计算机模拟在光电材料及太阳能工程领域的应用与新进展.doc

计算机在材料科学与工程中的应用装备学院 复材11班 110690计算机模拟在光电材料及太阳能工程领域的应用与新进展摘要：本文介绍了新能源的一个方向，讲述了太阳能光电转换材料的一些发展状况以及计算机模拟在太阳能光电材料发电方面的应用。并且讲述了太阳能材料当下的研究新进展。关键字：新能源、太阳能、太阳能工程、太阳能电池的基本原理、发电、光电材料、计算机模拟、电子计算机应用、电子计算机技术。引言在20世纪的世界能源结构中，人类所利用的一次性能源主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。经过人类数千年，特别是近百年的消费，这些化石能源已经被消耗了相当的比例。这些能源在使用中会排放能够大量的有害物质(二氧化碳、硫、氮氧化合物等)，是造成大气污染和生态环境破坏的主要原因。随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持续增长，世界上的化石能源消费总量总有一天将会到达极限。太阳能（电池）作为解决人类所面临的能源与环境问题的最佳选择，具有来源广泛、使用方便、无污染等优点，在航空、航天、通讯及微功耗电子产品等领域具有广阔的应用前景，因而逐渐成为研究的重点方向和主流。一、太阳能光电材料及种类、开发光电材料是能把光能转变为电能的一类能量转换功能材料。目前，太阳电池材料主要以硅材料为主，但是硅材料还面临着许多问题，因此一方面要寻找更为方便易行的硅材料提纯技术以扩大生产，另一方面要采用新技术，在获得同样电能的基础上减少硅材料用量。另外，要尽快使纳米晶等其他太阳电池材料技术成熟，达到工业化水平，减轻现有硅材料短缺对太阳能行业的影响。太阳能材料研究对太阳能光伏发电技术发展起着决定性的作用。每一新材料的出现，都给太阳电池及太阳能光电利用带来一次变革。随着新材料、新工艺的不断出现，太阳电池的效率及稳定性等将会得到进一步提高。总之，太阳能光伏发电量在2l世纪的能源比例将逐渐加大。随着太阳电池的价格逐渐降低，在生产和生活中会有更多的太阳能产品被应用。2.1单晶硅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熟的加工处理工艺基础上的。通过现代先进的电池工艺，开发的单晶硅电池可分为平面单晶硅高效电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。但由于单晶硅生产工艺复杂及相应的繁琐的电池工艺，致使单晶硅电池成本居高不下。因此要大规模推广太阳能电池靠单晶硅是不可能。2.2 多晶硅薄膜在太阳能电池中，吸收太阳光能量所需的半导体膜的厚度是很薄的。最新研究表明，多晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率可接近晶体硅太阳能电池，并且具有光电性能稳定的特点。日前，多晶硅薄膜太阳能电池研究和产业化开发工作主要是：在廉价衬底上高温沉积、低温生长和层转移技术，其中最为成熟的就是第一项技术在廉价衬底上高温沉积。2.3纳米光电材料纳米光电材料是指能够将光能转化为电能或化学能等其它能量的一种纳米材料，它具有以下特点：光电材料颗粒处于纳米尺度范围内时，会显示出与块体不同的光学和电学性质，其原因是随着粒径的减小而产生量子化的结果。由于半导体的载流子限制在一个小尺寸的势阱中，在此条件下，导带和价带能带过渡为分立的能级，因而有效带隙增大，吸收光谱阈值向短波方向移动，这种效应就称为尺寸量子效应。二、太阳能电池原理太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下： 图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照下图： 图中，黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成N型半导体 掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成P型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。 N型半导体中含有较多的空穴，而P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，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。（如下图） 当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。三、计算机模拟在太阳能工程中的应用世界性的新技木革命正从两个方面传递着太阳能拄木发展的信息。一是新材辩,新技木的应用；二是电子计算机技术的应用.由于太阳能工程拄木系统和 过程都可以抽象为信息变换过程,而信息处理 和变换正是电子计算机的突出功能,所以计算 机的应用迅速渗透判太阳能工程技木的各个领域,包括数值计算,系 统摸拟,参数监硼,优 化控制,辅助设计,资余自农料检索等方面,从而使传统的太阳船工程方法发生澡划的变革.1 、用于模拟人工计算。 太阳能工程设计中存在大量的人工计算过程.其特点是(1)繁杂重复,工作量大；(2)需要查用大量 图表；(3)为了便手手算,近似公式较多，人为误差大.