物理化學(xué)研究方法1省名師優(yōu)質(zhì)課賽課獲獎?wù)n件市賽課一等獎?wù)n件

什么是物理化學(xué)化學(xué)是研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、分子間相互作用及其原子或原子團重新組合規(guī)律性等方面一門學(xué)科。物理化學(xué)是依據(jù)物理現(xiàn)象和化學(xué)現(xiàn)象之間相互聯(lián)絡(luò)來研究物質(zhì)改變規(guī)律一門學(xué)科。物理現(xiàn)象化學(xué)反應(yīng)（力、熱、光、電）物理化學(xué)聯(lián)絡(luò)第1頁物理化學(xué)目標和內(nèi)容物理化學(xué)

從研究化學(xué)現(xiàn)象和物理現(xiàn)象之間相互聯(lián)絡(luò)入手，借助數(shù)學(xué)和物理學(xué)理論從而探求化學(xué)改變中含有普遍性包含宏觀到微觀基本規(guī)律（平衡規(guī)律和速率規(guī)律）。在試驗方法上主要采取物理學(xué)中方法。作為化學(xué)理論基礎(chǔ)，物理化學(xué)主要由化學(xué)熱力學(xué)、統(tǒng)計熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)四大支柱組成。第2頁物理化學(xué)目標和內(nèi)容研究內(nèi)容：(1)化學(xué)熱力學(xué)研究化學(xué)改變過程（包含相變過程）能量轉(zhuǎn)換及化學(xué)改變方向和程度問題（分析有沒有可能）；(2)化學(xué)動力學(xué)研究化學(xué)反應(yīng)速率和機理問題及影響速率原因（分析能否實現(xiàn)）；(3)物質(zhì)結(jié)構(gòu)物質(zhì)性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)之間關(guān)系問題（分析其內(nèi)在原因）第3頁物理化學(xué)研究方法

物理化學(xué)是自然科學(xué)中一個獨立分支，所以普通科學(xué)研究方法對物理化學(xué)也是適用。但因為它研究對象特殊性，還有其特殊研究方法，這些方法是建立在理論物理方法基礎(chǔ)之上，如：1.熱力學(xué)方法2.統(tǒng)計力學(xué)方法3.量子力學(xué)方法4.動力學(xué)方法歸納：從個別到普通。演繹：從普通推論到個別。第4頁熱力學(xué)方法是宏觀方法，其研究對象是由眾多質(zhì)點組成宏觀體系，它以熱力學(xué)三大定律為基礎(chǔ)，用一系列體系宏觀性質(zhì)（熱力學(xué)函數(shù)）及其變量描述體系從始態(tài)到終態(tài)宏觀改變，而不包括改變細節(jié)和速率。經(jīng)典熱力學(xué)方法只適合用于平衡體系。第5頁熱力學(xué)第一定律在能量轉(zhuǎn)化過程中,能量既不被毀滅,也不會被產(chǎn)生,只能從一個形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€形式,且不一樣形式能量在相互轉(zhuǎn)化時永遠是數(shù)量相當(dāng)。熱力學(xué)可逆過程不一樣于可逆化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)可逆過程是科學(xué)抽象,實際中不存在,但其含有主要理論意義,且有些實際過程可近似視為能夠以可逆方式實現(xiàn)。

