新能源材料與器件

緒論-能量概述第1章-能量物理化學第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-電化學能源材料與器件第5章-其他新能源技術第6章-能源經濟緒論

課程內容課程背景新能源概述3.1能源3.2能源發展史3.3常規能源3.4新能源3.5新能源材料與器件的發展二課程背景Background3新能源技術是21實際世界經濟發展中最具決定性影響的五個技術領域之一（信息、生物、新材料、新能源、空間技術），而新能源材料與器件是發展新能源技術和實現新能源利用的關鍵。近年來國際能源發生了重大調整，全球治理體系深刻變革，我國在“十三五”規劃的主要目標中明確指出：“生態環境質量總體改善，生產方式和生活方式綠色，低碳水平提高。”實現這一目標就是要走綠色發展道路，發展新能源被提到了前所未有的國家戰略高度。課程背景Background4戰略新興產業：新能源、新材料、新能源汽車新能源材料能源危機材料發展環境污染資源短缺二Background5新能源技術促進可持續發展推動低碳經濟英國政府發表的《能源白皮書》中，首次提出了“低碳經濟的概念”，低碳經濟概念的提出，引起國際社會的關注，并且逐步形成共識。所謂低碳經濟，就是以低能耗、低污染、低排放為基礎的經濟模式，或者是含碳燃料所排放的二氧化碳顯著降低的經濟。低碳經濟能夠同時實現三個目標。一是解決能源安全問題；二十解決氣候變化和環境污染問題；三十提高國家經濟競爭力和增加就業崗位問題。低碳經濟包含：低碳生產、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展的最重要物質基礎隨著人類發展和社會工業化進程的推進，與人類休戚相關的室友、天然氣和煤等傳統能源日益減少，隨之而來的環境污染日益嚴重，威脅著人類的可持續發展，人類社會要實驗可持續發展戰略，保護自然環境與資源，必須發展新材料和新能源技術。能源的轉化和儲存在充分利用地球資源，實驗人類可持續發展、推動低碳經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。對外依存度持續擴大課程背景二Background9汽車尾氣污染引發了嚴重的社會問題汽車是污染物總量的主要貢獻者，據環境保護部報告顯示，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20%以上。課程背景二Background10傳統能源的使用成為環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——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課程背景面臨任務研發環境友好、清潔高效的洗呢能源材料與器件成為洗呢能源領域的主旋律低碳生活發展清潔可再生能源實現清潔能源的高效利用鋰動力電池組超級電容器風能太陽能二13三能源概述3.1能源1.基本概念能：物質運動轉化的量度，也稱為“能量”。從物理學的觀點看，能量可以簡單地定義為物理系統做功的能力。廣而言之，任何物體都可以轉化為能量，但是轉化的數量、轉化的難易程度是不同的。能源：可以直接或經轉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。關于能源的定義：《科學技術百科全書》：“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、陽光和風的術語，人類用適當的轉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（風能、水能等）、電磁能、熱能、化學能、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、風能、太陽能二次能源，即由一次能源直接或間接轉換而來的能源電、蒸汽、煤氣、氫按循環方式可再生能源，即不會隨它本身的轉化或人類的利用而越來越少風能、生物質能、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、核燃料按環境保護的要求清潔能源綠色能源，如太陽能、氫能、風能、化學能源非清潔能源化石燃料按對被利用的程度常規能源煤、石油、水力、電能新能源太陽能、氫能、地熱能、生物質能、核能15三能源概述能源利用和開發太陽能化石能源風能水能核能地熱能化學能源3.1能源16三能源概述人類社會的發展離不開優質能源的出現和先進能源技術的使用。在當今世界，能源的發展，能源和環境，是全世界、全人類共同關心的問題，也是我國社會經濟發展的重要問題。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:左圖為我國能源結構；右圖為世界能源分布圖3.能源現狀與問題：3.1能源17三能源概述再生能源分布:太陽能占99%以上,風能、地熱能、生物質能等不到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展的能源保證。非水可再生能源（風能、太陽能、地熱能、潮汐能、波浪能、以及生物能）的發電量會從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前世界各國面臨的嚴峻挑戰改善能源結構，實現能源多元化是國家發展的必然選擇!3.1能源19三能源概述能源問題—環境污染利用能源的過程直接污染地球環境。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)工業生產(化工廠、煉焦廠等)過程中產生的廢氣，我國單位GDP能耗是發達國家的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；3)臭氧層破壞。3.1能源20三能源概述3.2能源發展史火的發現和利用；畜力、風力、水力等自然動力的利用；21三能源概述3.2能源發展史化石燃料的開發和熱的利用；電的發現及開發利用；核能等新能源的發現及開發利用22三能源概述3.2能源發展史柴草時期18世紀初葉，即資本主義發展的初期以前為柴草時期。這時人類是以樹葉、雜草等當燃料，用于熟食和取暖，而生產活動主要靠人力、畜力以及一些簡單的水力和風力機械作動力。這段漫長的時期，人類社會的生產和生活處于很低的水平。能源簡史根據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能源發展史煤炭時期從18世紀下初葉產業革命導致了工業大發展，逐步擴大的煤炭利用促進了煤炭工業的發展，使煤炭代替了柴薪成為生產生活的主要燃料；燃煤蒸汽機成為生產的主要動力；煤炭轉換成電力進入社會各個領域成為生產和生活的重要能源之一，電力的應用從根本上改變了人類社會的面貌。24三能源概述3.2能源發展史石油時期19世紀中葉，石油資源的發現，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、清潔和廉價等優點，逐步在工業發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的主力。1973年出現的石油危機，促使人類對能源的開發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、環保、高效和穩定的新能源的探索。25三能源概述3.3常規能源常規能源：在相當長的歷史時期和一定的科學技術水平下，已經被人類長期廣泛利用的能源，不但為人們所熟悉，而且也是當前主要能源和應用范圍很廣的能源，稱之為常規能源，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，經過物理和化學作用而形成的含碳量很高的可燃物質，又稱作原煤。按煤炭的揮發物含量的不同，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，在國民經濟的發展中起著重要作用。煤炭在電源結構中約占72%，在化工生產原料用量中約占50%，在工業鍋爐燃料中約占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和在鋼鐵工業中煉焦，某些國家蒸汽機車用煤的比例也很大。工業煉焦28三能源概述3.3常規能源（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定板塊及其周圍的大陸架地區。在156個較大的盆地內幾乎均有油氣田發現，但分布極不平衡。世界石油儲量分布圖30三能源概述3.3常規能源（2）石油在現代國防方面，新型武器、超音速飛機、導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，可以制成發展石油化工所需的絕大部分基礎原料。可以說石油是國民經濟的“血脈”。海上鉆井油田開發示意圖31三能源概述3.3常規能源（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熱值，對環境的污染也較小，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常規能源（3）天然氣天然氣是蘊藏量豐富，最清潔而便利的優質能源。世界上天然氣資源豐富，據俄羅斯學者預測，世界常規天然氣的總資源量達4×1014-6×1014m3，此外還有大量非常規天然氣資源。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。其中工業消費占44.8%，交通運輸占4.8%，其他行業和生活消費則為50.4%。天然氣市場非常廣闊。世界各地區的天然氣生產/消費圖（2002年，單位：十億m3）34三能源概述3.3常規能源（4）水能水能是自然界廣泛存在的一次能源。它可以通過水力發電站方便地轉換為優質的二次能源—電能。所以通常所說的“水電”既是被廣泛利用的常規能源，又是可再生能源。而且水力發電對環境無污染，因此水能是世界上眾多能源中永不枯竭的優質能源。35三能源概述3.3常規能源（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。據估計，我國河流水能資源的理論蘊藏量為6.76億kW，年發電量為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常規能源（4）水能水資源分布37三能源概述3.3常規能源（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，標志著該電站的建設已全面完成，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。核能發電是一種清潔、高效的能源獲取方式。實現核能的和平利用，就能夠代替化石燃料，目前已生產出各種規格的核反應堆，是核潛艇、核動力破冰船、核電站等設備的核心部件。40三能源概述3.4新能源1.基本概念新能源是相對常規能源而言的，一般指以采用新技術和新材料而獲得的，在新技術基礎上系統開發利用的能源。包括太陽能、生物質能、化學能源、風能、地熱能、海洋能、潮汐能，以及氫能、沼氣、酒精、甲醇等。隨著常規能源的有限性以及環境問題的日益突出，以環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、清潔、分布均衡等特點，必將成為未來可持續能源系統的支柱。新能源產業的發展既是整個能源供應系統的有效補充手段，也是環境治理和生態保護的重要措施，是滿足人類社會可持續發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

