太陽能利用與薄膜材料

第一章太陽能及其應(yīng)用

1.1太陽能的基本知識

太陽是一個由熾熱氣體構(gòu)成的球體，主要組成是氫和氦，其中氫占80%左右，氦占19%左右,太陽能是指太陽內(nèi)部進行著由氫聚變成氦的原子核反應(yīng)，不停地釋放出巨大的能量，不斷地向宇宙空間輻射能量。太陽內(nèi)部的這種核聚變反應(yīng)可以維持很長時間，據(jù)估計約有幾十億至幾百億年，相對于人類的有限生存時間而言，太陽能可以說是取之不盡，用之不竭的。整個太陽每秒鐘釋放出來的能量是無比巨大的，高達3.826×10的33次方爾格或37.3×10的6次方兆焦，相當(dāng)于每秒鐘燃燒1.28億噸標準煤所放出的能量。太陽輻射到達地球陸地表面的能量，大約為17萬億千瓦，僅占到達地球大氣外層表面總輻射量的10%。即使這樣，它也相當(dāng)目前全世界一年內(nèi)能源總消耗量的3.5萬倍。

與我們生活中常見的能源相比太陽能有如下優(yōu)點：

第一，太陽能是人類可以利用的最豐富的能源，總量很大，據(jù)估計，在過去漫長的11億年中，太陽消耗了它本身能量的2%，可以說是取之不盡，用之不竭。我國陸地表面每年接受的太陽能就相當(dāng)于1700億噸標準煤。

第二，地球上，無論何處都有太陽能，可以就地開發(fā)利用，不存在運輸問題，尤其對交通不發(fā)達的農(nóng)村、海島和邊遠地區(qū)更具有利用的價值。

第三，太陽能是一種潔凈的能源，在開發(fā)和利用時，不會產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣，也沒有噪音，更不會影響生態(tài)平衡。

1.2太陽能的利用

太陽能開發(fā)利用是當(dāng)今國際上一大熱點，經(jīng)過最近20多年的努力，太陽能技術(shù)有了長足進步，太陽能利用領(lǐng)域已由生活熱水，建筑采暖等擴展到太陽能發(fā)電，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)許多部門，人們已經(jīng)強烈意識到，一個廣泛利用太陽能和可再生能源的新時代——太陽能時代即將來到。

現(xiàn)在人們利用現(xiàn)代各種先進技術(shù)可以將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀兯�需要的能量。例如�?/p>

太陽能轉(zhuǎn)化為熱能：熱水器、開水器、干燥器，采暖和制冷，溫室與太陽房，太陽灶和高溫爐，海水淡化裝置、水泵、熱力發(fā)電裝置及太陽能醫(yī)療器具等。

太陽能轉(zhuǎn)化為電能：晶體硅太陽能電池、薄膜太陽能電池等。

第二章

2.1太陽能集熱器的分類太陽能集熱器

太陽能集熱器是把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能的設(shè)備，是吸收太陽輻射，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮�，并將它傳給工作介質(zhì)（流體）的一種特殊換熱裝置。在太陽能的熱利用中，關(guān)鍵是將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為熱能。由于太陽能比較分散，必須設(shè)法把它集中起來，所以，集熱器是各種利用太陽能裝置的關(guān)鍵部分。

6.按集熱板使用材料分別為：純銅集熱板、銅鋁復(fù)合集熱板、純鋁集熱板

2.2太陽能集熱器薄膜

無論哪種形式和結(jié)構(gòu)的集熱器，但都要有一個用來吸收太陽輻射的吸收器,吸收器表面熱輻射性能對集熱器的熱性能起著重要作用。太陽能輻射能量主要集中在0.3～3μm的波長范圍，其中95%以上都分布在波長小于2μm的光譜范圍。而對于溫度為幾百K的物體其熱輻射能主要集中在2~5.0μm的紅外波譜范圍。為了提高太陽集熱器的熱效率,我們要求吸收器表面在波長0.3~2.5μm太陽光譜范圍內(nèi)具有較高的吸收比(α)，同時在波長為2.5~5.0μm紅外光譜范圍內(nèi)保持盡可能低的熱發(fā)射比(ε)。換句話說，就是要使吸收表面在最大限度地吸收太陽輻射的同時，盡可能減小其輻射熱損。獲得這種吸收效果的表面的涂層稱為選擇性吸收涂層。顯而易見,該涂層兩個重要的性能參數(shù)α、ε對提高集熱器的熱效率起著至關(guān)重要的作用。因此，研究和應(yīng)用光譜選擇性吸收涂層是太陽能熱利用中的重要

