新能源转换与储存材料

《新能源转换与储存材料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《新能源转换与储存材料（86页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、能源转换与储存材料 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 DateDate1 1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DateDate2 2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DateDate

2、3 3v光电转换与太阳能电池材料 v热电转换材料 v储氢材料DateDate4 4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。DateDate5 5硅太阳能电池u硅太阳能电池原理 u硅太阳能电池材料DateDate6 6半导体主要结构：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DateDate7 7PN结的形成内电场： 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DateDate8 8PN结的单向导电性PN结加

3、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DateDate9 9PN结加反向电压时截止 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

4、 处于截止状态。DateDate1010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 (Solar cell)，简称为太阳能电池。 DateDate1111太阳能电池原理：太阳能半导体晶片空穴电子N型区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DateDate1212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DateDate1313太阳能电池构造示意图DateDate1414DateDate1515材料要求： 1、能充分利用太阳能

5、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DateDate16161、硅半导体材料：单晶硅太阳能电池转换效率 1415 成本较高多晶硅太阳能电池转换效率 1012非晶硅太阳能电池转换效率 79DateDate17172、保护涂层（涂敷于硅膜表面）作用： 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DateDat

6、e1818硅太阳能电池的生产流程 太阳能电池材料的制备DateDate1919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，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DateDate20202、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0.10.2mm 厚的硅多晶膜。DateDate2121p-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:涂敷扩散法：

7、 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。DateDate2222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DateDate2323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- DateDate2424优点：成本廉价、工艺简单及性能稳定。其光电效率稳定在10以上，制作成本仅为硅太阳电池的1

8、/5 1/10。寿命能达到20年以上。不足：研究和开发刚刚起步。 DateDate2525染料敏化TiO2太阳能电池的手工制作 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 DateDate2626(2)接着用玻璃棒缓慢地在导电玻璃上进行涂膜 DateDate2727(3)把二氧化钛膜放在酒精灯上烧结1015分钟，然后冷却 DateDate28282.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

9、乙醇冲洗，并用柔软的纸轻轻地 擦干 DateDate29293.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。 DateDate30304.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。在二氧化钛膜表面上滴加一到两滴电解质 即可。 DateDate31315、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。DateDate32326.

10、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。 DateDate3333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。 DateDate3434太阳能电池的应用：我国在西藏、青海、内蒙、新疆、甘肃等地已安 装光伏发电系统48600余套，发电功率达10MW。德国慕尼黑商贸中心在 其6座大厦的屋顶共安装 了781

11、2个组件，每个组 件有84个单晶硅太阳能 电池，总和峰值功率为 1.016MW，预计寿命20 年。DateDate3535目前Si和GaAs太阳能电池各自有不同的缺点,不能满足未来卫星 的要求。GaInP/GaAs/Ge 高效级联太阳能电池是空间太阳能电 池的发展方向之一。 为提高太阳能电池的光电转换效率，降低成本，在Ge衬底上用 MOCVD（金属有机化学气象沉积法）技术研究GaInP/GaAs/Ge 高效级联太阳能电池，已经获得面积为22 cm2,效率达15%的 GaAs/Ge太阳能电池。 空间用太阳能 电池要求具有 高的光电转换 效率、重量轻 和低成本。DateDate36361、开发氢能

12、的必要性： 人类面临能源危机石油、煤炭和天燃气已濒临 枯竭； 开发新能源太阳能、地热、风能及海洋能等一 次能源要求转化为可储存和运输的二次能源。氢是一种非常重要的二次能源。 一、氢能简介DateDate37372、氢能优点 （1）热值高：氢的燃烧热大约是汽油的3倍，焦炭的4.5倍； （2）资源丰富：地球表面有丰富的水资源，水中含氢量达11.1； （3）不产生二次污染：燃烧后生成水，干净、无毒； （4）应用范围广，适应性强：如可作为燃料电池发 电，用于氢能汽车、化学热泵等 。DateDate38383、氢能源的开发遇到的问题主要是制氢工艺和氢的储存：制氢 氢能 利用一次 能源电池汽车热泵传感器

13、电解、光催化氢能的储存与输送 光解法制氢：利用太阳能，到海水中取氢，大量制氢是最有希望的方向；DateDate3939 氢的存储：难题气体氢：液态氢：储存和输 送方式储氢密度远高于气态，但氢气 的液化温度为-252.6，液化 过程耗费大量的能源，需采用 超低温的特殊容器，价格昂贵主要用高压钢瓶，储氢量小， 储氢密度低，使用不方便解决方式：研发储氢材料DateDate4040二、 储氢方法介绍根据物理化学原理分为： u物理法储氢物质和氢分子之间只有纯粹的物理作用或物理吸附。活性炭吸附储氢深冷液化储氢等u化学法储氢物质和氢分子之间发生化学反应， 生成新的化合物，具有吸收或释放氢的 特性。金属氢化物

14、储氢无机化合物储氢有机液态氢化物储氢等DateDate4141活性炭具有较高的比表面积，尤其是优质活性炭 的比表面积可达2000m2g以上，利用低温加压 可吸附储氢。1、活性炭吸附储氢如：在-120、5.5MPa下，活性炭储氢量高 达9.5%(质量分数)。特点： 活性炭吸附储氢器体积比金属氢化物储氢体系稍大； 活性炭原料易得； 吸附储氢和脱氢操作比较简单； 投资费用较低。 活性碳DateDate4242富勒烯(C60)和碳纳米管(CNT)对氢气具有较强的 吸附作用。如：单层碳纳米管的吸氢量比活性炭高，吸附量可达510(质量分数) 。DateDate4343碳纳米管结构示意图 碳纳米管是由石墨片

15、卷曲而成的中空管状结构，直径在零点 几个纳米到几十纳米之间。管壁是一种类似于石墨片的碳六 边形网状结构。DateDate4444单壁纳米碳管束TEM照片DateDate4545高功率激光轰击石墨，使石墨中的碳原子气化，用氦气流把 气态碳原子送入真空室，迅速冷却后形成碳原子簇。 C60呈球笼状，是一个完美对称的分子。富勒烯(C60)DateDate46462、深冷液化储氢 在常压和20K温度下，气态氢可液化为液态氢，液态的 密度是气态氢的845倍。深冷液化贮氢，其体积能量密 度高，储存容器体积小。 液化储存面临两个主要难题：氢气的深冷液化能耗高；液氢的储存和保养问题：由于液氢储器内的温度 与环境

16、温度的温差大 (253土25)，给液氢的保冷、 防止挥发、储器材料和结构设计、加工工艺等提出了 苛刻的要求。DateDate4747金属氢化物储氢 某些过渡金属、合金、金属间化合物，由于其特殊的 晶格结构等原因，在一定条件下，氢原子比较容易进 入金属晶格的四面体或八面体间隙中，形成金属氢化 物，可储存比其体系大10001300倍的氢。 当金属氢化物受热时，又可释放出氢气。优点： 可储存相当于合金自身体积上千倍的氢气，吸氢密 度超过液态氢和固态氢密度，轻便安全。DateDate4848不同储氢方式的体积比较Mg2NiH4LaNi5H4H2(liquid)H2(200 bar)DateDate4949三、金属氢化物储氢原理氢能与许多金属、合金或金属间化合物反应生成金属 氢化物，并释放出热量；金属氢化物受热时，又释放 出氢气，反应式为：M含氢固溶体H反应热P1,T1吸氢时体系所需的压力和温度P2,T2释氢时体系所需的压力和