能質(zhì)轉(zhuǎn)換

眾所周知愛因斯坦提出了質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量質(zhì)能方程，那么能量也可以在一定條件下轉(zhuǎn)化為質(zhì)量。我相信有一天可以實(shí)現(xiàn)，而且可能有極其重要的意義。2100433B

波能轉(zhuǎn)換裝置，將波浪能收集起來并轉(zhuǎn)換成電能或其他形式能量的裝置。按設(shè)置地點(diǎn)，分岸式、漂浮式；按其能量中間轉(zhuǎn)換形式，分直接機(jī)械傳動(dòng)、低壓水力傳動(dòng)、高壓液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)。由于波能能量密度低，不穩(wěn)定，該裝置一般要配置集能、增速、蓄能等環(huán)節(jié)，對(duì)抗海水腐蝕、抗風(fēng)暴能力、貯能能力和能量轉(zhuǎn)換率方面要求較高。

太陽能轉(zhuǎn)換材料綜述

電能是一種高品位能量，利用、傳輸和分配都比較方便，也是現(xiàn)代生活中不可或缺的一種能量。將太陽能轉(zhuǎn)換為電能是大規(guī)模利用太陽能的重要技術(shù)基礎(chǔ)，世界各國都十分重視。

國外技術(shù)研究趨于成熟并初具產(chǎn)業(yè)化的是“光伏-建筑（照明）一體化”技術(shù)，而國內(nèi)主要研究生產(chǎn)適用于無電地區(qū)家庭照明用的小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)。其轉(zhuǎn)換途徑很多，有光電直接轉(zhuǎn)換，光熱電間接轉(zhuǎn)換等。

太陽能轉(zhuǎn)換材料無機(jī)半導(dǎo)體

一、硅材料

1、非晶硅(a-Si)

非晶硅用作薄膜太陽能電池起始于 20 世紀(jì) 70年代。 1976 年,卡爾松等[7] 利用非晶硅制備了薄膜太陽能電池,其小面積樣品轉(zhuǎn)換效率為 2. 4% 。 隨后,非晶硅薄膜太陽能電池得到了迅速發(fā)展。非晶硅薄膜太陽能電池通常為 P-I -N 偶及型式,如圖1所示,P 層和 N 層主要作為建立內(nèi)部電場(chǎng),I 層則由非晶硅構(gòu)成。

非晶硅用作薄膜太陽能電池光電轉(zhuǎn)換材料具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)高光吸收能力,其吸光頻率范圍為 1. 1-1. 7 eV,因此,I 層厚度通常小于 0. 5 μm,相對(duì)其他材料(如 GaAs) 小得多;

(2) 相對(duì)于單晶硅,非晶硅薄膜太陽能電池制造工藝簡(jiǎn)單,能耗少;

(3)可實(shí)現(xiàn)大面積、連續(xù)化生產(chǎn);

(4)可做成疊層結(jié)構(gòu),提高效率。 非晶硅薄膜材料的制備早期主要采用硅烷氣體的輝光放電分解、濺射、光-化學(xué)氣相沉積等方法。 為了提高沉積速度,采用超高頻法、等離子增強(qiáng) CVD 法、微波法和微波電子回旋共振 CVD 法等。

2、多晶硅(poly-Si)

為解決非晶硅薄膜太陽能電池的不足,人們采用多晶硅薄膜代替 a-SiGe 作為底部電池的材料提高硅基薄膜太陽能電池的性能。圖2是具有多層結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。

多晶硅用作薄膜太陽能電池光電轉(zhuǎn)換材料具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)在長(zhǎng)波段具有高光敏性,對(duì)可見光能有效吸收,又具有與晶體硅一樣的光照穩(wěn)定性,是公認(rèn)的高效、低耗的光伏器件材料;

(2)無光致衰退效應(yīng),效率比非晶硅要高,而成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池。

多晶硅薄膜的制備方法很多,按成膜過程可分為兩類 :

一類是先制備非晶態(tài)材料,再固相晶化為多晶硅,即固相晶化法,它是利用硅烷等原料氣體,在PECVD 設(shè)備中沉積 a-Si 薄膜,再通過熱處理將 a-Si薄膜轉(zhuǎn)化為多晶硅薄膜;

另一類是直接在襯底上沉積多晶硅薄膜,包括等離子體增強(qiáng)法、熱絲法和低氣壓法等。

二、多元化合物材料

1、碲化鎘(CdTe)