課題。

太陽能選擇性吸收涂層一般都采用多層結(jié)構(gòu)，主要有襯底、吸收層和減反射層或保護層。涂層制備工藝主要有電鍍工藝、電化學(xué)工藝、薄膜工藝（物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積）。

（1)電鍍涂層

黑鉻涂層：黑鉻涂層的吸收比α和發(fā)射比ε分別為0.93~0.97和0.07~0.15，α/ε為6~13，具有優(yōu)良的光譜選擇性。黑鉻涂層的熱穩(wěn)定性和抗高溫性能也很好，適用于高溫條件，在300℃能長期穩(wěn)定工作。此外，黑鉻涂層還具有較好的耐候性和耐蝕性。但是，現(xiàn)在采用的電鍍黑鉻工藝，電流密度大(15~200A/dm2)，溶液導(dǎo)電性差，電鍍時會產(chǎn)生大量的焦耳熱，需要冷卻和通風(fēng)排氣才能維持正常生產(chǎn)。另外，黑鉻鍍在非銅件上，需要先預(yù)鍍銅，再鍍光亮鎳，最后鍍黑鉻，生產(chǎn)成本較高。

黑鎳涂層：黑鎳涂層的吸收比α可達0.93~0.96，熱發(fā)射比ε為0.08~0.15，α/ε接近6~12，其吸收性能較好。黑鎳涂層很薄，為了提高涂層與基體的結(jié)合力和耐蝕性，常采用中間涂層(如Ni，Cu，Cd)或雙層鎳涂層。由于黑鎳涂層的熱穩(wěn)定性、耐蝕性較差，通常只適用于低溫太陽能熱利用。

黑鈷涂層：黑鈷涂層的主要成分是CoS，具有蜂窩型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其吸收比α可達0.94~0.96，發(fā)射比ε為0.12~0.14，α/ε為6.7~8。

(2)電化學(xué)涂層

鋁陽極氧化涂層：鋁及鋁合金的陽極氧化可在硫酸介質(zhì)中進行，但在太陽能熱利用中，主要用磷酸介質(zhì)。鋁氧化涂層著色有多種工藝，其中電解著色工藝獲得的涂層，具有牢固、穩(wěn)定、耐曬優(yōu)良特性，并且可進行大規(guī)模生產(chǎn)。

鋁陽極氧化涂層是一種多孔膜，孔隙率達22%，電解著色時金屬易沉積在微孔中。用于電解著色的金屬鹽類有：鎳鹽、錫鹽、鈷鹽和銅鹽等。

鋁陽極氧化涂層，耐蝕、耐磨和耐光照等性能也相當(dāng)好，在太陽能熱水器中已得到廣泛應(yīng)用。

CuO轉(zhuǎn)化涂層：以陽極氧化法制取的CuO轉(zhuǎn)化涂層，NaOH電解液的濃度為1mol/L，電流密度為2mA/cm2，溫度為50~57℃。涂層的吸收比可達0.88~0.95，法向發(fā)射比為0.15~0.30。這種CuO涂層有一層黑色絨面，保護不好，會導(dǎo)致吸收比的降低。

(3)真空磁控濺射鍍膜

該工藝采用真空磁控濺射鍍膜的方法，獲得多層薄膜，通過多層膜的光學(xué)干涉效應(yīng)獲得選擇性涂層。目前國外公司采用電子束蒸發(fā)的方法將鈦和石英在電子射線槍的作用下汽化，汽化物在加入氮和氧后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氮氧化鈦，最后在金屬（銅）帶上沉積冷凝而成涂層。該膜層生產(chǎn)過程中不會產(chǎn)生污染，且自動化生產(chǎn)程度高。該膜層具有明顯太陽光譜選擇性，吸收率αs=0.91~0.96，ε＜0.1。

多年來人們一直致力于研究開發(fā)性能好、壽命長、工藝簡單、成本低廉的選擇性吸收涂層材料，并取得了豐碩成果。其中包括金屬氧化物、硫化物、碳化物、氮化物以及近幾年來出現(xiàn)的金屬陶瓷等諸多復(fù)合材料。制備工藝由簡單的涂復(fù)、金屬氧化處理、化學(xué)轉(zhuǎn)換、電化學(xué)沉積發(fā)展到真空蒸鍍、磁控濺射等近代薄膜物理方法。

第三章

3.1太陽能電池的原理太陽能電池

太陽能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽的輻射光通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件，這種光電轉(zhuǎn)換過程通常叫做“光伏效應(yīng)”，因此太陽能電池又稱為“光伏電池”

太陽能電池的工作原理是基于P-N結(jié)的光伏效應(yīng)：當(dāng)N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體通過適當(dāng)?shù)姆椒ńM合到一起時,在二者的交界處就形成了P-N結(jié)。由于多