太陽能風能生物質能核能化學能源到“十二五”期末，新能源所占比重應該達到12%—13%到2020年，大電網覆蓋地區非水電可再生能源發電在電網總發電量中的比例達到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換效率、成本和使用壽命等系列問題氫能質量輕、傳熱高、清潔和來源廣氫能的制備和貯存距離大規模利用還有一定距離核能已實現對核裂變的控制和利用，但尚未實現可控的核聚變反應清潔能源之一，和平利用核能為全球所關注生物質能綠色能源，科學家們預計將成為未來可持續新能源系統的重要組成部分風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，風力發電是風能利用的主要領域43三能源概述3.4新能源2.新能源分類44三能源概述現有能源網絡3.4新能源45三能源概述3.4新能源電能儲存是當前研究的重點。化學電源（電池）是人們生活中應用廣泛的方便儲能技術，也是高新技術和現代移動通訊的新型能源。性能優越的金屬氰化物-鎳電池、鋰離子電池和燃料電池是21世紀的綠色能源。化學電源儲能的電化學原理、制造技術和發展趨勢是新能源開發的重要組成部分。以風能為例，新能源的利用流程46三能源概述3.4新能源3.先進儲能技術儲能，是指能量轉化為在自然條件下比較穩定的存在形態的過程：自然儲能——光合作用（太陽能轉化為化學能儲存）人為儲能——機械儲能、化學儲能、電磁儲能、水能儲存等儲能技術：在能源開發、轉換、運輸和利用過程中，能量的供應和需求之間往往存在數量上、形態上和時間上的差異。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。47三能源概述3.4新能源儲能技術一般要求:儲能密度大變換損耗小運行費用低維護較容易不污染環境應用最廣最主要的是電能儲存。儲能系統評價指標:儲能密度儲能功率儲能效率儲能價格環境負荷電的儲能技術大致分三類：直接儲存電磁能把電能轉化為化學能儲存把電能轉化為機械能儲存儲能技術將在能源系統、新能源（單個或集成）技術及輸送中發揮重要作用。3.先進儲能技術儲能系統本身并不節約能源，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能的發展。48三能源概述3.5新能源材料與器件的發展1.能源材料的概念及分類