CdTe 作為光電轉(zhuǎn)換材料用于太陽能電池始于20 世紀(jì) 70 年代,在單晶 CdTe 上蒸發(fā) CdS 薄膜所制備的電池 轉(zhuǎn)換效率達(dá) 到10% 。 其后, Yamayushi等在 CdTe 單晶上外延沉積 CdS,得到效率 12% 的太陽能電池。

CdTe 屬于 II-VI 族化合物,具有以下特點(diǎn):

(1)CdTe 帶隙為 1. 5 eV,與太陽光譜很匹配,屬于直接躍遷型,對(duì)可見光的吸收系數(shù)大于 10⁵/cm,厚度 1 滋m的薄膜足以吸收大于 CdTe 禁帶能量的輻射能量的99% ;

(2)在 500益 時(shí)為穩(wěn)定的固相,高溫下生成的CdTe 略富 Te,Cd 空位使其成為本征 P 型,作為吸收層,光生載流子正好是遷移率較高的電子;

(3) CdTe或 Cd 和 Te 均可作為制備 CdTe 薄膜的原料,高純度CdTe 薄膜比較容易制備;

(4)CdTe 鍵離子性強(qiáng),導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性好,性能不易退化。 CdTe 薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

CdTe 多晶薄膜的制備方法有多種。 其中,電沉積、噴涂熱分解、濺射等三種方法比較成功。

2、銅銦鎵硒(CIGS)

自 1974 年 Bell 實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出單晶 CuInSe₂以來,CuInSe₂ 材料引起了光伏界的關(guān)注。 CuIn_1-x Gax Se₂(CIGS)是一種 I-III-VI 族三元化合物半導(dǎo)體材料,具有黃銅礦相結(jié)構(gòu),是 CuInSe₂ 和 CuGaSe₂ 的混晶半導(dǎo)體。圖4是 CIGS 薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。

CIGS 作為光電轉(zhuǎn)換材料制備薄膜太陽能電池具有顯著優(yōu)點(diǎn):

(1)通過變化 Ga 的含量,可使半導(dǎo)體的禁帶寬度在 1. 04-1. 65 eV 變化,適合于調(diào)整和優(yōu)化禁帶寬度;

(2) CIGS 的光吸收系數(shù)達(dá)到 105/cm,是一種直接帶隙的半導(dǎo)體材料,最適合薄膜化;

(3)CIGS 可在玻璃基板上形成缺陷少、晶粒大的高品質(zhì)結(jié)晶;

(4)轉(zhuǎn)換效率高,薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄始終由 CIGS 保持;

(5) 電池的壽命長(zhǎng)。CIGS 沒有光致衰退效應(yīng),且在外太空具有良好的抗幅射損傷能力和極高的穩(wěn)定性。

太陽能轉(zhuǎn)換材料有機(jī)材料

自 1977 年導(dǎo)電聚乙炔( PA) 被發(fā)現(xiàn)以來,有機(jī)太陽能電池受到了科學(xué)家極大關(guān)注。

以聚乙炔薄膜為電池材料的研究十分活躍,尤其是近年來研究開發(fā)的導(dǎo)電聚合物為人類提供了新的制備廉價(jià)太陽能電池的材料,使人們看到了新的希望。 有機(jī)太陽能電池材料主要是含有大共軛結(jié)構(gòu)的有機(jī)小分子苝類、有機(jī)染料分子及含有染料分子的聚合物、過渡金屬配合物等。 從材料角度考慮,包括有機(jī)材料、有機(jī)染料/ 無機(jī)材料、有機(jī)染料/ 有機(jī)染料、有機(jī)染料/ 聚合物材料等多種。 其中,以有機(jī)染料/ 無機(jī)材料雜化的研究最為深入和卓有成效。

1991 年,瑞士 Gratzel 教授以納米多孔 TiO₂為半導(dǎo)體電極,以 Ru 絡(luò)合物作敏化染料,并選用 I2/ I3氧化還原電解質(zhì),制出了一種新型薄膜太陽電池,其光電轉(zhuǎn)換效率為 7. 1% ,不同于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體光伏發(fā)電原理,它是借助于染料作為吸光材料,染料中的價(jià)電子受光激發(fā)躍遷到高能態(tài),進(jìn)而傳導(dǎo)到納米多孔TiO₂ 半導(dǎo)體電極上,經(jīng)由電路引至外部。 失去電子的染料則經(jīng)由電池中的電解質(zhì)獲得電子。圖5是染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)組成。

敏化染料直接影響到電池對(duì)光子的吸收和轉(zhuǎn)換效率,要求具備以下條件 :