第6頁太陽能利用包括技術(shù)問題很多，但依據(jù)太陽能特點，含有共性技術(shù)主要有四項，即太陽能采集、太陽能轉(zhuǎn)換、太陽能貯存和太陽能傳輸，將這些技術(shù)與其它相關(guān)技術(shù)結(jié)合在一起，便能進行太陽能實際利用---光熱利用、光電利用和光化學(xué)利用。太陽能利用第7頁熱力學(xué)第二定律和第三定律熱力學(xué)第二定律是描述熱量傳遞方向。分子有規(guī)則運動機械能能夠完全轉(zhuǎn)化為分子無規(guī)則運動熱能；熱能卻不能完全轉(zhuǎn)化為機械能?！安豢赡苁挂粋€物體冷卻到絕對溫度零度?！边@就是熱力學(xué)第三定律。第8頁低熵經(jīng)濟“熵”原為一物理學(xué)概念，指“可用能量消耗”，或某一系統(tǒng)中存在一定單位“無效能量總和”與“不能再被轉(zhuǎn)化做功能量總和測定單位”。20世紀70年代，日本物理學(xué)家槌田敦將描述轉(zhuǎn)化方向“熵增加原理”引入對社會經(jīng)濟系統(tǒng)研究。熵理論已在經(jīng)濟學(xué)界得到廣泛認同和接收。在內(nèi)涵“可連續(xù)發(fā)展”意蘊方面，低熵化發(fā)展模式與熵理論含有內(nèi)在一致性。在低熵化發(fā)展模式逐步取代傳統(tǒng)發(fā)展模式過程中，一味追求高速度和高增加傳統(tǒng)GDP，必定讓位于考慮資源和環(huán)境原因“綠色GDP”和關(guān)照人自由與發(fā)展“人文GDP”。第9頁楊振宇翁帆:我們已經(jīng)慢慢學(xué)會觀賞彼此

楊振寧：討論結(jié)婚時，我跟翁帆說，未來我不在了，我贊成你再結(jié)婚。她說：“我當(dāng)然不會，你怎么能夠這么講！”但我話是有哲理。人生非常復(fù)雜，沒有絕正確對與不對。我告訴她，贊成你未來再結(jié)婚，是年紀大楊振寧講；年紀輕楊振寧，希望你不再結(jié)婚。第10頁統(tǒng)計力學(xué)方法

它主要是利用微觀研究伎倆，把統(tǒng)計描述與量子力學(xué)原理結(jié)合起來，用概率規(guī)律計算出體系內(nèi)部大量質(zhì)點微觀運動平均結(jié)果，從而解釋宏觀現(xiàn)象并能計算一些熱力學(xué)性質(zhì)。第11頁量子力學(xué)方法

用量子力學(xué)基本方程（E.Schrodinger方程）求解組成體系微觀粒子之間相互作用及其規(guī)律，從而揭示物性與結(jié)構(gòu)之間關(guān)系。第12頁物理化學(xué)意義及其在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中作用同其它化學(xué)二級學(xué)科（無機、分析、有機等）相比，物理化學(xué)則著重研究更含有普遍性、更本質(zhì)化學(xué)現(xiàn)象內(nèi)在規(guī)律性。其它學(xué)科在處理詳細問題時，在很大程度上經(jīng)常利用物理化學(xué)方法，所以物理化學(xué)是整個化學(xué)學(xué)科理論基礎(chǔ)。