數(shù)載流子的擴散，形成了空間電荷區(qū)，并形成一個不斷增強的從n型半導(dǎo)體指向p型半導(dǎo)體的內(nèi)建電場，導(dǎo)致多數(shù)載流子反向漂移。達到平衡后，擴散產(chǎn)生的電流和漂移產(chǎn)生的電流相等。如果光照在p–n結(jié)上，而且光能大于p–n結(jié)的禁帶寬度，則在p–n結(jié)附近將產(chǎn)生電子-空穴對。由于內(nèi)建電場的存在，產(chǎn)生的非平衡電子載流子將向空間電荷區(qū)兩端漂移，產(chǎn)生光生電勢，破壞了原來的平衡。如果將p-n

根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為：硅太陽能電池；化合物太陽能電池，如砷化鎵、硫化鎘、銅銦硒等；功能高分子材料制備的太陽能電池；納米晶太陽能電池等。不論以何種材料來制作電池，對太陽能電池材料一般的要求有：半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬；要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率：材料本身對環(huán)境不造成污染；材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定。基于以上幾個方面考慮，硅是最理想的太陽能電池材料，這也是目前在太陽能電池領(lǐng)域硅太陽能電池占主導(dǎo)地位的主要原因。

1，有關(guān)高效率，低成本晶體硅太陽能電池開發(fā)

硅太陽能電池可分為晶體硅太陽能電池和薄膜硅太陽能電池，晶體硅太陽能電池主要是指單晶硅和多晶硅太陽能電池。規(guī)�；�生產(chǎn)中，單晶硅太陽能電池具有轉(zhuǎn)換效率最高、技術(shù)最為成熟、可靠性高等優(yōu)點。澳大利亞新南威爾士大學(xué)硅太陽電池及硅發(fā)光實驗室副主任趙建華研發(fā)的PERL（鈍化發(fā)射極、背面點擴散）太陽能電池轉(zhuǎn)換效率高達24.7%。

多晶硅太陽能電池的制作工藝與單晶硅太陽能電池相近，但是從制作成本上

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來講，比單晶硅太陽能電池要低得多。多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率相比單晶硅太陽能電池要低。我國尚德太陽能電力將開始量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率18.8％的單晶硅型、17.2％的多晶硅型太陽能電池單元。

2，新型薄膜電池開發(fā)

薄膜太陽能電池是最富前途的下一代太陽能電池技術(shù)，它節(jié)省了硅原料的使用和硅片制造工藝。與目前常見的硅片太陽能電池相比，硅薄膜太陽能電池用硅量僅為前者的1%左右，可使每瓦太陽能電池成本從2.5美元降至1.2美元。此外，這種高科技新產(chǎn)品可與建筑物屋頂、墻體材料如玻璃幕墻融為一體，既可并網(wǎng)發(fā)電又能節(jié)約建筑材料、美化環(huán)境。目前正在研發(fā)中和已有產(chǎn)品出售的薄膜太陽能電池主要有以下幾種：

（1）非晶硅薄膜電池：是薄膜太陽能電池中最成熟的產(chǎn)品之一。由于非晶硅薄膜太陽能電池的成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，普遍受到人們的重視并得到迅速發(fā)展，但由于其光學(xué)帶隙為1.7eV,使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。

（2）多晶硅硅薄膜電池：其轉(zhuǎn)換效率高于非晶硅薄膜太陽能電池，又無效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備，但由于控制薄膜中硅晶粒大小的技術(shù)沒有解決，尚未能制成有實用價值的太陽能電池。

（3）有機染料敏化電池：它是一種光電化學(xué)電池。

（4）銅銦錫（CIS）和銻化鎘（CdTe）：兩種化合物多晶薄膜太陽能電池，中試轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過10％。但是，由于元素鎘的有毒性及其對環(huán)境的污染，這種太陽能電池技術(shù)均不具備長遠的產(chǎn)業(yè)化生命力。

（5）銅-銦-硒（及其合金）電池：據(jù)美國Miasole公司稱，他們研制的樣品轉(zhuǎn)換效率可達19.5％，試銷產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率可達9％。但由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展必然受到限制。

（6）砷化鎵III-V化合物薄膜電池：在250℃的條件下，光電轉(zhuǎn)換性能仍很良好，其最高光電轉(zhuǎn)換效率約30％，且能耐高溫，特別適合做高溫聚光太陽能電池。但生產(chǎn)成本高，產(chǎn)量受限，目前主要作空間電源用。

近年來，另一種新型硅基薄膜材料——納米硅薄膜由于其優(yōu)良的性能引起了人們廣泛的關(guān)注。理論上其最大轉(zhuǎn)換率為44%，如能產(chǎn)業(yè)化，則高于單晶硅電池。

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