[新型功能材料]新型能源材料

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1、新型功能材料新型能源材料新型功能材料新型能源材料 篇一 : 新型能源材料 异质结:异质结构一般是由两层以上不同材料所组成，它们各具不同的能带 隙。按异质结中两种材料导带和价带的对准情况可以把异质结分为?型异质结构和? 型异质结构。量子阱是指由两种不同的半导体材料相同排列形成的。具有明显量子限制效应 的电子或空穴的势阱。锂离子电池工作原理:锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理。当对电池 进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到极。而 作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔 中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。锂离子电池对正、负极材料的

2、要求: 具有稳定的层状或隧道的晶体结构; 具有较高的比容量; 有平稳的电压平台; 正、负极材料具有高的电位差; 具有较高的离子和电子扩散系数; 环境友好。正极材料是锂离子电池的重要组成部分，在锂离子充放电过程中，不仅要提供 正负极嵌锂化合物往复嵌入/脱嵌所需要的锂，而且还要负担负极材料表面形成 SEI 膜所需的锂。正极材料: LiFePO4 磷酸铁锂优点:优异的安全性能 优异的循环稳定性，8000 次高倍率充放电循环， 不存在安全问题。 适于小电流放电，温度越高材料的比容量越大。成本低，环保。材料结构的动力学和热力学稳定性很高。缺点:在结构中由于八面体之间的 PO4 四面体限制了晶格体积的变化

3、，从而使 得 Li 的嵌入脱出运动受到影响，造成 LiFePO4 材料极低的电子导电率和 离子扩散速率，决定了纯的 LiFePO4 只适合于小电流密度下的充放电。 当电流密度增大时，比容量迅速下降 。室温下，即使以小电流充放电， 其放电比容量都很难达到理论比容量。问题的解决主要是通过 Mg、Al、 Ti、Nb 和 W 等元 素掺杂，人为制造结构缺陷，来提高离子迁移率和电子导电率。 制备:固相合成法、水热法。 锂离子电池的负极材料主要是作为储锂的主题，在充放电过程 中实现锂离子的嵌入和脱嵌。 固体聚合物电解质:将电解质盐溶解在聚合物中 可得到固体聚合物电解质凝胶聚合物电解质:在凝胶型聚合物电解质

4、中，整个体系可以看成是碱金属和 有机增塑剂形成的电解液均匀分布在聚合物主体的网格中。PAN基聚合物电解质、 PMMA基聚合物电解质、PVDF基聚合物电解质。太阳能电池材料主要有以下进展: 1）发展新工艺、提高转换效率; 2）发展薄膜 电池、节约材料消耗;3）材料大规模的加工技术;4）与建筑相结合。太阳能电池 工作原理:太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能 转化成电能的装置。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n 结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成 电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。光伏效应:“光生伏特效应”，简称光伏

5、效应。指光照使不均匀半导体或半导 体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子转化为电子、光 能量转化为电能量的过程;其次，是形成电压过程。太阳能电池的分类:硅系太阳能电池 多元化合物薄膜太阳能电池 聚合物多层修饰电极型电池、纳米晶化学太阳能电池。 利用太阳能电池发电的优缺点:优点:属于可再生能源，不必 担心能源枯竭;太阳能本身并 不会给地球增加热负荷;运行过程中低污染、平稳无 噪音;发电装置需要极少的维护,寿命可达 20年所产 生的电力既可供家庭单独使用也可并入电网;用途广 泛。缺点:受地域及天气影响较大;由于太阳能分散、密度低， 发电装置会占去较大的面积;光电转化效率低致使发

6、 电成本较传统方式偏高。太阳能电池对材料的要求:半导体材料的禁带不能太宽;要有较高的光电转换效 率;材料本身对环境不造成污染;材料便于工业化生产且材料性能稳定。 硅系列太阳电池:硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技 术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工 处理工艺基础上的。在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺 杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转 化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。硅片加工技术:常规的硅片切割采用内圆切片机，其刀损为0.3-0.35mm，使晶 体硅切割损失较大

