能源转换与储存材料

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1、第五章能源转换与储存材料教学重点：太阳能电池工作原理热电转换原理及应用金属氢化物和储氢合金类型及储氢原理7/21/20211能源转换与储存材料：以满足新能源（可再生能源）的获取、利用为目的材料。20世纪70年代的石油危机——触发新能源材料的研究持续的能源、环境压力——推动新能源材料发展发展概况：重要的新能源(可再生能源)：太阳能、风能、地热、潮汐、核能7/21/20212获取一次能源：光电转换装置及相关材料热电转换装置及相关材料风力发电机材料核能利用装置及相关材料能源的储存、输送与利用：二次能源形

2、式——电能、氢能、化学能二次能源储存、输送与利用——电池、燃料电池、氢气、化学物质7/21/20213光电转换与太阳能电池材料热电转换材料储氢材料7/21/20214太阳能电池：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的大阳能电池；4、纳米晶化学太阳能电池等。7/21/20215硅太阳能电池硅太阳能电池原理硅太阳能电池材料7/21/20216半导体主要结构：本征半导体本征激发和复合的过程N型半导体P型半导体7/21/20217PN结的形成

3、内电场：对多数载流子的扩散运动起阻挡作用；对少数载流子运动起推动作用(漂移运动)。内电场7/21/20218PN结的单向导电性PN结加正向电压时导通加正向电压(外、内电场的方向相反)P区的空穴进入空间电荷区抵消部分负电荷；N区的自由电子进入空间电荷区抵消部分正电荷空间电荷区变窄，内电场被削弱多数载流子的扩散运动增强形成较大的扩散电流（由P区流向N区的正向电流）外电场愈强，正向电流愈大，PN结呈现的电阻很低，即PN结处于导通状态7/21/20219PN结加反向电压时截止加反向电压(外、内电场的方向一致

4、)空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走内电场增强，多数载流子的扩散运动难于进行加强了少数载流子的漂移运动，形成由N区流向P区的反向电流少数载流子数量很少，反向电流不大，PN结的反向电阻很高，即PN结处于截止状态。7/21/202110光生伏特效应在光的照射下，半导体p-n结的两端产生电位差的现象。太阳能电池利用太阳光直接发电的光电半导体薄片,只要一照到光,瞬间就可输出电压及电流，称为太阳能光电池(Solarcell)，简称为太阳能电池。7/21/202111太阳能电池原理：太阳能半导体晶片空穴电子N型

5、区P型区晶片受光照时空穴往P型区移动，电子往N型区移动N区P区内电场7/21/202112晶片受光后电子从N区负电极流出负电空穴从P区正电极流出正电7/21/202113太阳能电池构造示意图7/21/2021147/21/202115材料要求：1、能充分利用太阳能辐射，即半导体材料的禁带不能太宽；2、有较高的光电转换效率；3、材料本身对环境不造成污染；4、材料便于工业化生产，性能稳定且经济。半导体(Si、GaAs等)表面涂层电极等太阳能电池材料包括7/21/2021161、硅半导体材料：单晶硅太阳能

6、电池转换效率14％～15％成本较高多晶硅太阳能电池转换效率10％～12％非晶硅太阳能电池转换效率7％～9％7/21/2021172、保护涂层（涂敷于硅膜表面）作用：⑴降低膜对光的反射，提高转换效率；⑵保护膜以减少腐蚀等破坏，保护涂层应有的良好的透光性。类型金属氧化物：RuO2、钌和钛的混合氧化物、锡和铟的混合氧化物导电聚合物：聚苯胺、聚乙炔7/21/202118硅太阳能电池的生产流程太阳能电池材料的制备7/21/202119高频离子镀装置在真空中用电子束轰击固态硅使之蒸发，将其引到等离子区使其离子化

7、，被离子化的硅离子在衬底和蒸发源之间所加电压的作用下加速向衬底沉积，在衬底上形成非晶硅膜。1、非晶硅的制备7/21/2021202、多晶硅的制备异种衬底接触结晶法原理图将硅熔融后注入石英制的流槽中，使里侧涂敷碳膜的陶瓷衬底与熔融硅液接触，同时使衬底移动，在衬底上形成0.1～0.2mm厚的硅多晶膜。7/21/202121p-n结的形成方法：必须对单晶硅、非晶硅、多晶硅进行掺杂以形成p-n结产成光生伏特效应。掺杂方法:⑴涂敷扩散法：在硅膜上涂敷含有形成p-n结所需的杂质元素和硅酸的有机溶剂，干燥后装入炉

8、中加热到一定温度使杂质元素扩散到硅膜之中。⑵离子注入法：将硅膜作为衬底，杂质元素离子化后，用高压对其进行加速，使离子有很高的能量能够注入硅膜内。7/21/202122纳米晶化学太阳能电池纳米TiO2晶体化学能太阳能电池电池主要包括：镀有透明导电膜的玻璃基底染料敏化的半导体材料对电极电解质等7/21/202123负电极：染料敏化半导体薄膜（TiO2膜）正电极：镀铂的导电玻璃电解质：I3-/I-7/21/202124优点：成本廉价、工艺简单及性能稳定。其光电效率稳定在10