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1、第一章 新能源材料概论1.能源定义：可以直接或间接提供人类所需的光、热、电、动力等任何形式的载能体资源。2.地球能量的来源和分类（P1）3.我国能源的利用特点（1）能源资源相对短缺。 （2）石油资源不足。（3）能源生产和消费以煤炭为主：消费总量占70%左右，污染大，利用率低。（4）能源利用效率低，清洁能源和新能源利用率不高。4.我国能源工业面临的问题与改善措施面临为题：(1)环境污染严重； (2)人均能耗水平低； (3)能源建设周期长，耗能多；(4)新能源占的比例少； (5)能源工业装备落后。改善措施：（1）改善能源结构；（2）提高能源利用率；（3）加速实施洁净煤技术；（4）合理利用石油和天然
2、气；（5）加快电力发展速度； （6）积极开发利用新能源；（7）建立合理的农村能源结构，扭转农村严重缺能局面；（8）改善城市民用能源结构，提高居民生活质量； （9）重视能源的环境保护。5.燃料电池：一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地转化为电能的发电装置。6.能源材料： 实现能源的转化和利用，以及发展能源技术所涉及的关键材料。与能源开发、运输、转换和利用等相关的材料都属于能源材料。7.材料对能源的影响（1）材料产生新能源 （2）材料提高储能和能源的转换效率（3）新材料决定能源技术的利用和安全性 （4）材料的组成、结构、制作和加工工艺决定新能源的投资和运营成本。 （5）清洁材料是清洁能源与
3、能源技术的基础。8.能源材料的种类（1）按材料种类和使用用途来分：燃料；能源结构材料；能源功能材料。（2）按使用目的分：能源工业材料；新能源材料；节能材料；储能材料等。 9.温室效应解决方法：（1）减少化石能源利用； （2）地球绿化面积扩大（3）CO2泵入地下(废矿井、含砂层、页岩)，一座100万千瓦电厂，10年内可贮存6000万吨CO2 （4）通过催化剂与生物工程CO2H2O 粮食第二章 太阳能一、太阳1.太阳是一个能发光发热的天体，发出的光和热叫做太阳能。2.太阳平均密度大约只有地球平均密度的1/4。二、太阳辐射1.组成太阳的主要气体为氢和氦，太阳内部每时每刻都进行着将4个氢核聚变成1个氦
4、核的热核反应；2.太阳内部可以分为三层：核心层、辐射层和对流层,是复杂辐射体，且辐射波长和温度不同，但在实际太阳能利用的计算中，常常把太阳简化成一个温度为6000K的辐射黑体，即太阳辐射相当于温度为6000K的黑体的辐射。 3.太阳辐射的总能量中只有二十二亿分之一到达地球大气层上界。4.(1)太阳辐射的能量主要集中在波长0.15-4微米之间。即紫外光区、可见光区和红外光区。(2)太阳辐射的能量主要分布在可见光区和红外区，在波长0.475微米的地方，太阳辐射的能力达到最高值。5.地面辐射的时空变化特点是： 全年以赤道获得的辐射最多，极地最少。这种热量不均匀分布，导致地表各纬度的气温产生差异，在地
5、球表面出现热带、温带和寒带气候； 太阳辐射夏天大冬天小，它导致夏季温度高而冬季温度低。6.（1）由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行，因此太阳与地球之间的距离不是一个常数，所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此人们就采用 “太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强度。（2）“太阳常数”是指平均日地距离时，在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能。经过测定，国际学术界一致将“太阳常数”取为1353W/m2。7.太阳能的转换与应用本章重点 太阳能必须即时转换成其他形式能量才能贮存和利用，转换的方式主要有以下几种：（1）太阳能电能 转换，并以电能形式利用（2）太阳能热能
6、 转换，并以热能形式贮存（3）太阳能氢能 转换，并以氢能形式贮存（4）太阳能生物质能 转换，并贮存于生物质（5）太阳能机械能 转换，并以机械 能形式利用8.太阳能利用之光电转换-太阳光伏将太阳能用于发电：（1）光电直接转换 （2）光热电转换光电转换 原理：根据光电效应，通过太阳能电池（光电材料做成）将太阳辐射能直接转化为电能。9.太阳能电池原理 太阳能电池的原理是基于半导体的光伏效应，将太阳辐射直接转换为电能。 所谓光伏效应，就是指太阳能电池材料在吸收光能后，其内部能传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生出电流和电动势的效应。在气体、液体和固体中均可产生这种效应，而半导体光伏效应的效
7、率最高。太阳能电池材料：如：单晶硅， 多晶硅，非晶硅（P116）10.（1）半导体Si的内部结构（2）P型半导体的结构 （定义P117）（3）N型半导体的结构（定义P118）11.太阳能晶片受光的物理过程 P型半导体中含有较多的空穴，而N型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，出现了浓度差，N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，从而形成了一个由N指向P的“内电场”，阻止扩散进行。达到平衡后，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。当晶片受光后，N型半导体的光生空穴往P区移动，而P区中的光生电子往N区移动，从而形成从N区到P区
