纳米太阳能电池——太阳能的希望.doc

纳米太阳能电池太阳能的希望.txt当你以为自己一无所有时，你至少还有时间，时间能抚平一切创伤，所以请不要流泪。能满足的期待，才值得期待；能实现的期望，才有价值。保持青春的秘诀，是有一颗不安分的心。不是生活决定何种品位，而是品位决定何种生活。 本文由skipkop贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 $%&() *%+, ! 取之不尽! 用之不竭的 最清洁能源 小学生都知道太阳是生 命 三 要素 !阳光! 空气和 水 之 一 太阳对于人类之必须尽人皆知# 当然我们这里只谈太阳能能源问 题$ 现在一年内全球消耗的所有 能量 !矿物能源和可 再 生 能 源 总 和 为 #$%& % 兆 瓦 & #%& 撰文 !张邦维 ! 变为电能 并不需要机械设备 不燃烧任何燃料 也不需要水或 气体 不会产生任何温室气体或 其他有害气体 也不会产生噪 声 因此 不会对人类和环境产 生任何有害影响 就是说 太阳 能是完全清洁的能源$ 此外 按 目前太阳的质量消耗速率计 太 阳 的 寿 命 至 少 可 维 持 .( 亿 年 人类根本用不着去考虑太阳能没 有了该如何办的问题$ 所以说 的$ 联合国估计 全球实际上还 能够建造的水电资源小于 (*,%& $ 所有潮汐和洋流的发电总额小于 )%& $ 所有 全 球 的 地 热 能 源 约 为 #)%& 其 中 只 有 一 小 部 分 能 够 实际开采$ 全球的风力资源大约 是 )!-%& $ 全球的生物燃 料 能 源 理 论 上 为 +!#(%& $ 这 些 能 源 即 使是全部都开发出来 但还是满 足 不 了 到 )# 世 纪 末 的 需 求 $ 因 此 人们只有寄希望于利用太阳 能$ 太阳照射到地球大气顶 部 的 能 量 理 论 上 为 #+( (%& 经过大气和云层散射 后 到达地面上的为 #(#) 瓦 即 # 万 亿 瓦 #( 亿 千 瓦 $ 一个大型电厂或电站年发电量为 #( 亿瓦 因此 要 #( 个大型电 厂才能生产 #%& 电 $ 太 阳 一 小 时 投 到 地 球 上 的 能 量 !#$*+%& 就 超过了这个数量$ 随着人口和经 济的发展 预计到 )(,( 年 全球 的 能 量 需 求 将 翻 番 为 $(%& 而 到 )# 世纪末 能源的需求会是现 在的 $ 倍 即 -.%& $ 矿 物 燃 料 不 仅会产生有毒和有害气体 给环 境和人类带来危害 而且它们的 数量也愈来愈少 远远不能满足 这种需求$ 其他的能源 从目前 来看 核电厂似乎可能性最大 了 但 要 达 到 )(,( 年 $(%& 的 目 的 需要每天新建一个 #( 亿瓦的 核电厂才行 这当然是办不到 #)( (%& $ 全 球 的陆地面积只占全 球 总 面 积 的 )/0 即 #*$ 亿 平 方 公 里 $ 再考虑到技术上的可行 性 即使能量转变效率 只有 #(0 实际上 全球 真正能够使用的太阳也 能 达 到 约 .(%& $ 因 此 大大超过了到本世纪末 全部能量的需求$ 由于 太阳能电池直接将光转 图 ! 半导体太阳能 # 发电原理示意图! !#$ 科学 !# 第 $ 期 & 万 方数据 谈天说地 7-890: ;- ?-,& 积的太阳能就 能够供给了 对于全美国! 则只相当于将 全美所有的高 速公路上都装 上太阳能电池 板就能满足她 目前对能源的 需求 我国的 图 ! 美 国 国 家 可 再 生 能 源 实 验 室 的 #$%& 关 于 全 球 ( 积 累 产 量 以及价格逐年下降图! 图 中预示了未来的发展状况! 倍 ! 甚 至 % 倍 ! 达 到 C%( 的 话 ! 那么价格不就自然而然地降下 来! 与其他矿物能源的价格相 当! 甚至更便宜了 这两个方面 人们都寄希望于纳米技术来解 决 但更为重要的是! 发展 ! 的 关键还在于如何用纳米技术来提 高 ! 的光转换率 情况也类似 总之! 担心 纳米太阳能电池 应运而生 人们设想 ! 的发展过程为三 代% 第一代也就是当前 ! 所处的 时代! D$( 以上的 ! 使用的是单 晶 和 多 晶 半 导 体 A 材 料 光 效 率 不 超 过 )%( ! 