廣義上，凡能源工業及能源利用技術所需的材料都可稱為能源材料。有的學者分為：新能源技術材料－如增殖堆用核材料、太陽能電池材料節能材料－如非晶態金屬磁性，超導材料。儲能材料－如貯氫（吸氫）材料，高比能電池材料。新能源材料：指實現新能源的轉化利用及發展新能源技術中所用的關鍵材料，是發展新能源技術的核心和其應用的基礎。從材料學的本質和能源發展的觀點看，高效儲存和有效利用現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化、儲存與應用過程中的關鍵材料，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展生物質能所需的關鍵材料等。49三能源概述3.5新能源材料與器件的發展2.新能源材料的應用與發展新材料把原來習用已久的能源變為新能源。如：半導體材料把太陽能有效地直接轉變為電能；燃料電池能使氫與氧反應而直接產生電能，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化功能而發展起來的新型二次電池。新材料決定著核反應堆的性能與安全性新反應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境負荷起決定作用。材料的組成、結構、制作、加工工藝決定著新能源安全環保與運行成本。如：太陽電池材料決定著光電轉換效率；燃料電池及儲能電池的電極材料及電解質的質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展物理電源的種類相對較少即為滿足新能源的高效轉換和儲存而設計的清潔裝置。物理電源是指把物理過程的能量轉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.新能源器件化學電源最為顯著的特點電化學系統可逆過程化學能轉換成電能化學電源存儲電能的效率通常比燃料燃燒系統高很多51三能源概述3.5新能源材料與器件的發展52三能源概述3.5新能源材料與器件的發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展主要新能源相關器件堿性二次電池（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）主要應用于便攜式移動設備，氫鎳和鋰離子蓄電池則為空間飛行器使用。產品向大容量及功率化動力儲能電池的方向發展。

燃料電池MP354三能源概述3.5新能源材料與器件的發展主要新能源相關器件燃料電池（能量轉化）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，距商業化應用尚有距離。55三能源概述3.5新能源材料與器件的發展主要新能源相關器件太陽能電池（能量轉化）太陽電池分為空間和地面兩大應用方向，地面應用以晶體硅（單晶硅、多晶硅）太陽電池為主，非晶硅太陽電池和銅銦硒（CIS）等化合物半導體太陽電池有少量應用；空間應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用前景。56三能源概述3.5新能源材料與器件的發展3.新能源材料與器件的發展趨勢新能源成為新興產業戰略重點大力發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，改善能源結構、實現能源多元化。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換過程不受熱力學卡諾循環限制綠色新能源的特點與優勢

57三能源概述3.5新能源材料與器件的發展3.新能源材料與器件的發展趨勢“一代材料，一代技術，一代裝備”新能源材料技術的研發與推廣將引領和支撐新能源等國家戰略性新興產業的培育與發展。PV核能無論如何強調新能源和可再生能源的發展意義都不過分。