8、的电流。在PN结中形成电势差，这就形成了电源。12.（1）内电场：对多数载流子的扩散运动起阻挡作用（2）光生伏特效应：当晶片受光后，N型半导体的光生空穴往P区移动，而P区中的光生电子往N区移动，在PN结中形成电势差，这就形成了电源。 13.（1）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 (Solar cell)，简称为太阳能电池。 （2）晶片受光照时空穴往P型区移动，电子往N型区移动 ，电子从N区负电极流出负电，空穴从P区正电极流出正电14.PN结的单向导电性（1）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
9、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（2）加反向电压(外、内电场的方向一致)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。15.太阳能电池材料要求：（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
10、成污染；（4）材料便于工业化生产，性能稳定且经济。16.太阳能电池结构：半导体层 (Si、GaAs等)、保护涂层、电极等（1）半导体层：Si，GaAs，共轭有机大分子，有机共轭聚合物高分子作用：吸收太阳能，产生光生电子和空穴 （2）保护涂层（涂敷于半导体层表面）：降低膜对光的反射，提高转换效率；保护膜以减少腐蚀等破坏，保护涂层应有良好 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。（3）电极：低功函的金属，如金、银、铝、鉬等。功函数又称功函、逸出功，在固体物理中被定义成：把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量。是体现电
11、子传输能力的一个重要物理量。 17.太阳能电池的分类（P113）18.（1）非晶硅的制备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，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。（2）多晶硅的制备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0.10.2mm厚的硅多晶膜。19.p-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结产生光生伏特效应。掺杂方法: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，干燥后装入炉中加热到一定温度使杂质元素
12、扩散到硅膜之中。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。20.太阳能电池（硅系）的优点：（1）将光能直接转换为(直流)电能，但本身不储存能量；（2）使用方便、无废弃物、无污染、无噪音；（3）电池模板寿命长久，可达二十年以上 ；（4）外型尺寸可随意变化，应用广泛(小至消费性产品如计算机，大至发电厂)；（5）发电量大小随日光强度而变；（6）太阳能电池未来与建筑物结合，将可普及化。 三、各种太阳能电池1.染料敏化TiO2太阳能电池的手工制作 ：1.1制作二氧化钛膜 (1)先把二氧化钛粉末放入研钵中与粘合剂进行研磨 (2)接着用玻璃棒缓慢地在
13、导电玻璃上进行涂膜 (3)把二氧化钛膜放在酒精灯上烧结1015分钟，然后冷却 1.2利用天然染料为二氧化钛着色 把新鲜的或冰冻的黑梅、山梅、石榴籽或红茶，加一汤匙的水并进行挤压，然后把二氧化钛膜放进去进行着色，大约需要5分钟，直到膜层变成深紫色，如果膜层两面着色的不均匀，可以再放进去浸泡5分钟，然后用乙醇冲洗，并用柔软的纸轻轻地擦干 。1.3制作正电极 用染料着色的TiO2作为电子流出的一极（即负电极）。正电极可由导电玻璃的导电面（涂有导电的SnO2膜层）构成，用铅笔在导电面上均匀地涂上一层石墨。 1.4加入电解质 利用含碘离子的溶液作为太阳能电池的电解质，它主要用于还原和再生染料。在二氧化钛
14、膜表面上滴加一到两滴电解质即可。 1.5组装电池 在二氧化钛膜上滴加电解质后，把正电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上。将两片玻璃稍微错开，用两个夹子把电池夹住，两片玻璃暴露在外面的部分用以连接导线。1.6电池的测试 在室外太阳光下，检测太阳能电池是否可以产生电流。 2.太阳能的技术应用（1）太阳能的利用太阳辐射的热能利用 太阳能光热利用 太阳能热发电 太阳能光伏发 太阳能综合利用（2）太阳能采集平板集热器 真空管集热器 聚光集热器3.太阳能太阳能热利用 太阳能热利用就是用太阳能集热器将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。太阳能热利用的关键部分是太阳能集热器。根据集热方式不
15、同分为平板型集热器和聚焦型集热器 4.太阳能太阳能之热利用（一） （1）太阳能热水器 太阳能热水器用于收集太阳辐射能来加热水供用户使用，按集热器不同分为平板式太阳能热水器和真空管式太阳能热水器，国内以真空管式太阳能热水器为主。一般太阳能热水器由集热器、储热水箱、循环水泵和控制系统等主要部件组成。集热器和储热水箱合二为一的称为闷晒式热水器，反之称为分立式热水器。按热水流动方式，太阳能热水器可以分为自然循环式热水器和强制循环式热水器。（2）太阳房太阳房利用的物理原理是温室效应。温室效应就是波长较短的太阳辐射能顺利透过而波长较长的热辐射被阻挡或吸收的现象。玻璃以及二氧化碳、甲烷等气体就具有这种效应。因此我们可以用玻璃等透明材料为顶作成温室，让属于短波辐射的太阳光透过而阻挡室内的长波辐射，这样进入室内的能量就大于向室外散发的