(1)與 TiO₂納米晶半導(dǎo)體電極表面具有良好的結(jié)合性能,能夠快速達(dá)到吸附平衡,而且不易脫落;

(2)在可見光區(qū)有較強(qiáng)的、盡可能寬的吸收帶;

(3)染料的氧化態(tài)和激發(fā)態(tài)的穩(wěn)定性高,且具有盡可能高的可逆轉(zhuǎn)換能力;

(4) 激發(fā)態(tài)壽命足夠長(zhǎng),且具有很高的電荷傳輸效率;

(5) 有適當(dāng)?shù)难趸€原電勢(shì)以保證染料激發(fā)態(tài)電子注入到 TiO₂導(dǎo)帶中;

(6)敏化染料分子應(yīng)含有達(dá) 仔 鍵、高度共軛、并且具有強(qiáng)的給電子基團(tuán)。

納米 TiO2薄膜電極的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)電池的光電轉(zhuǎn)換效率有較大的影響。 所使用的納米 TiO₂粒徑多在 100 nm 以下。

常用的制備方法有溶膠凝膠法、水熱反應(yīng)法、濺射法、醇鹽水解法、模板組裝法和等離子噴涂法等。

太陽能轉(zhuǎn)換材料設(shè)備

太陽電池

太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。只要被光照到，太陽能板瞬間就可輸出電壓及電流。

太陽能電池發(fā)電是根據(jù)愛因斯坦的光電效應(yīng)而運(yùn)用于日常生活。光電效應(yīng)是指金屬表面在光輻射作用下發(fā)射電子的效應(yīng)，可以引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。愛因斯坦光電效應(yīng)方程：

原理

太陽能電池是一種可以將能量轉(zhuǎn)換的光電元件，其基本構(gòu)造是運(yùn)用P型與N型半導(dǎo)體接合而成的。當(dāng)太陽光照射時(shí)，光能將硅原子中的電子激發(fā)出來，而產(chǎn)生光電子和空穴的對(duì)流，分別被N型及P型半導(dǎo)體吸引，而聚集在兩端。此時(shí)外部如果用電極連接起來，即形成一個(gè)回路。

生產(chǎn)步驟

硅料—硅碇—切割—硅片—多晶硅芯片—太陽能電池板

太陽能電池轉(zhuǎn)換效率

世界上太陽電池的實(shí)驗(yàn)室效率最高水平為：

單晶硅電池24%（4cm²），

多晶硅電池18.6% （4cm²），

InGap/GaAs雙結(jié)電池30.28%（AM1），

非晶硅電池14.5%（初始），12.8%（穩(wěn)定），

碲化鎘電池15.8%，硅帶電池14.6%，

二氧化鈦有機(jī)納米電池10.96%。

太陽能轉(zhuǎn)換材料綜述

太陽能光熱應(yīng)用無疑是人類利用太陽能最簡(jiǎn)單、最直接的有效途徑。然而由于太陽光到達(dá)地球后能量密度較小而又不連續(xù)，給大規(guī)模開發(fā)利用帶來困難。這就要求人們想辦法盡量把低品位的太陽能轉(zhuǎn)換成高品位的熱能，對(duì)太陽能起到富集作用，以便最大限度地加以利用。在一系列眾所周知的光熱應(yīng)用技術(shù)中，選擇性吸收涂層技術(shù)是其中的核心技術(shù)，對(duì)于提高太陽能的熱轉(zhuǎn)換效率，大規(guī)模推廣太陽能光熱應(yīng)用起著至關(guān)重要的作用。

太陽能轉(zhuǎn)換材料組成材料

首先它必須是一種復(fù)合材料，即由太陽光輻射的吸收和紅外光譜的反射兩部分材料組成。輻射的吸收是指輻射通過物質(zhì)時(shí)，其中某些頻率的輻射被組成物質(zhì)的粒子(原子、離子或分子等)選擇性地吸收，從而使輻射強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象。其吸收的實(shí)質(zhì)，在于吸收使物質(zhì)粒子發(fā)生由低能級(jí)(一般為基態(tài))向高能級(jí)(激發(fā)態(tài))的躍遷。在太陽光譜區(qū)，波長(zhǎng)在0.3～2．5μm的太陽輻射強(qiáng)度最大，因此對(duì)該光譜區(qū)的光量子吸收是關(guān)鍵。所以材質(zhì)中只有存在與波長(zhǎng)0.3～2.5μm光子的能量相對(duì)應(yīng)的能級(jí)躍遷，才具有好的選擇吸收性。