中學(xué)化學(xué)包括物理化學(xué)內(nèi)容：吸熱反應(yīng)，放熱反應(yīng)，可逆反應(yīng)，化學(xué)平衡，CO2變干冰，食鹽加入水中使冰點降低，電解質(zhì)導(dǎo)電，石墨轉(zhuǎn)變金剛石，催化劑,金屬防腐,肥皂洗滌作用等等。第13頁近代化學(xué)發(fā)展趨勢和特點(1)從宏觀到微觀(2)從體相到表相(3)從定性到定量(4)從單一學(xué)科到交叉學(xué)科(5)從研究平衡態(tài)到研究非平衡態(tài)第14頁化學(xué)學(xué)科發(fā)展趨勢單用宏觀研究方法是不夠，只有深入到微觀，研究分子、原子層次運動規(guī)律，才能掌握化學(xué)改變本質(zhì)和結(jié)構(gòu)與物性關(guān)系。(1)從宏觀到微觀第15頁化學(xué)學(xué)科發(fā)展趨勢在多相體系中，化學(xué)反應(yīng)總是在表相上進行，伴隨測試伎倆進步，人們迫切希望了解表相反應(yīng)實際過程，這也深入推進了表面化學(xué)和多相催化發(fā)展。(2)從體相到表相第16頁化學(xué)學(xué)科發(fā)展趨勢伴隨計算機技術(shù)飛速發(fā)展，大大縮短了數(shù)據(jù)處理時間，并可進行人工模擬和自動統(tǒng)計，使許多以前只能做定性研究課題現(xiàn)在可進行定量監(jiān)測。(3)從定性到定量第17頁化學(xué)學(xué)科發(fā)展趨勢化學(xué)學(xué)科與其它學(xué)科以及化學(xué)內(nèi)部更深入相互滲透、相互結(jié)合，形成了許多極具生命力交叉科學(xué)，如生物化學(xué)、海洋化學(xué)、地球化學(xué)、天體化學(xué)、計算化學(xué)、金屬有機化學(xué)、物理有機化學(xué)等。(4)從單一學(xué)科到交叉學(xué)科第18頁化學(xué)學(xué)科發(fā)展趨勢經(jīng)典熱力學(xué)只研究平衡態(tài)和封閉體系或孤立體系，然而對處于非平衡態(tài)開放體系研究更含有實際意義，自1960年以來，逐步形成了非平衡態(tài)熱力學(xué)這個學(xué)科分支。(5)從研究平衡態(tài)到研究非平衡態(tài)第19頁諾貝爾物理獎取得者中華人楊振寧57年李政道57年丁肇中76年朱棣文97年崔琦98年第20頁對待教育要少一些干預(yù)，多一點敬畏民國38年間，全國共有25萬人取得大學(xué)畢業(yè)證書，平均一年不足7000人；而年我國一年畢業(yè)大學(xué)生人數(shù)到達559萬，大約是民國時期培養(yǎng)規(guī)模800倍。新中國成立60年來，中國高等教育改變翻天覆地。然而，越來越多人開始發(fā)出這么疑問：民國時期是一個大師輩出年代，而現(xiàn)在為何培養(yǎng)不出像楊振寧、李政道、錢學(xué)森這么拔尖創(chuàng)新人才？

錢學(xué)森認為：“現(xiàn)在中國沒有完全發(fā)展起來，一個主要原因是沒有一所大學(xué)能夠按照培養(yǎng)科學(xué)技術(shù)創(chuàng)造創(chuàng)造人才模式去辦學(xué)，沒有自己獨特創(chuàng)新東西，老是‘冒’不出出色人才?！钡?1頁在英國北部偏遠地域有個郡，一名女生畢業(yè)考試成績到達全A，是當(dāng)?shù)囟嗄陙淼谝粋€有資格上牛津大學(xué)學(xué)生。當(dāng)?shù)毓賳T都很關(guān)注，希望她進入牛津。然而，牛津大學(xué)教授在對該女生面試后認為，這個學(xué)生不具備牛津大學(xué)要求創(chuàng)新能力，只會死讀書，拒絕錄用。當(dāng)?shù)毓賳T找到教育大臣，請他出面說情，希望給予破格錄用。在被牛津大學(xué)拒絕之后，教育大臣又找到副首相前往求情，還是遭到拒絕。副首相只好請布萊爾首相出面疏通，但牛津大學(xué)表示，教授委員會面試結(jié)論和決定，任何人都不能推翻。布萊爾今后埋怨牛津大學(xué)太古板了，應(yīng)該改革。牛津大學(xué)師生得知后，極為憤慨，學(xué)校馬上取消了授予布萊爾榮譽博士學(xué)位原定計劃，并對政府行政干預(yù)學(xué)校事務(wù)這一嚴重事件提出抗議對待教育要少一些干預(yù)，多一點敬畏第22頁

燃料電池電化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)與動力學(xué)

“可逆”電池：須從熱力學(xué)意義上可逆概念來了解，有兩層含義：1.化學(xué)（物質(zhì)）可逆性：電極反應(yīng)物質(zhì)在充、放電過程可逆；2.能量可逆性：即熱力學(xué)可逆過程，為反應(yīng)速度趨于零時準靜態(tài)過程。第23頁組成可逆電池條件:

一、化學(xué)可逆性放電（原電池）和充電（電解池）過程中，在兩極上反應(yīng)完全可逆，總電池反應(yīng)也可逆。第24頁Lookingatthisfromanequilibriumpointofview

Supposeyouhaveapieceofmagnesiuminabeakerofwater.Therewillbesometendencyforthemagnesiumatomstoshedelectronsandgointosolutionasmagnesiumions.Theelectronswillbeleftbehindonthemagnesium.第25頁Adynamicequilibriumwillbeestablishedwhentherateatwhichionsareleavingthesurfaceisexactlyequaltotherateatwhichtheyarejoiningitagain.

第26頁Atthatpointtherewillbeaconstantnegativechargeonthemagnesium,andaconstantnumberofmagnesiumionspresentinthesolutionaroundit.

第27頁Copperislessreactiveandsoformsitsionslessreadily.Anyionswhichdobreakawayaremorelikelytoreclaimtheirelectronsandstickbackontothemetalagain.Youwillstillreachanequilibriumposition,buttherewillbelesschargeonthemetal,andfewerionsinsolution.

第28頁Asthehydrogengasflowsovertheporousplatinum,anequilibriumissetupbetweenhydrogenmoleculesandhydrogenionsinsolution.Thereactioniscatalysedbytheplatinum.standardhydrogenelectrode第29頁Thestandardhydrogenelectrodeisattachedtotheelectrodesystemyouareinvestigating-forexample,apieceofmagnesiuminasolutioncontainingmagnesiumions.第30頁Magnesiumhasamuchgreatertendencytoformitsionsthanhydrogendoes.Thepositionofthemagnesiumequilibriumwillbewelltotheleftofthatofthehydrogenequilibrium.Thatmeansthattherewillbeamuchgreaterbuild-upofelectronsonthepieceofmagnesiumthanontheplatinum.第31頁Whatifyoureplacethemagnesiumhalfcellbyacopperone?第32頁例1）鉛蓄電池：放電：

）Pb：Pb+SO42

PbSO4+2e+）PbO2：PbO2+SO42

+4H++2e

PbSO4+2H2O

總反應(yīng)：Pb+PbO2+2H2SO4

2PbSO4+2H2O

充電：陰）Pb：PbSO4+2e

Pb+SO42

陽）PbO2：PbSO4+2H2O

PbO2+SO42

+4H++2e總反應(yīng)：2PbSO4+

2H2O

Pb+PbO2+2H2SO4

電極反應(yīng)、總反應(yīng)完全化學(xué)可逆。第33頁例2）丹尼爾電池：

E

E外，放電：

）Zn

2e

Zn2++）Cu2++2e

Cu總反應(yīng)：Zn+Cu2+

Zn2++CuE外

E，充電：陰）Zn2++2e

Zn陽）Cu

2e

Cu2+總反應(yīng)：Zn2++Cu

Zn+Cu2+電極反應(yīng)、總反應(yīng)完全化學(xué)可逆。第34頁例3）

充電:(

Zn:陰極)2H++2e

H2(Cu:陽極)Cu

2e

Cu2+總反應(yīng)：Cu+2H+

Cu2++H2

電極反應(yīng)、總反應(yīng)均不可逆

—

化學(xué)不可逆，此電池必定為不可逆電池。放電：

）Zn

2e

Zn2++）2H++2e

H2

總反應(yīng)：Zn

+

2H+

Zn2++H2

第35頁即使電極反應(yīng)可逆，但電解液內(nèi)部離子運動不可逆，所以，仍為不可逆電池。放電時：Zn2+

向右遷移；充電時：

Cu2+向左遷移。因為液接電勢:第36頁若采取鹽橋法可消除液接電勢，近似地看成可逆電池。但嚴格地說：雙液電池必定有液接電勢，熱力學(xué)不可逆。所以說丹尼爾電池不是可逆電池。前面介紹幾個電池中，只有鉛蓄電池在i