太陽能氫能風能第一章能量定律能量儲存技術能量轉換過程原電池與電解池電極過程動力學導論能源物理化學一能源物理化學59物理化學是化學的一個分支，涉及物質的物理性能，現代物理化學包括化學熱力學、動力學、平衡、光普和量子化學等。物理化學研究物質的不同物理狀態（如氣態、液態和固態），以及溫度和光（電磁輻射）對其物理性能和化學反應的影響。能源物理化學主要研究物質的物理和化學狀態性能，涉及能量守恒、貶值、儲存及轉換過程的物理化學原理。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論證了永動機是不可能的；熱力學第二定律被發現后，這個夢想便不政自破。熱力學第一定律的發現是人類認識自然的一個偉大進步，第一次在空前廣閥的領域里把自然界各種運動形式聯系了起來。既為自然科學領域增加了嶄新的內容，又大大推動了哲學理論的前進。能源定律611.1.1能量守恒定律1.1能量守恒定律：自然界的一切物質都具有能量，能量既不能創查也不能消滅，而只能從一種形式轉換成另一種形式，從一個物體傳遞到另一個物體。在能量轉換和傳遞過程中能量的總量恒定不變根本原因：一是系統內各種形式的能量可以相互轉換，且轉換的量值一定相等（以下稱為等量轉換原則）；二是系統內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，并不保證體系內的所有形式能量之間能量轉換必須遵守等量轉換原則；②能量守恒定律成立的條件：一是功和能的關系一一各種不同形式的能可以通過做功來轉化，即功是能轉化的量度。二是能量增量與各種形式能量之間的關系——各種形式能量的轉換遵守等量轉換原則，而ΣE=常量與ΣdE減少=ΣdE增加是結果。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換之間的關系是不可逆的，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是一致的。能源定律631.1.2能量轉換定律1.1能量轉化遵循的規律：能量既不會憑空消失，也不會憑空產生，它只會從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，而在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變。自然界中能量是守恒的，但是由于能量的轉化和轉移是有方向性的，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→內能電能→化學能化學能→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，還有質的高低。熱力學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”方面的高低。自然界進行的能量轉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過程，反之為非自發過程。自發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變成功而不產生其他影響。能源定律681.1.3能量貶值原理1.1熱力學第二定律的實質就是能量貶值原理，并指明了能量轉換過程的方向、條件及限度。在能量利用中熱效率和經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，在能量轉換和傳遞過程中，各種熱力循環、熱力設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

一些常用能量轉換裝置的能量轉換效率能源儲存技術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——感應場能或靜電場能。化學能、核能——自身即為儲能形式。能源儲存技術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731.2.2電能的儲存1.2蓄電池發展方向：廉價、高效、能大規模儲能。蓄電池作為電能儲存系統燃料電池儲能能源儲存技術741.2.2電能的儲存1.2靜電場和感應電場（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或負荷的功率因數，調整電壓；（2）高電壓技術、高能核物理、激光技術、地震勘探等方面采用的直流高壓電容器；（3）超導磁鐵蓄能。帶有超導磁鐵的飛輪電力儲存系統能源儲存技術75顯熱儲存蓄熱裝置設計、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生相變而儲熱；儲能密度高，裝置體積小，熱損失小；過程等溫或近似等溫，易與運行系統匹配。能源儲存技術76化學儲存一種高能量密度的儲存方法；利用某些物質在可逆化學反應中的吸熱和放熱過程來達到熱能的儲存和提取；技術上困難，目前尚難實際應用。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771.21.2.4化學能的儲存化學能是各種能源中最易儲存和運輸的能源形態。利用某些物質在可逆反應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能的儲存。能源轉換過程781.31.3.1概述狹義上的能量轉換，即能量形態上的轉換化學能轉換為熱能熱能轉換為機械能機械能轉換為電能在能量利用中最重要的能量轉換過程是將燃料的化學能通過燃燒轉換為熱能，熱能再通過熱機轉換成機械能，機械能既可以直接利用，也可以通過發電機再將機械能轉換為更便于應用的電能。廣義上的能量轉換能量在空間上的轉移，即能量的傳輸。能量在時間上的轉移，即能量的儲存。能源轉換過程791.31.3.2化學能轉換為熱能燃料燃燒是化學能轉換為熱能的最主要方式。能在空氣中燃燒的物質稱為可燃物，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，是能在經濟上值得利用其發熱量的物質的總稱。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（焦爐煤氣、高爐煤氣、水煤氣和液化石油氣）能源轉換過程801.31.3.2化學能轉換為熱能燃燒設備鍋爐工業爐窯化學能