因此人工计算所获得的数据算准确程魔和迅捷程度都是很有限的.而电子计算机具有信息存曩=量大和 快速加工处理功能,因而最适于模拟人工计算过程 比如太阳辐射通量的卜算和统计,太阳能干燥统计空气状态参数的计算等等,如采用计算机,别可避免近似计算和查用圈表,速度和准确性都比 手算大为提高,又如计算太阳能集热设备散热损失和 Trombe 墙空气夹层白然对扰速度,温度分布时,应考 虑物理场的瞬变特性,一般用不稳定输运方程或稳定 条件下的=维能量方程和连续性方程联立求解,但由于边界条件的复杂性,手算几乎不可能,只有用计算 机选个问题才可能获得解决。 2、用于数值模拟实验。 电子计算机应用于太阳能工程一始就突破了模 拟人工计算过程的限制,直接进入了系统特性数值模拟实验阶段.电子计算帆应用于太阳能工程是从被动式太用房热特性的计算机摸报开始的,这是计算机应 用于太阳能工程最为活跃,也是最有成效的领域。计算机摸拟太阳能系统性能,最重要的环节是建 立正确的数学摸型.它大致可分为两类：一为概率型, 二为动、静态储备型。在太阳能工程中,成本一致率是人们最为关心的问题,它的本质 是优化设计,优化运行和最佳控制.比如,对于被动式 太阳房设计者来说,往往需要知道,在太阳能追加投资一定的条停下,南向直射宙面积,南向Trombe 集热墙 面积和围护结构保温性能,选兰个设计要素之问如何 配比才能使太用房性能最佳.这是个非线性规划寻优问题,最茼单的可用一维搜索方法进行求解。太阳能系统的最优化只有计算机韵引入才可能顺利实现。此外,在太阳能工业热利用领 域,由于要保证生产的稳定性,必须协调生产连续性 21与太阳能间歇性之间的矛盾.它涉厦到太阳能资源特征,转换效率,生产工艺和班制,贮能装置和备用热 源,土地使用政策和管理水平等囡素.它既要求一次 投资最省,又要求经常费用不能太高.为了实现这个目标,必须对系统模型进行优化分析,作出评估.这实质上是一个多雏最优化问题,一般要借助计算机求解。3、用于太阳能系统的最优化控制。太阳能系统的最优设计必须依靠系统运行的最优化控制来实现.利用计算机进行系统控制可以实现三个日标:(1)保证系统在最小消耗下高效率运行；(2) 记录并处理大量数据；(3)能进行自学习对系统的运 行状态进行预测,以实现鞍完善的自适应控制.由于 太阳能系统规模较小,一般可采用微机控制和数据处理技术,或者把控制,测试功能分开,或者把二 者集于一体.目前,太阳能系统的计算机控制多用于 运行稳定性要求较高的系统,比如太阳能工业供热系 统和太阳能高温热利用系统以厦用于系统性能鑫数的 采集和处理.总之,计算在太阳能工程领域的应用尚属开拓 阶段,它关联着太阳能技术,电子计算机技术,现代 算法理论,现代控制论等学科,是一门综合性很强的 边缘科学技术.囡此,只有多个专业和部门的密切协 同,才能使逸一向题获得解决.四、计算机模拟太阳能工程领域的新进展 计算机应用于太阳能工程一始就突破了模拟人工计算过程的限制,直接进入了系统特性数值模拟实验阶段.电子计算机应用于太阳能工程是从被动式太用房热特性的计算机摸报开始的,这是计算机应 用于太阳能工程最为活跃,也是最有成效的领域。另外在太阳能光电材料领域中，有机光电材料是一类具有光电活性的有机材 料，广泛应用于有机发光二极管、有机晶体管、有机太阳能电池、有机存储器等领域。与无机材料相比， 有机光电材料可以通过溶液法实现大面积制备和 柔性器件制备。而太阳能光发电是太阳能利用的最佳途径!目前正在进行着从第一代基于硅晶片技术的太阳能电池向基于半导体薄膜技术的第二代半导体太阳能电池的过渡!第一代太阳能电池转换效率为11%15%!但成本太高!第二代太阳能电池成本大大降低!但转换效率只有6%8%!为进一步提高效率!同样基于薄膜技术的第三代太阳能电池已经开始研制!其转换效率将是第一代和第二代太阳能电池的数倍!它的问世将使人类在太阳能利用的历史上翻开新的一页!五、未来展望 我觉得未来太阳能光电转换材料的研究将朝转换效率高，寿命长，无衰退现象，制备工艺简单，对环境和设备要求不高，成本低，原料来源丰富或者是电池制备过程中用量少，环保等各种优良廉价无污染的方向发展。六、参考文献1 利用计算机模拟太阳能光伏发电.王默晗.山东科技大学热能与动力工程系，山东 青岛266510.节能 2005年 第5期.2太阳能热利用原理与计算机模拟作者：张鹤飞；出版社：西北工业大学出版社；出版时间： 2007； ISBN: 9787561217443.3 有机复合光电功能材料与器件领域的前沿与热点.陈红征，施敏敏 ，浙江大学材料与化学工程学院，杭州310027.4 太阳能供热采暖系统季节蓄热水箱的计算机模拟分析.中国建筑科学研究院空气调节研究所 ， 孙峙峰，BAC冷却系统（大连）有限公司 徐 飞.5毕雪芹.张妮.陈国绍.BI Xue-qin.ZHANG Ni.CHEN Guo-shao.一种基于MODEM的计算机远程监控系统【期刊论文】-电子设计工程2009，17（4）.6 梁宗存, 沈辉，李戬洪，太阳能电池及材料研究J材料导报2000，14(8)：38-40.7 Pope M, Kallmann H, Magnante P, Electrolumines-cence in Organic Crystals. 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