光合作用的仿生模擬－光電轉化及光解制氫研究

我國再生能源狀況及未來的開展光合作用原理3.光伏電池原理及現狀4.太陽能制氫5.光伏效應及太陽能制氫的物理化學問題內容提要1.我國再生能源狀況及未來的開展趨勢我國能源剩余資源探明儲量和可開發年限資源種類煤炭(億噸)石油(億噸)天然氣(億M3)水力(GW裝機量)探明可開采儲量114532.73611704353可開采年限54-8115-2028-5838-104年注:?能源根底數據匯編?國家計委能源所，19991.我國再生能源狀況及未來的開展

2003年中國常規能源消費比例1.我國再生能源狀況及未來的開展

太陽能

風能

水電

地熱

生物質能可再生能源：3％〔2003年〕1.我國再生能源狀況及未來的開展0.87%6.9%占2003年中國能源總消耗量3％的再生能源構成生物質能：6.9%光伏：0.04%1.我國再生能源狀況及未來的開展中國能源組成的未來開展趨勢1.我國再生能源狀況及未來的開展1.我國再生能源狀況及未來的開展再生能源的提升空間700400500600800900100011001200太陽光譜(1.5AM)太陽光輻射強度波長(nm)

顏色輻射等級年輻射量（MJ/m2）日輻射量（KWh/m2）紅最好≥6680≥5.1桔紅好5850－66804.5–5.1黃一般5000－58503.8–4.5淺藍較差4200－50003.2–3.8深藍很差<4200<3.2我國太陽能資源分布太陽光能利用的主要途徑光熱效應塔式溫差氣流發電U形曲面聚光反射加熱真空熱管2.光合作用原理光驅動電荷別離電荷傳遞能量轉化和儲存表52050年中國發電裝機構成預測〔電力科學院〕PSIIPSICytb6fComplexQPCTyrZMn42H2OO2+4H+4e-2H++NADPNADPH+H+ThylakoidmembraneLumenStromahνhν2e-ATP-ase光合作用原理2.光合作用原理CO2+nH2OO2+(CH2O)n光合類囊體膜的功能開爾文循環，CO2轉化基質基質光系統I光系統II細胞色素ATP合成酶類囊體膜復原型輔酶II2.光合作用原理氧化性復原性高等植物Z型雙光子推挽氧化－復原工作原理2.光合作用原理長程不可逆葉綠素分子及其吸收光譜金屬鎂為普通金屬自然界不用貴金屬！取材方便，構造精密，造化之功光合細菌反響中心電子傳遞鏈2.光合作用原理時間尺度3.光伏電池原理及現狀半導體太陽能電池聚合物太陽能電池染料敏化納米晶太陽能電池其他新型太陽能電池光伏目前光伏產業已與資訊、通信產業一起,成為開展最快的產業。近五年增長率超過40%,2001年全球銷售量已接近400MW，其本錢也已下降到2.5美元/峰瓦〔折合每千瓦時約0.09美元〕。預計到21世紀中葉，光伏發電量將占世界總發電量的1/5。

國際太陽電池組件的產量與價格變化Si原子P原子價余電子N區電子結電場空穴P區PN結空穴B原子硅基光伏電池P/N結太陽電池原理圖++++-----P區N區電子空穴導帶價帶單晶硅吸收光譜半導體Si帶隙1.11eV＝1.12微米

吸收77%的太陽光〔截止波長＝1.12微米〕但43％的能量將變成熱能反射損失電阻損失太陽能轉化效率24％〔0oC〕太陽能轉化效率12％室溫1.單晶硅太陽電池單晶硅太陽電池在國際光伏市場上長期占據主導地位。實驗室制備的最高效率為24.7％；目前工業化生產的單晶硅太陽電池的效率在13％－16％之間。制約因素：單晶硅本錢高2.多晶硅太陽電池

目前大規模工業化生產的多晶硅太陽電池的轉換效率已到達11－15％的水平。1998年，多晶硅太陽電池在國際光伏市場所占的份額首次超過了單晶硅太陽電池，并且這種差距還在逐年拉大。優點：采用多晶硅的鑄造工藝，本錢大大降低〔150公斤鑄硅錠〕

3.硅帶太陽電池

目前，EFG硅帶太陽電池的生產規模已經到達12MW/年的水平，生產線上制造的面積10cm×10cm的EFG硅帶太陽電池的平均效率為14％，與使用傳統硅片制成的電池效率相當。

4.硅薄層〔SiliconfilmTM〕太陽電池該電池最大的特點在于它使用的硅片是由所謂的“連續薄片熔液生長過程〞在外表覆蓋有金屬結構勢壘的陶瓷襯底上外延生長得到。在240cm2電池面積上的轉換效率為12.2％。這種太陽電池目前已形成幾MW的生產規模。