0時為可逆電池。第37頁例4）氫氧電池：燃料電池（PEMFC)

）H2

2e

2H+

+）1/2O2+2H++2e

H2O總反應(yīng)：H2+1/2O2

H2O電解水：陰極）2H++2e

2H2

陽極）H2O-2e

1/2O2+2H+

總反應(yīng)：H2O

H2+1/2O2

電極反應(yīng)、總反應(yīng)完全化學(xué)可逆。第38頁二、能量轉(zhuǎn)化可逆

可逆電池反應(yīng)不但要求化學(xué)反應(yīng)可逆，而且要求電極反應(yīng)熱力學(xué)可逆

準靜態(tài)過程：即包含充電、放電過程都是在靠近平衡狀態(tài)下進行。電池放電（或充電）電流密度：

i

0第39頁此時，作為電池放電它能作出最大有用功（電功）：i

0作為電解池充電：它所消耗外界電能最?。?/p>

第40頁這么：將電池放電時所放出能量全部儲存起來，用這些能量給放電后電池充電，就恰好可使體系（電池裝置）和環(huán)境都回復(fù)到原來狀態(tài)。若充、放電過程電流

i

較大，則為熱力學(xué)不可逆過程，此時：

放電過程：

充電過程：第41頁要使體系（即電池）回復(fù)到原來狀態(tài)，即使充電過程自由能增量

GT,P(充電)等于放電過程自由能下降量GT,P(放電):顯然：W外>Wf

放電過程：充電過程：第42頁進行這么一個（體系回復(fù)原狀）循環(huán)后，環(huán)境所作功大于體系（電池）對環(huán)境所作功；即環(huán)境不能回復(fù)到原來狀態(tài)。所以此時過程能量不可逆。W外>Wf第43頁例：燃料（可燃性反應(yīng)物）電池，298K

時反應(yīng)

H2(g)+?O2(g)=H2O(l)

f

00-285.84kJ/mol

Gf

00-237.19kJ/mol(電池反應(yīng)可逆電功)第44頁化學(xué)燃燒反應(yīng)熱效應(yīng)：可逆電池?zé)嵝剩?/p>

=237.19

/

285.84

83%該可逆電池電動勢E=1.23V但實際工作狀態(tài)(有電流工作時)：

E

=0.7

0.9V（也受溫度和壓力影響）第45頁

所以燃料電池?zé)嵝剩?/p>

電=50%

60%而可逆熱機（550

C過熱蒸氣）：但實際熱機（不可逆循環(huán)）

遠低于可逆熱機：

30%第46頁

若用熱機發(fā)電，

20%所以電池?zé)嵝?/p>

電

熱機效率

第47頁電池?zé)嵝孰m高，但電池輸出能量密度較?。簹溲蹼姵?/p>

E

=0.7

0.9V所以研制高輸出能電池是一個很有意義研究方向。缺點：第48頁電化學(xué)

因為電流i

0，電極電極電勢

偏離

i

0

平衡時電極電勢

平現(xiàn)象稱為極化現(xiàn)象：電解池分解電壓E分解最少包含三種作用必須考慮：

（i

0）

平（i=0）極化現(xiàn)象：

第49頁1）可逆電池電動勢E可逆；2）電解質(zhì)溶液、導(dǎo)線和接觸點等電阻電勢降IR；3）陰極、陽極兩極上電極極化引發(fā)

E不可逆。即：E分解=E可逆+I

R+

E不可逆第50頁E分解

E可逆1.電解池電解

第51頁第52頁第53頁E不可逆

=E可逆2.原電池放電

第54頁電極過程：電極過程在電池反應(yīng)中是串聯(lián)進行，彼此獨立而能夠分別研究。電極過程包含：電極上電化學(xué)過程；電極表面附近薄液層傳質(zhì)及化學(xué)過程。第55頁電極過程基本歷程：1.反應(yīng)粒子向電極表面擴散；2.反應(yīng)粒子在電極表面上（或表面附近薄液層中）進行“反應(yīng)前轉(zhuǎn)化過程”，如脫水、表面吸附、先行化學(xué)反應(yīng)等；3.電極