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

燃氣輪機除了用于發電外，還是飛機的主要動力源，也可用作船舶的動力。內燃機內燃機主要為各種車輛、工程機械提供動力。能源轉換過程821.31.3.3熱能轉換為機械能蒸汽輪機蒸汽輪機，簡稱汽輪機，是將蒸汽的熱能轉換為機械功的熱機。汽輪機單機功率大、效率高、運行平穩，在現代火力發電廠和核電站中都用它驅動發電機。汽輪發電機組所發的電量占總發電量的80%以上。此外汽輪機還用來驅動大型鼓風機、水泵和氣體壓縮機，也用作艦船的動力。能源轉換過程831.31.3.3熱能轉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而是以氣體作工質。燃料燃燒時所產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。燃燒室發電機燃料空氣廢氣能源轉換過程841.31.3.3熱能轉換為機械能內燃機包括汽油機和柴油機，是應用最廣泛的熱機。大多數內燃機是往復式，有汽缸和活塞。內燃機有很多分類方法，但常用的是根據點火順序分類或根據氣缸排列方式分類。按點火或著火順序可將內燃機分成四沖程發動機和二沖程發動機。能源轉換過程851.31.3.4機械能/光能/化學能轉換為電能電能是與電荷的流動和積聚有關的一種能量。由于電能能夠容易地以高轉換效率轉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。機械能直接轉換成電能：發電機水輪發電機汽輪發電機能源轉換過程861.31.3.4機械能/光能/化學能轉換為電能化學能轉換成電能：化學電源，即電池，化學電源能量轉化率高，方便并安金可靠，在不同領域應用廣泛。電池一次電池二次電池燃料電池儲備電池定義電池反應本身不可逆，電池放電后不能充電再使用的電池可重復充放電循環使用的電池，充放電次數可達數十次到上千次活性物質可從電池外部連續不斷地輸入電池，連續放電電機的正負極和電解質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-二氧化鉛電池應用大功率放電的人造衛星、電動汽車和應急電器燃料電池適合于長時間連續工作的環境，已成功用于飛船和汽車導彈電源、心就起搏器電源能源轉換過程871.31.3.4機械能/光能/化學能轉換為電能輻射能轉換成電能能源轉換過程881.31.3.4機械能/光能/化學能轉換為電能核能轉換成電能：核電站。能源轉換過程891.31.3.4電能轉換為化學能將電能轉換為化學能主要發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入電池轉化為化學能，從而儲存起來。以鋰離子電池為例：目前已產業化的鋰離子電池的負極材料為碳材料，正極為LiCoO2材料，電解質是LiPF6（LiClO4）和有機試劑。鋰離子電池的電化學表達式及原理：原電池與電解池901.41.4.1原電池原電池(Galvaniccell)：(1)定義：凡是能將化學能直接轉變為電能的電化學裝置叫做原電池或自發電池。

(2)性質：原電池區別于普通氧化還原反應的基本特征就是能通過電池反應將化學反應轉變為電能，所以它是一種能量轉換的電化學裝置。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：

?電池中的化學變化是可逆的，即物質的變化是可逆的；

?電池中能量的轉化是可逆的，即電能或化學能不轉變為熱能而散失。

(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：使電流通過電解質溶液而在陰陽兩極上發生氧化還原反應的過程。（2）電解池定義：由外電源提供電能，使電流通過電極，在電極上發生電極反應的裝置。工作原理：電能轉化為化學能構成電解池的條件：與電源相連的兩個電極；電解質溶液(或熔化的電解質);形成閉合回路電極：陽極---與電源的正極相連，發生氧化反應陰極---與電源的負極相連，發生還原反應惰性電極---只導電,不參與氧化還原反應(C/Pt)活性電極---既導電又參與氧化還原反應(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：陽極:發生氧化反應電極材料或電解質溶液中的陰離子失去電子陰極:發生還原反應電解質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構；熱運動：使荷電粒子趨向均勻分布，形成分散層結構。

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，形成類似荷電平板電容器的界面雙電層結構

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，而應按照勢能場中粒子地分配規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一的結果，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。電極過程動力學導論981.4電極體系可逆電極(reversibleelectrode)：氧化還原反應速度相等，物質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，物質交換不平衡（穩定電位）

?電荷交換不平衡，物質交換不平衡（不穩定電位）

電極過程動力學導論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生的原因電流流過電極時，產生一對矛盾作用：

?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；

?去極化作用—電極反應吸收電子運動傳遞的電荷，使電極電位恢復平衡狀態。

極化是由上述兩種作用聯合作用的結果。

電極過程動力學導論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。電極過程動力學導論1011.4原電池極化規律電極過程動力學導論1021.4電解池極化規律電極過程動力學導論1031.4原電池與電解池的比較電極過程動力學導論1041.4電極過程的基本歷程?液相傳質步驟