7、，且大硅片不易切得很薄。近几年，多线切割机的使用对晶体硅 片的成本下降具有明显作用。多线切割机采用钢丝带动碳化硅磨料来进行切割硅 片，切损只有0.22mm，硅片可切薄到0.2mm，且切割的损伤小。单晶硅材料制造要经过如下过程:石英砂一冶金级硅一提纯和精炼一沉积多晶 硅锭一单晶硅一硅片切割生长单晶硅的两种最常用的方法为丘克拉斯法以及区熔法。丘克拉斯法又称为直拉法。是将硅料在石英坩埚中加热熔化，籽晶与硅液面进 行接触然后开始向上提升以长出状的晶棒。区熔法主要用于材料提纯，也用于生长单晶。区熔法生长硅单晶的成本较高， 但得到硅单晶的质量却最佳。多晶硅锭生长方法:浇铸法、热交换法和布里曼法 多晶硅薄膜

8、电池:多晶硅薄膜材料的制备方法可分为 2大类:一类是高温工艺， 另一类是低温工艺。目前制备多晶硅薄膜的方法主要有以下几种:低压化学气相沉积法、催化化学 气相沉积法、固相晶化法、准分子激光晶化法。人们将玻璃作为薄膜太阳电池的理想衬底，其原因包括几个方面:?玻璃具有优 良的透比特性。?玻璃町以耐一定的温度。?玻璃具有一定的强度。?玻璃的成本低 廉。非晶硅太阳电池又称“无定形硅太阳电池”，最大特点是薄。原理是利用半导 体的光伏效应实现光电转换，与单晶硅电池不同的是非晶硅中光生载流子只有漂移 运动而无扩散运动，原因是由于非晶硅结构中的长程无序和无规网络引起的极强散 射作用使载流子的扩散长度很短，光生载

9、流子由于扩散长度的限制将会很快复合而 不能被收集。提高非晶硅太阳电池转换效率的措施:改进 P 型窗口材料及其前后界面特性;采 用陷光结构以增加太阳电池的短路电流光入射到太阳电池的表面时总会有反射损 失，即使光进入 i 层有源区，也会由于吸收系数和 i 层厚度的限制造成部分光的透 射损失;获得高质量的i层;为了进一步提高电池的开路电压和填充因子，出来提高 P 层的掺杂浓度外，还需要提高 n 层的掺杂浓度，以进一步增加内建电势和减少串 联电阻;采用叠层电池结构以扩展光谱响应范围。非晶硅电池的优点: 在可见光范围内，非晶硅比单晶硅有更大的吸收系数，电池活性材料厚度为0.3-0.45mm，是常规电池的

10、1/101/100，可节约大量材料； 可直接沉积出薄膜，没有切片损失;可采用集成技术在电池制备过程中一次完成组件，省去材料、器件、组件各自 单独的制作过程;可采用多层技术，降低对材料品质要求等;非晶硅电池由于适合于沉积在不锈钢、塑料薄膜等衬底上，所以在与建筑物一 体化方面也会有很大的作为。非晶硅电池的缺点: 效率较低 引起效率低的主要原因是光诱导衰变或称 Staebler-Wronski 效应; 用氢稀释硅烷方法生长的 a-Si 和 a-SiGe 薄膜可以有效地 抑制光诱导衰变，提高效率。沉积速率低目前主要采取以下措施提高沉积速率:a.适当地提高射频功率;b.适当控制加工气的保持时间;c.提高

11、衬底温度，可提高沉积速 率，但同时会降低太阳电池的效率。Ag 电极问题 Ag 电极昂贵、质软、在后续加工中产生问题。采用 A1 代替 Ag 做 背反射层，这样可以降低成本、优化可靠性，但却降低了转化效率。薄膜沉积过程中的杂质 沉积过程中 O 、N， C 等杂质浓度高，存在表面反应， 影响薄膜质量和电池性能的稳定性。多晶薄膜太阳电池:薄膜太阳电池以其低成本、高转换效率、适合规模化生产 等优点 Cu2S,CdS 是一种廉价太阳电池，它具有成本低、制备工艺十分简单的优 点。由于CulnSe2薄膜材料具备十分优异的光伏特性，20年来，出现了多种以Cu1nSe2 薄膜材料为基础的同质结和异质结太阳电池。