价 格 不 低 于 *% 美 元 B,E 第一代经历了半个世纪& 第 二 代 ! 使 用 的 材 料 为 非 晶 AF $ 为什么太阳能电池的 发展受到限制 根据美国国家可再生能 源 实 验室的统计! 全球 ! 产量比 #$% 年 增 长 了 &%( ! 应 当 说 增 长 得 相当快! 但是总量却占全球总能 量 )*+, 的 )*( 到 !# 年 为 止! 我国 ! 产量在总生产能量中 的比例低于世界水平 既然太阳 能那么丰富! 而且又非常清洁! 为什么到现在! 我国在全球太阳 能产量总能量中所占比例又是如 此之低呢# 是不是像有些人所想 象的那样! 由于太阳能密度较 低! 需要太多的土地面积才能产 生足够多的能量需求呢# 美 国 -./0102. 大 学 的 3.4.567 教授等人曾经对美国的情况进行 过分析 在美国每人每年平均消 耗 的 能 量 为 8$9,: ;)9,: 就 是 一度电, 的 工 厂 有 ?9= 面 # 图 ) 近 年 来 美 国 欧 洲 和 中 国 *( 及 价 格 虽 然 总 的 来 说 仍 然 是 降 低 趋 势 # 但 有 所 波 动 ! 数 据 取 自 +,-$.#/ $ 0#1 $+2%-3 -34 5 6, +,-$ 7+4#,% 8%9-:, *$:;% 34%= 和 我 国 有关统计资料! !#$ 科学 !# 第 $ 期 !& 万 方数据 谈天说地 )*+,-. /*01 对 即载流子增值 产生光子损失的一个重要原因是 由于低于能隙能量光子的流失! 阻止这些低能量光子的流失当然 就会提高 ( 的光转换率! 降低这 种光子传输损耗的方法之一是 将未被 ( 吸收因而流失的那些太 阳能谱中的较低能量光子 通过 反射和向上转换而成为高能量光 子 因而为 ( 所吸收! 学者们又 提出了下转换太阳能电池的概 念 并进行了理论分析和计算! 现在是把与单结 ( 绝缘的发光转 换器放置在 ( 前面 转换器吸收 了高能量光子后转换辐射出两个 +,-. 效应! 文献中 把 这 样 的 ( 称 为 -/0 太 阳 能 电 池 ! 这种新概念起源于 半导体晶体中 叫 做级联碰撞的碰撞 离化过程 一个高 能量的光子 有可 能激发出多对电 图 ! # 发 展 的 $ 个 阶 段 示 意 图 ! 目 前 主 要 处 于 第 % 代 和 第 & 代 # 其 特 征 是 光 转 换 率 低 而 价 格 贵 ! 第 $ 代 # 才 能 达 到很高的光转换率 价格才能见到于矿物能源相当的程度 第 $ 代 # 得依靠概念创新和纳米技术才能逐步实现! 子$空 穴 对 1 不 过 这 样的机率相当低! 美国可再生能 将 可 降 到 !# 美 元 $%& ! 显 然 在 现在的第一代# 第二代与第三代 之间 存在着巨大的间隙! 如何 在这种巨大的间隙之间架设起桥 梁 正是一些先进的科研人员当 前注视和努力研究的课题 而且 已经取得了成就 ! 这主要是通过 概念# 方法和材料创新 提出了 诸如多结 ( 器件# 光谱移动# 多 电子产生# 多能级太阳能电池以 及热载流子太阳能电池等完全崭 新的概念和模式 并有了进展! 量子点多激发太阳能电池 前面所讨论的目前最 通 用 的 单 结 )* 太 阳 能 电 池 一 个 光 子 最 多 只 能 产 生 一 对 电 子$空 穴 对 ! 突破这种旧模式的崭新概念就是 一 个 光 子 产 生 多 对 电 子$空 穴 源 国 家 实 验 室 的 23443 等 人 在 #!5 年 底 计 算 了 6)7 等 各 种 -/0 太 阳 能 电 池 的 最 大 转换效率 最大可达 89: ! 此前 他们甚至在理论上 预言 转换率可超过 ;5: ! 真 实 的 -/0 太 阳 能 电 池 转 换率到底能达到多大 还 得等待有关制备技术解决 了 实际 的 -/0( 制 作 出 来之后才能知晓! 看来这 还有一段路要走! 多光谱纳米晶太阳能 电池 多 光 谱 ( 是 指 通 常 宽 能量范围太阳能光谱中那 些低于 ( 能隙的光 子 通 过一定方法和装置也能够转变为 或更多个低能量光子 它们在 ( 中产生多对电子$空穴对 就 是 说 一个高能量入射光子产生的 电子$空穴对多于一对 从而 提 高了转换效率! 