?前置的表面轉化步驟簡稱前置轉化

?電子轉移步驟或稱電化學反應步驟

?隨后的表面轉化步驟簡稱隨后轉化

?新相生成步驟或反應后的液相傳質步驟例：電極過程動力學導論1051.4速度控制步驟?速度控制步驟(rate-determiningstep)：串連的各反應步驟中反應速度最慢的步驟。

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

?電化學極化(electrochemicalpolarization)：由于電化學反應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

?電極可視為催化劑，可以人為控制

?復雜的多步驟的串連過程，其動力學規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)轉換為電能，必須借助“能量轉換器”——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體材料制造，所以有時也稱為半導體光電池。當光線照射在p-n結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，產生電子-空穴對。界面層附近的電子和空穴在復合之前，將通過內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體p-n結的光生伏特效應。即太陽光或其它光照射半導體p-n結時，就會在p-n結的兩邊出現電壓，叫做光生電壓。光生電場的方向與內建電場相反，因此它的一部分可與內建電場相抵消，其余部分則可使p區帶正電，n區帶負電；這樣就在n區與p區之間的產生了一個電動勢，稱為光生伏特電動勢，當外電路接通時，即可產生電流。晶體硅太陽能電池原理圖太陽能電池的發電過程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合；3，電子-空穴對在p-n結內建電場的作用下被分離，電子與空穴分別集中n區和p區，p-n結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

人類對光伏現象的認識可追溯到1839年，當時的法國科學家E.Becquerel在一次實驗中觀察到電壓隨光照強度改變的實驗現象。1941年，美國Bell實驗室R.S.Ohl在Si材料上發現了光伏效應，并且提出了半導體p-n結太陽能電池概念。之后逐漸形成了現在的太陽能電池[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，它通過半導體結構由光生電動勢進行光電轉換，利用零成本的太陽光發電。1、同質結電池：在相同的半導體材料上構建的一個或多個p-n結的電池；2、異質結電池：在不同禁帶寬度的兩種半導體材料接觸的界面上構成一個異質p-n結的光伏電池。按照太陽能電池的發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達到25.6%，但由于其禁帶寬度僅有1.12V，因此已經非常接近其29%的理論極限，同時晶體硅生產過程中伴隨的重污染和高能耗問題也導致其價格較為昂貴，盡管經過多年的發展，太陽能電池組件的成本已經降低至目前的約0.6美元/W[7]，但與傳統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體，具有較高的吸光系數，因此可以通過薄膜技術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，生產成本很高，質量也很難控制，僅有少量實現了規模化產業應用，除此之外，鎘污染和銦資源的稀缺也制約著其進一步的應用和發展[8]。第三代太陽能電池是指突破傳統的平面單pn結結構的各種新型電池，這類電池通過引入多pn結疊層、介孔敏化、體相異質結等新型結構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

硅是地殼內第二位最豐富的元素，占地殼總質量的25.7%。提煉硅的原始材料是SiO2，它是砂子的主要成分。然而，在目前工業提煉工藝中，采用的是SiO2結晶態即石英態。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，如Al、Fe、C、B和P等。提純用于太陽能電池以及其他半導體器件的硅，其純度比冶金級硅要更高。因此，必須經過化學提純將冶金硅提純到太陽能電池所需的純度。硅的化學提純是指采用化學反應把硅轉化為中間化合物，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的進行：Si+3HCl→SiHCl3+H2釋放的氣體經過冷凝塔形成液體，在工業上采用蒸餾塔，對所得液體經過多級蒸餾，可得到12個9純度的三氯氫硅（SiHCl3），這是半導體和太陽能電池工業高純多晶硅材料的原料。為了提純半導體硅，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，經過一周或更長的反應時間，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，而且必須是晶體結構中基本上沒有缺陷的單晶形式。工業生產這種單晶硅所用的主要方法是直拉工藝。在坩堝中，將半導體多晶硅熔融，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工序即是去除硅片表面損傷層，目前主要采用化學腐蝕，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，在堿腐蝕中會表現出擇優性能，即(100)和(111)的腐蝕速率不同，而在表面出現金字塔構造，即形成多個(111)小面。其反應方程式為：Si+2NaOH+2H2O→Na2SiO3+2H2↑經過與堿液反應后，就會在硅片表面形成一個具有陷光作用的表面絨面構造，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