2000年,日本三洋公司利用太陽級純度硅材料制備高效HITTM太陽電池的研究方面取得了新進展，他們利用工業化生產過程中在面積為100.5cm2的低本錢n型太陽能級CZ-Si片〔1Ω·cm〕上制備出開路電壓719mv，效率為20.7％的HITTM太陽電池。該電池為雙面HITTM結構電池，它創造了面積為100cm2的太陽電池轉換效率最高的世界紀錄。5.非晶硅/單晶硅異質結〔HITTM〕太陽電池其他種類半導體電池銅銦〔鎵〕硒〔CIS/CIGS〕碲化鎘〔CdTe〕太陽電池砷化鎵AsGa6.銅銦〔鎵〕硒〔CIS/CIGS〕薄膜太陽電池當前銅銦鎵硒薄膜太陽電池研究和開展所面臨的主要問題就是尋找一種便于產業化、可大面積、均勻沉積器件級質量的銅銦鎵硒薄膜的技術。這也是銅銦鎵硒薄膜太陽電池從實驗室階段走向大規模工業化生產必須克服的最大壁壘。最近，日本TokyoInstituteofTechnology用In-Se代替CdS做為緩沖層在0.179cm2的面積上制備出效率為13.0％的CGIS薄膜太陽電池是一個可喜的進展。此外，由于In、Se和Ga都是比較稀有的貴重金屬，一旦進行CIGS薄膜太陽電池的大規模工業化生產其本錢和來源都是個問題。7.碲化鎘〔CdTe〕太陽電池碲化鎘帶隙寬度為1.45eV，具有極高的光吸收系數，1μm厚的薄膜足以將99％的可利用的太陽光吸收掉,是一種非常理想的光伏太陽能轉換材料。美國NERL于2001年，制出16.4％的CdTe薄膜太陽電池，是這種電池的最高實驗室效率。BPSolar公司已制備出最高轉換效率為10.6％的CdS/CdTe薄膜太陽電池組件(1)制備工藝還沒有完全到達大規模產業化開展的要求。(2)電池效率的穩定性問題。(3)Cd污染的問題。砷化鎵太陽能電池一般條件下轉化率18％聚光條件下高達37％，接近理論極限各種硅電池的市場份額聚合物太陽能電池聚合物太陽電池是太陽電池新興的一個分支。自從1986年C.W.Tang提出雙層有機光伏器件結構以來，人們認識到施主-受主〔Donor-Acceptor〕界面可使有機材料中的激子有效別離。在聚合物體系中人們采用混合膜〔也稱為體異質結〕結構大大增加了施主-受主界面面積因而獲得了很好的效果。聚合物太陽能電池構造活性層：共軛聚合物〔給體〕/C60衍生物〔受體〕雙層〔異質結〕或共混〔本體異質結〕LUMOLUMOHOMOHOMOMEH-PPVC60e-h+ITOMetalEFEFhvMEH-PPV/C60雙層結構器件光誘導電荷別離和電荷傳輸的根本原理2.8eV4.9eV3.7eV6.1eV電子輸運層空穴輸運層1，低本錢、易制備。2，大面積成膜。3，可制備成柔性器件。聚合物太陽能電池的優點：缺點：能量轉換效率較低〔迄今文獻報道最高值3.85%,C.J.Brabec,SolarEnergyMaterials&SolarCells,2004,83:273-292〕，由于：1，聚合物材料的光吸收譜與太陽的發射光譜不匹配。2，載流子遷移率較低。化學所已取得的研究進展：聚合物/PCBM太陽能電池的光電轉換特性，能量轉換效率到達3.2%有機太陽電池的優點：〔1〕柔韌性〔2〕本錢低〔3〕好的電絕緣性圖1.10有機太陽電池的柔韌性光電極：TiO2納米粒子薄膜，染料為聯吡啶釕配合物，及其他染料TiO2染料敏化太陽電池大比外表積單層吸附染料多孔性易于空穴傳輸納米晶薄膜易于電子傳輸典型的三層結構〔半導體納晶，染料，電解質〕loadTiTiO2eeDyemoleculeITO納晶TiO2電解質PtCounterhu染料優點：制作本錢是單晶硅太陽能電池的1/5液態納晶太陽能電池光電轉化效率8—10%存在的問題：電解液滲漏和溶劑揮發性能下降、壽命縮短固態電池效率達5.3%,存在問題：穩定性和壽命。釕為貴金屬，大規模制作本錢必定會上漲目前尚未產業化1998,Sommelingetal1998,M,Gratzel,Black-dye,10.4%(AM1.5)2001,A.Hagfekttetal6.2%(AM1.5)2002,W.Kuboetal,6.0%(AM1.5)2003,1993,M,Gratzel,N719-dye,10.58%(AM1.5)2004,M,Gratzel,11.04%(AM1.5)1976,H.Tsubomura,etal,ZnO,2.5%(at563nm)1991,M.Gratzel,N3-dye,7.1-7.9%(AM1.5)1998.K.Tennakone,CuI,4.5%(simulatedsunlight)2003,M.Gratzel,6.6%(AM1.5)1993,M.Gratzel,Red-dye,10.0%(AM1.5)TiO2染料敏化太陽電池開展簡況太陽電池類別實驗室最高效率工業化效率單晶硅24.7％13－17％多晶硅19.8％11－15％硅帶16.6％14％硅薄層12.2％HIT(非晶硅/單晶硅異質結)21.2％18.5％非晶硅薄膜13％7－8％銅銦鎵硒18.8％13％碲化鎘16.4％10.6％有機太陽電池3.6％－TiO2染料敏化11％8％國際上各類太陽電池效率比較〔2004年〕表20中國各種太陽能電池實驗室研究的最高效率其他新型太陽能電池納米金－卟啉－富勒烯組裝體Hasobe，JACS，2005，127，1216有趣的問題：納米金的功能將用上菠菜電池把太陽光能轉化成電能將用上菠菜電池把太陽光能轉化成電能://sina2005年05月12日