对于散射太阳 光 这种太阳能电池的转换效率 前面 我 们 看 到 在普 通太阳能 电池中 最大达到 ;: ! 这两种方法中的 ( 和转换器 是分开的 这样就可以尽量使各 自的材料最佳化! 一些学者认 为 采用量子点作为发光转换 图( 上 转 换 器 太 阳 能 系 统 #左 边 $ 和 下 转 发 器 #右 边 $ 示意图% 图左显示太阳能和转换器之间用绝缘体隔开 绝缘 因能量低于太阳能电池的能隙未被吸收 而流失的亚能带光 子 经安装在转换 器后面的反射体向上 反射部分 由 转 换 器 转 变 成 为 高 能 量 光 子 随 之 便 可 以 为 # 所 吸 收 成 为 有 用 的 光 子! 图右的原理相类似! ( 所吸收 的有用光 子的一种 太阳能电 池! 图 量 子 点 中 产 生 多 激 发 的 能 级 示 意 图 ! 这 里 表 示 的 是 一 个 光 子 产 生 $ 个激发的 情况! ! 科学 !%# 第 & 期 !#$ 万 方数据 6$%:&4 -$;:( (9 ! 寿 命 能 达 (:39 年 ! 那 么 其 使用性是很明显的 实际上! 不追求转换 效 率 大 大 超 过 %1 太 阳 能 电 池 ! 而 只 是 在 于采用塑料等以大大降低太阳能 电池价格为目的! 除了上述纳米 晶 4%5 电池外! 还有相当一部分 人在研究有机和无机薄膜纳米晶 太阳能电池 目前两者的最高转 换率在 399: 年都达到或超过 :8 际上就是一种光电 化学太阳能电池 当 初 *+!,-./ 电 池 的 转 换 效 率 为 67(8 前景灿烂 目前以单结 %1 材料 为 主 的 ! 发展很快! 但所占总能源的份额 还很低! 远远满足不了人们对于 可再生清洁能源的需求 主要原 因 在 于 光 转 换 率 太 低 和 ! 价 贵 创造出崭新的概念 ! 设计出全新 的 ! ! 在 纳 米 技 术 的 基 础 上 ! 从使用价格低廉的有机材料! 以 及主要追求很高光转换率! 然 后 ! 达 到 大 大 降 低 ! 价 格 两 个 方面! 都在发展! 并且在实际制 造上也取得了初步成就 但是! 要 想 纳 米 ! 有 突 出 的 进 展 ! 还 有很多的工作要做 ! 还有很长的 路要走 ! 器! 将会很有希望的 但是至今 还没有实际制作出来! 看来还需 要一些时候才能真正制造出这样 的 ! 来 后来到 ()6 年! 转换效率提高到 了 (98(8 如 上 可 知 ! 电 解 质 在 *+!,-./ 电池中起着使染料再生和传输空 穴的双重作用! 对包括电池的光 电压在内的性能也有很大的影 响 加之! 最初所用的液体电解 质容易出现溶剂泄漏 $ 挥发! 使 电池稳定性不好等缺陷 ! 并且影 响到设计和制备较难掌握! 于是 人们在转向于研究提高 4%5 电池 转换效率的同时 ! 也着力于凝胶 态和固态电解质的研究 而使用 后者的称之为固态纳米晶染料敏 化太阳能电池 固 态 纳 米 晶 4%5 的 转 换效率普遍都比液 体 电 解 质 的 4%5 为 低 399: 年 我 国 物 理 所 采 用 ;1%123 固 态电解质! 将纳米 纳 米 晶 4%5 的 转 转 换 率 分 别 提 高 到 !) 染 料 敏 化 纳 米 晶 太 阳 能 电 池 为什么叫染料敏化太阳 能 电 池 # $%& # 因 为 ()( 年 瑞 士 的 *+!,-./ 在发明这种 ! 的时候! 使 用了染料敏化来模仿自然界植物 通过光合作用吸收太阳能的原 理! 因而得名 现在! 也常常将 这种 ! 称为 *+!,-./ 电池 电池中 染料的作用类似那些使植物变 绿! 负责吸收光能释放电子的叶 绿 素 最 初 的 *+!,-./ 电 池 是 由 透 明 导 电 玻 璃 $ 多 孔 纳 米 晶 0123 薄 膜$ 染料敏化剂$ 电解质溶液和 透明对电极组成 其工作原理 是! 染料分子中的电子吸收太阳 光能后由基态跃迁到激发态! 但 激发态不稳定! 电子快速注入到 紧邻的能级能量较低的 0123导带! 染 料 变 为 氧 化 态 ! 进 入 0123 导 带 中的电子传输到导电玻璃片! 从 外电路通过负载传输到对电极 同时电解质中的氧化还原作用! 78 和 :7?8 如 果 再提高一些转换效 率! 考虑到其制造 图 ! 由 #$%&( 公 司 用