/

溶液界面上電子傳遞（電化學(xué)步驟）；4.反應(yīng)產(chǎn)物在電極表面（或表面附近薄液層中）進行

“反應(yīng)后轉(zhuǎn)化過程”，如表面脫附、復(fù)合反應(yīng)、分解、歧化等后續(xù)化學(xué)反應(yīng)；5.

產(chǎn)物形成新相（如生成氣泡或固相積沉），并向溶液（或電極內(nèi)部）擴散。

第56頁1.氫在不一樣金屬上超電勢

1905年，Tafel經(jīng)驗式：

=a+bl

n

i其中：a

,b

為常數(shù)，i

為電流密度

(A/cm2)；a

為i

=1(A/cm2)時超電勢，a與電極材料、電極表面狀態(tài)、溶液組成、溫度相關(guān)；對于大多數(shù)金屬，b

0.05

V（為一常數(shù)）第57頁第58頁2.氫離子陰極還原機理

氫離子電極過程基本歷程：

1）H+向電極表面擴散；2）H+吸附到電極表面：H+

H+吸3）H+在電極表面放電并脫附：H+吸+e?H吸

H吸+H++e?

H2

（電化學(xué)脫附）

或：H吸+H吸=H2

（復(fù)合脫附）

4）H2從電極擴散到溶液內(nèi)或成氣泡逸出。第59頁一、太陽能熱應(yīng)用

太陽能熱利用，是將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，實現(xiàn)這個目標器件叫“集熱器”。比如“太陽灶”；“太陽熱水器”；“太陽能干燥器”等等。太陽能熱利用是可再生能源技術(shù)領(lǐng)域商業(yè)化程度最高、推廣應(yīng)用最普遍技術(shù)之一。1998年世界太陽能熱水器總保有量約5400萬平方米。日本有2O％家庭使用太陽能熱水器，以色列有80％家庭使用太陽能熱水器。第60頁太陽能熱利用主要是以下方面：1．太陽能空調(diào)降溫太陽能制冷及在空調(diào)降溫研究工作重點是尋找高效吸收和蒸發(fā)材料，優(yōu)化系統(tǒng)熱特征，建立數(shù)學(xué)模型和計算機程序，研究新型制冷循環(huán)等。2．太陽能熱發(fā)電太陽能熱發(fā)電是利用集熱器將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能并經(jīng)過熱力循環(huán)過程進行發(fā)電，是太陽能熱利用主要方面。第61頁

3．太陽房太陽房是直接利用太陽輻射能主要方面。經(jīng)過建筑設(shè)計把高效隔熱材料、透光材料、儲能材料等有機地集成在一起，使房屋盡可能多地吸收并保留太陽能，到達房屋采暖目標。太陽房能夠節(jié)約75％～90％能耗，并含有良好環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，成為各國太陽能利用技術(shù)主要方面。被動式太陽房平均每平方米建筑面積每年可節(jié)約2O～4O千克標準煤，用于蔬菜和花卉種植太陽能溫室在中國北方地域較多采取。全國太陽能溫室面積總計約700萬畝，發(fā)揮著很好經(jīng)濟效益。我國在相關(guān)透光隔熱材料、帶涂層控光玻璃、節(jié)能窗等沒有商業(yè)化，使太陽房水平受到限制。第62頁4．熱利用其它方面太陽灶:我國當(dāng)前大約有15萬臺太陽灶在使用中。太陽灶表面能夠加涂一層光譜選擇性材料，如二氧化硅之類透明涂料，以改變陽光吸收與發(fā)射，最普通反光鏡為鍍銀或鍍鋁玻璃鏡，也有鋁拋光鏡面和滌綸薄膜鍍鋁材料等。提升太陽灶效率。每個太陽灶每年可節(jié)約300千克標準煤。太陽能干燥:是熱利用一個方面。當(dāng)前我國已經(jīng)安裝了有1000多套太陽能干燥系統(tǒng)，總面積約2萬平方米。主要用于谷物、木材、蔬菜、中草藥于燥等。第63頁二、太陽光-熱轉(zhuǎn)換及其材料材料科學(xué)與工程是技術(shù)創(chuàng)新基礎(chǔ)。太陽光—熱轉(zhuǎn)換材料與工程，如用于太陽集熱器選擇性吸收涂層（表面），用于建筑幕墻玻璃和交通工具選擇性透、反射薄膜材料和電致變色薄膜材料與器件，用于集熱器含有太陽光譜高透射比硼硅玻璃，聚碳酸酯制成蜂窩結(jié)構(gòu)，以及貯能材料等，推進了太陽光—熱轉(zhuǎn)換技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展。第64頁1.太陽光譜選擇性吸收涂層（表面）