12、主要有 n-CulnSe2,p-CulnSe2、S2,CulnSe2、CdS,CulnSe2、ITO,Cu1nSe、GaAs,CulnSe2、ZnO,CulnSe2 等。其中最为人们重视的是CdS,CulnSe2电池。目前制备 CdS 薄膜的方法有很多种，主要有化学水浴沉积法、电沉积法、真空 蒸发法、喷涂法等。CIS薄膜的特性:非常高的光吸收系数;薄膜的厚度可以做到l,2“m;长期的稳 定性; 具有抗辐射性能。CdTe,CdS太阳能电池中的缺陷及处理工艺:CdS薄膜普遍存在有针孔，这些针 孔可能会为CdTe与SnOz提供短路。同时，在CdS薄膜中有着高密度的层错，这些 层错将对CdTe,CdS

13、界面产生副作用，而且这些面缺陷将延伸到CdTe薄膜中。由于CdS是六方结构而CdTe是立 方结构以及约 9% 的失配度从而导致在界面上产生高密度的面缺陷和线缺陷。多元化合物太阳电池是指不是用单一元素半导体制成的太阳电池，以区别于各 种硅太阳电池。较有代表性的有硫化镉太阳电池和砷化镓筹太阳电池。燃料电池是一个电池本体与燃料箱组合而成的动力装置。燃料电池具有高能 效、低排放等特点。燃料电池的分类:碱性燃料电池质子交换膜燃料电池 磷酸燃料电池熔融碳酸燃料电池固态氧燃料电池质子交换膜燃料电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质,无电解质腐蚀问题， 能量转换效率高，无污染，可室温快速启动。再生氢氧燃料电池将水

14、电解技术与氢氧燃料电池技术相结合 ,氢氧燃料电池 的燃料H2、氧化剂02可通过水电解过程得以“再生”，起到蓄能作用。可以用作 空间站电源。熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳 极、金属极板构成的燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐。反应原理示意图如下:阴极: 02 + 2C02 + 4e- ?2C032-阳极：2H2 + 2C032- ? 2C02 + 2H20 + 4e -总反应: 02 ， 2H2 ? 2H20 固体氧化物燃料电池采用固体氧化物作为电解质，除了高效，环境友好的特点 外，它无材料腐蚀和电解液腐蚀等问题。单独的燃料电池堆是不能发电并用于汽车的，它必需和

15、燃料供给与循环系统、 氧化剂供给系统、水/热管理系统和一个能使上述各系统协调工作的控制系统组成 燃料电池发电系统，简称燃料电池系统。电催化是使电极与电解质界面上的电荷转移反应得以加速的催化作用。电催化 反应速度不仅由电催化剂的活性决定，而且与双电层内电场及电解质溶液的本性有 关。采用化学方法制备Pt/C电催化剂的原料一般采用铂氯酸。制备路线分两大类： a先将铂氯酸转化为铂的络合物，再由络合物制备高分散Pt/C电催化剂；b直接 从铂氯酸出发，用特定的方法制备Pt高分散的Pt/C电催化剂。由于气体在电解质溶液中的溶解度很低，因此在反应点的反应剂浓度很低。为 了提高燃料电池实际工作电流密度，减小极化

16、，需要增加反应的真实表面积。此外 还应尽可能的减少液相传质的边界层厚度。因此在此种要求下研制多孔气体电极。PEMFC 对质子交换膜的性能要求如下:具有优良的化学、电化学稳定性，保证 电池的可靠性和耐久性;具有高的质子导电性，保证电池的高效率;具有良好的阻气 性能，以起到阻隔燃料和氧化剂的作用;具有高的机械强度，保证其加工性和操作性;与电极具有较好的亲和性， 减小接触电阻;具有较低成本，满足使用化要求。燃料电极经常与燃料气体H2及CO等接触。所以对这些气体要求具有稳定性。对燃料电极材料的基本要求是:导电性能好;耐高温特性好;对电解质具有抗腐蚀性;在燃料气体等还原性气氛中很稳定;在高温下不发生烧结现象和蠕变现象，机械强度高。空气电极经常与高温的氧化气氛接触，所以需要抗氧化的性能。目前常用的空