一般來說，金屬、金屬氧化物、金屬硫化物和半導(dǎo)體等發(fā)色體粒子的電子躍遷能級(jí)與可見光譜區(qū)的光子能量較為匹配，是制備太陽能選擇性涂層吸收層的主要材料，如黑鉻(CrxO )、黑鎳(NiS-ZnS)、氧化銅黑(CuO )和氧化鐵(FeO )等。而作為吸收材料基材的紅外反射層一般采用紅外反射率較高的材料，如銅、鋁等金屬，以獲得較低的紅外發(fā)射率，達(dá)到減少自身輻射熱損的目的。

太陽能轉(zhuǎn)換材料分類

選擇性吸收涂層有各種不同的分類方法。通?？砂次赵砗屯繉訕?gòu)造不同進(jìn)行分類，如本征半導(dǎo)體型、干涉型、漸變型等。為了介紹方便，本文按涂層技術(shù)發(fā)展過程中制備方法的不同進(jìn)行分類，大致如下：

(1)涂料涂層：由粘結(jié)劑和金屬氧化物顆粒組成，制備方法一般采用涂刷和噴涂的方法。

(2)電化學(xué)涂層：包括電鍍法和陽極氧化法。

電鍍法：常用的電鍍涂層主要有黑鎳涂層、黑鉻涂層、黑鈷涂層等，均具有良好的光學(xué)性能。

陽極氧化法：常用的電化學(xué)涂層有鋁陽極氧化涂層和鋼的陽極氧化涂層等。

(3)真空鍍膜涂層利用真空蒸發(fā)和磁控濺射技術(shù)制取，如磁控濺射得到的AIN涂層和NiCrO涂層，以及電子束蒸發(fā)的TiNO 等新型材料。

太陽能轉(zhuǎn)換材料設(shè)備

太陽輻射的能流密度低，在利用太陽能時(shí)為了獲得足夠的能量，或者足夠的熱量達(dá)到一定溫度，必須采用一定的技術(shù)和裝置（如集熱器）對(duì)太陽能進(jìn)行采集。

太陽能集熱器是吸收太陽輻射能并向物質(zhì)（水或空氣）傳遞熱量的裝置，是太陽能熱水器最主要的組成部分，其性能與成本對(duì)太陽能熱水器的優(yōu)劣起著決定性的作用。

太陽能集熱器主要有平板型集熱器、真空管集熱器、聚光集熱器三種。

1、平板型集熱器

平板集熱器是17世紀(jì)后期發(fā)明的，但直到1960年以后才真正進(jìn)行深入研究和規(guī)?；瘧?yīng)用。在太陽能低溫利用領(lǐng)域，平板集熱器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)比聚光集熱器要好。

2、真空管集熱器

真空集熱器大體可分為：全玻璃真空集熱管，玻璃-U型管真空集熱管，玻璃-金屬熱管真空集熱管，直通式真空集熱管和儲(chǔ)熱式真空集熱管。

3、聚光集熱器

聚光集熱器主要由聚光器，吸收器和跟蹤系統(tǒng)三大部分組成。

這種集熱器，可以隨著太陽光線的移動(dòng)而移動(dòng)。聚光板的材料是從現(xiàn)有的光學(xué)樹脂中進(jìn)行重整后找到的高效經(jīng)濟(jì)的復(fù)合材料，價(jià)格適中，材料易購，易于成型。

最關(guān)鍵的是，聚光板可將平行光聚集到一條線上，使得集熱板芯能吸收到更多的太陽能?！斑@是通過對(duì)“菲涅爾線焦透鏡”的特殊處理，將太陽能的溫度提高數(shù)十倍?！?

優(yōu)點(diǎn)

1、聚光型平板太陽能集熱器是金屬管板式結(jié)構(gòu)，產(chǎn)熱水量大，可承壓，耐空曬，水在金屬管內(nèi)加熱，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，免維護(hù)，15年壽命。

2、電鍍黑鉻，電泳漆鋁合金邊框，性能好且外形美觀。規(guī)格：1×2平方米，無云晴天產(chǎn)60℃熱水量：80－140kg/平方米。高吸收率：≥95%，低發(fā)射率：≤8%，日平均熱效率≥64%。

3、性價(jià)比更高。與普通平板相比內(nèi)部多設(shè)計(jì)一個(gè)聚光槽來吸收熱量，熱吸收率是普通平板的1.5倍。