含有高太陽吸收比和低發(fā)射比涂層（表面），稱為太陽（光譜）選擇性吸收涂層。當(dāng)前，它已經(jīng)有上百種涂層材料與工藝，而從機理上能夠?qū)⑵浞譃榱?，實際選擇性吸收涂層往往包含其中二至三類。應(yīng)用最廣泛選擇性吸收涂層為三層結(jié)構(gòu)，即由底層、中層和表層組成。貼近襯底底層為紅外高反射即低發(fā)射比金屬層，如金、銀、銅、鋁、鎳等；中層為吸收層，是由若干金屬一介質(zhì)復(fù)合薄膜次層組成，金屬粒子尺寸、形狀及其占該次層體積比決定了該次層光學(xué)常數(shù)，靠近金屬底層吸收次層含有強吸收，表層為減反層，該層含有低折射率n（n＜1.9＝及低消光系數(shù)（k＜0.25），或是增加對太陽光捕捉微不平表面層。這么光譜選擇性吸收涂層含有優(yōu)異光譜選擇性，即高太陽吸收比，低發(fā)射。

第65頁2.選擇性透、反射薄膜材料

選擇性透、反射薄膜能夠分為三種基本類型，主要應(yīng)用于建筑幕墻鍍膜玻璃、汽車等交通工具。陽光控制膜經(jīng)過增加吸收與反射可顯著降低太陽輻射經(jīng)過玻璃窗，同時能保持室內(nèi)充分光線。這類膜系含有良好耐磨性與化學(xué)穩(wěn)定性，可用于單層玻璃窗，適合在氣溫較高地域使用。氧化物薄膜不一樣厚度能夠取得藍色、銀色、古銅色和金色等絢麗色彩。不一樣厚度金屬膜能夠取得不一樣透射比與反射比。第66頁3.電致變色薄膜與器件

因為太陽輻射、溫度或電場作用使薄膜光學(xué)性能發(fā)生改變，分別稱為光致變色、熱致變色或電致變色在電場作用下，薄膜顏色發(fā)生改變稱為電致變色。這種改變是可逆與持久，當(dāng)開路時薄膜含有記憶性，需要改變光學(xué)性能時只要施加一次直流低電壓，因而能量消耗很低。從過渡金屬氧化物中可能找到最有希望電致變色材料。變色機理是在電變色薄膜材料中進入與退出小直徑離子可逆過程。電致變色膜主要集中在WO3與NiO。用于窗戶，起到節(jié)能與取得舒適生活環(huán)境。第67頁4.透明隔熱材料（TIM）

采取厚5cm聚碳酸酯透明隔熱材料（TIM）建成一幢太陽房和一幢對照房。夏季，百葉簾反射了約0.80太陽短波能量，室內(nèi)低于對照房內(nèi)氣溫約3℃。冬季，比一樣條件對照房溫度約高5℃。

