統(tǒng)也得到了較多的應(yīng)用。除了風(fēng)力發(fā)電機外，混合系統(tǒng)也可以使用燃油發(fā)電機作為備用電源，獨立系統(tǒng)有對天氣的依賴程度很大的缺點，綜合使用柴油發(fā)電機和光伏組件的混合系統(tǒng)與單一能源的獨立系統(tǒng)相比所提供的能源對天氣的依賴性要小得多。很多在偏遠無電地區(qū)的通信電源和民航導(dǎo)航設(shè)備電源，因為對電源的要求很高，都采用混合系統(tǒng)供電，以求達到最好的性價比。我國新疆、云南建設(shè)的很多鄉(xiāng)村光伏電站就是采用光柴混合系統(tǒng)。多晶體硅太陽能電池多晶硅太陽能電池的主要優(yōu)勢是降低成本。由于單晶硅太陽能電池需要高純硅材料，其材料成本占電池總成本的一半以上。相比之下，多晶硅電池材料制備方法簡單、耗能少，可連續(xù)化生產(chǎn)。但多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率較低，目前僅為18％左右。多晶硅太陽能電池與單晶硅太陽能電池的不同之處在于電池的表面存在多種界面，與單晶硅的<100>晶面相比，得到理想的絨面結(jié)構(gòu)比較困難，因此要有多種形式的減反射處理。因此要有多種形式的減反射處理。多晶硅太陽能電池板由厚度350~450μm的高質(zhì)量硅片組成，圖3-18展示了這一過程。改良西門子法西門子法是以HCl（或Cl2）和冶金級工業(yè)硅為原料，在高溫下合成為SiHCl3，然后對SiHCl3進行化學(xué)精制提純，接著對SiHCl3進行多級精餾，使其純度達標，最后在還原爐中1050℃的芯硅上用超高純的氫氣對SiHCl3進行還原而生長成高純多晶硅棒。流態(tài)床反應(yīng)法硅烷法非晶硅太陽能電池非晶硅太陽能電池的優(yōu)勢是硅資源消耗少、生產(chǎn)成本低，近年來發(fā)展迅速。非晶硅對太陽光的吸收系數(shù)大，因此非晶硅太陽能電池可以做得很薄，膜厚度通常為1~2μｍ，僅為單晶硅和多晶硅電池厚度的1/500。非晶硅中原子排列缺少結(jié)晶硅中的規(guī)則性，往往在單純的非晶硅p-n結(jié)構(gòu)中存在缺陷，隧道電流占主導(dǎo)地位，無法制備太陽能電池。因此要在p層和n層中間加入本征層i，形成p-i-n結(jié)，改善了穩(wěn)定性和提高了效率，同時扼制了隧道電流。如果制成p-i-n／p-i-n／p-i-n的多層結(jié)構(gòu)便形成疊層結(jié)構(gòu)，在提高非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和可靠性方面，疊層太陽能電池是一個重要的發(fā)展方向。①提高轉(zhuǎn)換效率；②提高可靠性；③開發(fā)批量生產(chǎn)技術(shù)當(dāng)入射光通過p+層后進入i層，產(chǎn)生e-h對時，光生載流子一旦產(chǎn)生便被p-n結(jié)內(nèi)建電場分開，空穴漂移到p邊，電子漂移到n邊，形成光生電流IL和光生電動勢UL。UL與內(nèi)建電勢Ub反向。當(dāng)||UL||=||Ub||達到平衡時，IL=0，UL達到最大值，稱之為開路電壓Uoc。當(dāng)外電路接通時，則形成最大光電流，稱之為短路電流Isc，此時UL=0。當(dāng)外電路中加入負載時，則維持某一光電壓UL和光電流IL。非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率表示為η=JmUm/Pi=FFJscUoc/Pi式中Jm、Um——電池在最大輸出功率下工作的電流密度和電壓；Pi——光入射到電池上的總功率密度；Jsc——短路電流密度；FF——電池的填充因子。