太陽能電池的“心臟”就是p-n結，因此擴散制結是太陽能電池制造的核心工序。大多數廠家都選用p型硅片來制作太陽能電池，為了形成p-n結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源，進行磷擴散形成n型層。擴散過程的反應式為：4POC13+3O2(過量)→2P2O5+6C12↑2P2O5+5Si→5SiO2+4P擴散設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液態源擴散方法制出的p-n結均勻、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，生產效率較高，這對于制作具有大的結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結的正面所收集到的光生電子會沿著邊緣含磷的區域流到p-n結的背面，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)。用化學方法可去除擴散層SiO2，SiO2與氫氟酸(HF)反應能生成易揮發且可溶于水的氣體四氟化硅(SiF4)，若HF過量，SiF4會進一步與HF反應生成可溶性絡合物六氟硅酸(H2SiF6)，從而使硅表面的磷硅玻璃溶解，化學反應方程式為：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，效率也有相當的提高。制作電極

制作電極，即在電池的正背面鍍上導電金屬電極。最早采用的是真空蒸鍍或化學電鍍，而目前普遍采用絲網印刷，即通過絲網印刷機和網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體硅片的接觸電阻盡可能小。對此，各生產廠家有許多不同的制作工藝。通常電池片正面(負極)的梳子狀電極結構中，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，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，使漿料和硅片形成良好的歐姆接觸。高溫燒結結束后，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備對電壓、功率要求，因此需要根據要求將一些太陽能電池片進行串、并聯。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生腐蝕和氧化，時間長了甚至會使電極生銹或脫落，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合膜(TPT)或玻璃等其它材料做背板，

通過相關工藝使EVA膠膜將電池片、上蓋板和背板薪合為一個整體，從而構成一個實用的太陽能電池發電器件，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。與普通組件結構相比，雙面玻璃組件用玻璃代替TPE(或TPT)作為組件背板材料，其結構如圖3.14所示。這種組件有美觀、透光的優點，在光伏建筑上應用非常廣泛，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。與建筑結合是太陽能光電發展的一大趨勢。因此，預計雙面玻璃組件商業市場會進一步擴大。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合膜(TPT)或玻璃等其它材料做背板，通過相關工藝使EVA膠膜將電池片、上蓋板和背板薪合為一個整體，從而構成一個實用的太陽能電池發電器件，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。與普通組件結構相比，雙面玻璃組件用玻璃代替TPE(或TPT)作為組件背板材料，其結構如圖3.14所示。這種組件有美觀、透光的優點，在光伏建筑上應用非常廣泛，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。與建筑結合是太陽能光電發展的一大趨勢。因此，預計雙面玻璃組件商業市場會進一步擴大。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

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電多，陰天發電少，夜晚或無光照時不發電，因此需要把白天產生的電能儲存下來，而在不發電的時候將電能釋放出來，這樣又可能需要控制器或其它輔助設備。這樣，能直接發電使用的太陽能電池的應用產品就叫光伏系統，光伏系統由以下三部分組成：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控等電力電子設備：蓄電池或其它蓄能和輔助發電設備。相對于其它發電形式，光伏系統具有以下特點：(l)基本上無噪聲；(2)不產生廢氣，不排放廢水；(3)沒有燃燒過程，不需要燃料；(4)維修保養簡單，維護費用低；(5)可靠性、穩定性良好；(6)太陽能電池板組件為光伏系統核心部件，使用壽命很長，晶體硅太陽能電池壽命可達到25年以上；光伏系統應用光伏系統的規模跨度很大，小到0.3~2W的太陽能草坪燈，大到MW級的光伏電站。其應用形式也多種多樣，在無電缺電地區供電、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、裝飾和等諸多領域都能得到廣泛的應用。盡管規模和形式繁雜，但其工作原理和組成結構基本相同，光伏系統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需求串、并聯而成，在光照時將太陽能轉換成電能，是光伏系統的核心部件。(2)蓄電池：當光伏組件產生的電能大于負載所需電能時，將光伏組件產生的電能儲存起來；當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，是光伏系統的儲能件。目前光伏系統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生的直流電或者蓄電池釋放的直流電轉化為負載所需的交流電。太陽能光伏發電系統的基本工作原理就是在光照下，光伏組件產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而言，還需要增加逆變器，將直流電轉換成交流電。光伏系統的應用具有多種形式，一般將光伏系統分為獨立系統、并網系統和混合系統。并網系統

并網系統(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備，而是用將光伏組件所發的電力接入了公共電網。即光伏組件產生的電力除了供給交流負載外，多余的部分輸送給電網；而光伏組件不產生電力或者其電力不足以供給負載時，則由公共電網為負載供電。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，降低了系統成本。最初的并網系統是安裝在私家房的屋頂上，目前并網系統的安裝逐漸擴展到任何種類的建筑(如：公寓樓、學校以及農業和工業廠房)。另外，并網系統也應用到越來越多的其它機構上(如高速公路隔音屏障和火車站臺頂)。獨立系統