10:49競報://sina2005年05月12日

10:49競報菠菜營養豐富，人所共知；但是說菠菜可用來做電池，為和掌上電腦提供綠色環保能源，聽起來好似有些荒唐，但確也是不折不扣的事實。近日，美國科學家們已經成功研制出“菠菜電池〞，不久的將來，我們的里使用的也許就是這種真正綠色的電池了。這項研究是由來自美國麻省理工學院、田納西大學和美國海軍研究實驗室的科學家們一起聯手進行的。考慮到菠菜含有很高的葉綠素、價格廉價、四季都有，所以科學家把最后的研究對象鎖定在它身上。科學家制作出一種特殊的微小菠菜電池，這種菠菜電池里含有很多菠菜的“光合體系一號〞蛋白復合物和導電材料。這里存在一個問題是，所有的蛋白質發揮作用的時候都需要水，而水是和電腦的“天敵〞。這種情況下，科學家從包裹在種子外表的油層得到啟示，給菠菜電池“穿〞上一件既能夠保護蛋白質在有水的環境中生存，又能幫助和電腦防水的“外衣〞。菠菜電池，確有其事！菠菜電池固體器件，internalquantumefficiency:12%PSIconversionefficiency:20%效率2.4%(本人估算)染料價格低4.太陽能制氫§2.1利用光伏系統轉化成的電能進行電解水制氫；§2.2利用太陽能轉換的熱能進行熱化學反響循環制氫。§2.3光催化制氫；§2.4光合生物制氫。氫能作為二次能源，具有清潔、高效、平安、可儲存、可運輸等優點，太陽能制氫技術因此備受關注，氫燃料或燃料電池汽車的紛紛推出，標志著氫燃料時代的到來。氫能源反應方程式：2H2O→2H2+O2光伏發電光熱發電利用光伏系統轉化成的電能進行電解水制氫二次能源儲氫ZnO=Zn+1/2O2(2300K)Zn+H2O=ZnO+H2(700K)利用太陽能轉換的熱能進行熱化學反響循環制氫本錢核算90MW太陽能反響器年發電量61M千瓦時電力本錢：0.13-0.15美元/千瓦時聚光鏡5000AM熱化學反響循環制氫0.0V1.23V氧化還原電位pH=0NHEHoleeH+/H2O2/H2O1.23V0.0V氧化還原電位pH=0NHE光催化制氫材料設計VPtTiO2H2O2Fujishima,HondaNature,1972,238,37外表修飾分解解有機物鄒志剛等，Nature,2001,414,625InTaO4In1-xNixTaO4摻Ni吸收光譜In1-xNixTaO4NiOIn1-xNixTaO4RuO2量子效率＝0.66％國內研究狀況973方案：“利用太陽能規模制氫的根底研究〞

“利用太陽能規模制氫的根底研究〞2003年被列入國家973方案。該研究總計專項經費2200萬元，執行期為5年〔2003.12－2021.11〕，第一承擔單位為西安交通大學。工程主要進行太陽能光解水和太陽能熱解水以及生物質制氫兩類可再生能源制氫的根底理論研究，致力于建立大規模高效低本錢制氫的理論與技術體系，形成一系列具有自主知識產權的高新技術結果，帶動和促進能源、材料、化工、生物等學科和產業的開展。5.光伏效應及太陽能制氫的物理化學問題本質問題是電荷別離、傳輸及后續反響超快時間分辨光譜是研究的重要手段舉例：