由上式可見，F(xiàn)F=JmUm/（JscUoc）。電池效率的高低由FF、Uoc和Jsc決定。目前常規(guī)的疊層電池結(jié)構(gòu)為α-Si/α-SiGe、α-Si/α-Si/α-SiGe、α-Si/α-SiGe/α-SiGe、α-SiC/α-Si/α-SiGe等。制備疊層電池，在生長本征α-Si：H材料時，在SiH4中分別混入甲烷(CH4)或鍺烷(GeH4)，就可制備出寬帶隙的本征α-SiC：H和窄帶隙的本征α-SiGe：H。調(diào)節(jié)CH4和GeH4對SiH4的流量比可連續(xù)改變Eg。通常把這些不同帶隙的摻雜非晶硅材料稱為非晶硅基合金。非晶硅太陽能電池的材料非晶硅基合金半導(dǎo)體材料的電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)及其他參數(shù)依賴于制備條件，因此性能重復(fù)性較差，結(jié)構(gòu)也十分復(fù)雜。大量的實驗證實，實際的非晶硅基半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)既不像理想的無規(guī)網(wǎng)絡(luò)模型，也不像理想的微晶模型，而是含有一定量的結(jié)構(gòu)缺陷，如懸掛鍵、斷鍵、空洞等。這些缺陷有很強的補償作用，使α-Si材料沒有雜質(zhì)敏感效應(yīng)，因此盡管對α-Si的研究早在20世紀60年代即已開始，但很長時間未付諸應(yīng)用。α-Si：H材料用Ｈ補償了懸掛鍵等缺陷態(tài)，實現(xiàn)了對非晶硅基材料的摻雜，非晶硅材料應(yīng)用開始了新時代。α-Si：H材料在結(jié)構(gòu)上是一種共價無規(guī)網(wǎng)絡(luò)，沒有周期性排列的約束，所以其光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)不同于晶體硅材料。典型的α-Si：H能帶結(jié)構(gòu)見圖3-26，圖中EC、EV為遷移率邊；E>EC，E<EV為擴展態(tài)；EA<E<EC為導(dǎo)帶尾；EV<E<EB為價帶尾；EF為費米能級；NE為能級密度。由圖3-26看出，其能帶結(jié)構(gòu)除了存在類似于晶體硅半導(dǎo)體導(dǎo)帶和價帶的擴展態(tài)外，還存在著帶尾定域態(tài)和帶隙中缺陷定域態(tài)。這些定域態(tài)起陷阱和復(fù)合中心作用，它們對非晶硅半導(dǎo)體的電學(xué)和光學(xué)性能具有決定性影響。在電學(xué)性質(zhì)上最明顯的特征是非晶硅中電子和空穴的遷移率比晶體硅小得多。一般電子遷移率μn約為1cm2V-1S-1，空穴遷移率μn約為0.1cm2V-1S-1。在光學(xué)特性方面，由于非晶硅半導(dǎo)體不具有長程有序性，電子躍遷過程中不再受準動量守恒定則限制，因此，可以更有效地吸收光子。一般在太陽光譜可見光波長范圍內(nèi)，非晶硅的吸收系數(shù)比晶體硅要大將近一個數(shù)量級，其本征吸收系數(shù)高達105cm-1。而且非晶硅太陽能電池光譜響應(yīng)的峰值與太陽光譜峰值接近。這就是非晶硅材料首先被應(yīng)用于太陽能電池的一個重要原因。由于非晶硅材料的本征吸收系數(shù)很大(約105cm-1)，因此，非晶硅太陽能電池的厚度小于1μm就能充分吸收太陽光能。這個厚度不足α-Si電池的1/100，可以明顯節(jié)省昂貴的半導(dǎo)體材料，這是非晶硅材料在光伏應(yīng)用中的又一顯著特點?；衔锇雽?dǎo)體太