獨立系統(stand一alonesystem)示意圖如圖3.18所示。獨立系統因為沒有并網，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換為交流電。在遠離電網的偏僻地帶或經常無人問津的特殊用電點，如山區、燈塔、航標等，獨立系統是最有效的選擇；其成本能與電網連接其它供電途徑的成本相競爭。此外，獨立系統的應用非常廣泛：通信基站、交通燈、水泵、節能燈、收音機、計算器、裝飾品等等。混合系統混合系統(hybridsystem)示意圖如圖3.19所示。在混合系統中，除了使用太陽能電池組件陣列外，還使用了其它發電設備作為備用電源。使用混合系統供電的目的就是為了綜合利用各種發電技術的優點，避免各自的缺點。其普遍的備用電源為風力發電機或柴油發電機，光伏組件與水力發電機結合的混合系統則一般比較少見。風光混合系統更多用在北緯地區，夏天陽光充足，由太陽能電池組件供電，冬季光照減弱而風力充足，則由風力渦輪機供電。在這種系統中，兩個控制器分別控制太陽能電池組件和風力發電機的系統更為普遍。在風能潛力很大的海岸或丘陵地區，風光混合系統也得到了較多的應用。除了風力發電機外，混合系統也可以使用燃油發電機作為備用電源，獨立系統有對天氣的依賴程度很大的缺點，綜合使用柴油發電機和光伏組件的混合系統與單一能源的獨立系統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的通信電源和民航導航設備電源，因為對電源的要求很高，都采用混合系統供電，以求達到最好的性價比。我國新疆、云南建設的很多鄉村光伏電站就是采用光柴混合系統。多晶體硅太陽能電池多晶硅太陽能電池的主要優勢是降低成本。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，可連續化生產。但多晶硅太陽能電池的光電轉化效率較低，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，得到理想的絨面結構比較困難，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）和冶金級工業硅為原料，在高溫下合成為SiHCl3，然后對SiHCl3進行化學精制提純，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。流態床反應法硅烷法非晶硅太陽能電池非晶硅太陽能電池的優勢是硅資源消耗少、生產成本低，近年來發展迅速。非晶硅對太陽光的吸收系數大，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晶硅中的規則性，往往在單純的非晶硅p-n結構中存在缺陷，隧道電流占主導地位，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，改善了穩定性和提高了效率，同時扼制了隧道電流。如果制成p-i-n／p-i-n／p-i-n的多層結構便形成疊層結構，在提高非晶硅太陽能電池的轉換效率和可靠性方面，疊層太陽能電池是一個重要的發展方向。①提高轉換效率；②提高可靠性；③開發批量生產技術當入射光通過p+層后進入i層，產生e-h對時，光生載流子一旦產生便被p-n結內建電場分開，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與內建電勢Ub反向。當||UL||=||Ub||達到平衡時，IL=0，UL達到最大值，稱之為開路電壓Uoc。當外電路接通時，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，FF=JmUm/（JscUoc）。電池效率的高低由FF、Uoc和Jsc決定。目前常規的疊層電池結構為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。調節CH4和GeH4對SiH4的流量比可連續改變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體材料的電學、光學性質及其他參數依賴于制備條件，因此性能重復性較差，結構也十分復雜。大量的實驗證實，實際的非晶硅基半導體材料結構既不像理想的無規網絡模型，也不像理想的微晶模型，而是含有一定量的結構缺陷，如懸掛鍵、斷鍵、空洞等。這些缺陷有很強的補償作用，使α-Si材料沒有雜質敏感效應，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用。α-Si：H材料用Ｈ補償了懸掛鍵等缺陷態，實現了對非晶硅基材料的摻雜，非晶硅材料應用開始了新時代。α-Si：H材料在結構上是一種共價無規網絡，沒有周期性排列的約束，所以其光學和電學性質不同于晶體硅材料。典型的α-Si：H能帶結構見圖3-26，圖中EC、EV為遷移率邊；E>EC，E<EV為擴展態；EA<E<EC為導帶尾；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，其能帶結構除了存在類似于晶體硅半導體導帶和價帶的擴展態外，還存在著帶尾定域態和帶隙中缺陷定域態。這些定域態起陷阱和復合中心作用，它們對非晶硅半導體的電學和光學性能具有決定性影響。在電學性質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。在光學特性方面，由于非晶硅半導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，非晶硅的吸收系數比晶體硅要大將近一個數量級，其本征吸收系數高達105cm-1。而且非晶硅太陽能電池光譜響應的峰值與太陽光譜峰值接近。這就是非晶硅材料首先被應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，可以明顯節省昂貴的半導體材料，這是非晶硅材料在光伏應用中的又一顯著特點。化合物半導體太