我國在太陽光、熱轉(zhuǎn)換材料研究、開發(fā)和生產(chǎn)上有較大進展，尤其是用于真空太陽集熱管單靶磁控濺射太陽選擇性吸收涂層已大批量生產(chǎn)，在國際上也享受盛譽。第68頁三．太陽能光電轉(zhuǎn)換

太陽能光電轉(zhuǎn)換是指太陽輻射能光子經(jīng)過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苓^程，通常叫做“光生伏打效應(yīng)”，太陽電池就是利用這種效應(yīng)制成。當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體上時，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半導(dǎo)體吸收或透過。被吸收光，當(dāng)然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導(dǎo)體原子價電子碰撞，于是產(chǎn)生電子—空穴對。這么，光能就以產(chǎn)生電子—空穴正確形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?、假如半?dǎo)體內(nèi)存在p—n結(jié)，在n區(qū)與p區(qū)之間薄層產(chǎn)生所謂光生伏打電動勢。若分別在P型層和n型層焊上金屬引線，接通負載，則外電路便有電流經(jīng)過。如此形成一個個電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能產(chǎn)生一定電壓和電流輸出功率。第69頁建筑光伏集成系統(tǒng)既適合用于居民住宅，也適用商業(yè)、工業(yè)和公共建筑，高速公路音障等，既可集成到屋頂，也可集成到外墻上；既可集成到新設(shè)計建筑上，也可集成到現(xiàn)有建筑上。光伏建筑集成近年來發(fā)展很炔，許多國家相繼制訂了本國光伏屋頂計劃。建筑本身能耗占世界總能耗1／3，是未來太陽能光伏發(fā)電最大市場。光伏系統(tǒng)和建筑結(jié)合將根本改變太陽能光伏發(fā)電在世界能源中隸屬地位，前景光明。第70頁以材料區(qū)分，太陽電池有晶硅電池，非晶硅薄膜電池，銅鋼硒（CIS）電池，碲化鎘（CdTe）電池，砷化稼電池等，而以晶硅電池為主導(dǎo)。因為硅是地球上儲量第二大元素，作為半導(dǎo)體材料，人們對它研究得最多、技術(shù)最成熟，而且晶硅性能穩(wěn)定、無毒，所以成為太陽電池研究開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用中主體材料。人們首先使用高純硅制造太陽電池（即單晶硅太陽電池）。因為材料昂貴，這種太陽電池成本過高，早期多用于空間技術(shù)作為特殊電源，供人造衛(wèi)星使用。七十年代開始，把硅太陽電池轉(zhuǎn)向地面應(yīng)用。采取廢次單晶硅或較純冶金硅專門生產(chǎn)太陽能級硅材料，以及利用多晶硅生產(chǎn)硅太陽電池，均能大幅度降低造價。近年來，非晶硅太陽電池研制快速發(fā)展。第71頁1、單晶硅太陽電池

單晶硅材料制造要經(jīng)過以下過程：石英砂---冶金級硅---提純和精煉---沉積多晶硅錠---單晶硅---硅片切割。

硅主要以SiO2形式存在于石英和砂子中。它制備主要是在電弧爐中用碳還原石英砂而成。該過程能量消耗很高，約為14kwh／kg，所以硅生產(chǎn)通常在水電過剩地方（挪威，加拿大等地）進行。這么被還原出來硅純度約98％一99％，稱為冶金級硅。當(dāng)前全世界冶金級硅產(chǎn)量約為50萬噸／年。第72頁2．太陽級硅

一個當(dāng)前制造太陽級硅主要方法是使用精煉冶金級硅，采取電子束加熱真空抽除法去除磷雜質(zhì)，然后凝固，再采取等離子體氧化法去除硼及碳，再凝固。采取水蒸氣混合冠等離子體可將硼含量降到0·lppm水平，經(jīng)過再凝固降低硅中金屬雜質(zhì)。用此太陽級硅