论太阳能.doc

化学与现代社会期末论文大 连 理 工 大 学化学与现代社会期末论文论太阳能电池年 级: 1105 学 号: 201121140 姓 名: 刘恩德 专 业: 物理与光电工程学院 二零一二年四月二十日绪论太阳能能源是来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能、等也都是由太阳能转换来的。太阳能是氢原子核在超高温时聚变释放的巨大能量，是人类能源的宝库，如化石能源、地球上的风能、生物质能都来源于太阳。太阳能的利用主要有以下两大类：一、间接利用太阳能：化石能源（光能-化学能）生物质能（光能-化学能）二、直接利用太阳能：集热器（有平板型集热器、聚光式集热器）（光能-内能）太阳能电池：（光能-电能）一般应用在人造卫星、宇宙飞船、打火机、手表等方面。这篇论文主要讨论了几年来关于太阳能电池的发展进程和前景，还有一系列关于太阳能的研究，比如芬兰研发出的高效硅纳米棒太阳能电池新技术，日本开发出世界最高转换效率36.9%的太阳能电池等等。目录绪论一、 太阳能电池的现状1.1新型硅纳米颗粒提升太阳能电池性能1.2 科学家用氧化锌“纳米矛”提升太阳能电池效率1.3芬兰研发出高效硅纳米棒太阳能电池新技术二、 太阳能电池发展前景2.1纳米薄膜太阳能电池转化效率达8.1%2.2日本开发出世界最高转换效率36.9%的太阳能电池2.3 有机塑料使太阳能电池转化率达44%总结一、 太阳能电池的现状1.1新型硅纳米颗粒提升太阳能电池性能科学家一直致力于寻找更好的材料和方法来制造高性能的太阳能电池。美国科学家的一项最新研究发现,在硅太阳能电池表面生成一层硅纳米颗粒薄膜能够提升它的能量转化能力， 并且减少电池自身的发热，延长使用寿命。相关论文将发表在应用物理快报（Applied Physics Letters）上。该项研究由美国伊利诺伊大学的物理学家M u n i r N a y f e h 领导，主要针对的是吸收转化紫外光。对传统太阳能电池而言，紫外光线要么直接被渗漏出去，要么被硅器件吸收，但转化成的却是热能而并非电能，这有可能影响使用寿命。在2 0 0 4 年发表于光子技术快报（Photonics Technology Letters）的一项研究中，N a y f e h 证实，紫外光线能够与尺度合适的纳米颗粒有效地结合， 产生电能。为了达到实际应用的效果，N a y f e h 和同事进行了新的研究。他们首先利用自身开发的一项专利技术，将体积较大的硅转制成离散的纳米级颗粒，它们会发出不同颜色的荧光。而后，研究人员将这些颗粒分散在异丙基酒精中，并抹在太阳能电池的表面。当酒精蒸发后， 电池表面就会最终形成一层紧密的纳米颗粒薄膜。研究人员发现，如果太阳能电池表面覆盖的是厚度为1 纳米的蓝色荧光纳米粒子薄膜，整个电池将能够多转化6 0 % 的紫外光线，不过可见光的转化率提升不到3 % 。但如果电池表面覆盖的是厚度为2 . 8 5 纳米的红色荧光粒子薄膜， 那么紫外光线的转化率可增加6 7 % ，而可见光的提升也能达到1 0 % 。 N a y f e h 认为，太阳能电池性能的这种改进应更多地归因于电池电压的提高而不是电流。他说，“我们的研究结论表明了薄膜内电荷传输和纳米粒子界面修正的重要性。”N a y f e h 表示，新的涂层工艺很容易并入目前太阳能电池的制造过程，而成本并不会有额外的增加。1.2 科学家用氧化锌“纳米矛”提升太阳能电池效率美国密苏里科技大学(Missouri University of Scienceand Technology)的研究人员表示，将一种氧化锌(ZnO)制成的“纳米矛(nanospears)”钉在太阳能电池表面，将可扩展其吸收光谱并因此提高太阳能电池的效率。而由于该种混合材料既能吸收光线也能发光，研究人员表示其应用范围可望涵盖超紫外光雷射(ultraviolet lasers)、广谱固态照明( w i d e - s p e c t r u m s o l i d - s t a t e l i g h t i n g ) ，以及新式的压电组件( p i e z o e l e c t r i c d e v i c e s ) 等等。“氧化锌能吸收接近超紫外光光谱的光线，”密苏里科技大学教授J a y S w i t z e r 表示：“这能与吸收近红外线光谱的硅互补; 若以上这两部分光谱都能被利用，就可能实现更高的太阳能电池效率。”Switzer 表示，过去在硅晶上长氧化锌的尝试，都仅获得有限的成功， 主要是因为这两种材料的晶格并不协调; 而研究人员将氧化锌的晶格轴心倾斜，就解决了以上问题，并使氧化锌能与硅精准匹配。由于氧化锌是以一个不寻常的角度长在硅上，就像是钉在硅晶表面的纳米尺寸矛那样，使太阳能电池可吸收较长的超紫外光波长，也能吸收较短的红外线波长。该种氧化锌纳米矛的长晶法，是利用一种饱和了锌离子的碱性溶液淹没硅晶圆表面，所长出的纳米矛直径约100200 纳米，长度约1 微米( m i c r o n ) ; 透过一种自动排列制程，这些纳米矛会以精准的角度在结晶硅表面自组装( s e l f - a s s e m b l e d ) ，将晶格不匹配的状况降到最低。S w i t z e r 表示：“这种系统会以51 度的角度、在我们完全没有介入的情况下达成晶格匹配。”该研究团队的下一步是制作出太阳电池：“困难之处在于制作与氧化锌纳米矛接触的触点; 其中一个方案是使用溶液触点制作光电化学( p h o t o - e l e c t r o c h e m i c a l ) 太阳能电池。1.3芬兰研发出高效硅纳米棒太阳能电池新技术赫尔辛基1月11日电芬兰一家公司近日发布消息说，该公司与其合作伙伴成功研发出一种高效硅纳米棒太阳能电池新技术，不仅能提高太阳能电池的能效，还可降低生产成本。这家名为picosun的公司称， 新型太阳能电池的能源转换效率可达到9 以上，并具有良好的长期稳定性。据该公司发布的新闻公报介绍，他们主要是利用硅纳米棒材料，在较廉价的玻璃等基板上培养硅纳米棒“森林”。这样首先可减少硅的使用量，从而降低成本，其次还可显著提高太阳能电池的能源转换效率。与传统的二维薄膜太阳能电池相比， 新型太阳能电池的碳纳米棒“ 森林”三维结构表面活性更高，光吸收效率也明显提高。此外，这种太阳能电池的结位置更接近表面，可以提高少数载流子的迁移率，从而提高太阳能电池产生的电量。二、 太阳能电池发展前景2.1纳米薄膜太阳能电池转化效率达8.1%澳大利亚斯威本科技大学和中国尚德电力控股公司的科学家们表示，他们已经研制出高效的宽波段纳米等离子薄膜太阳能电池，其光电转化效率为8.1%，而且这种电池的转化效率仍有改进空间。研究发表在最新一期的纳米快报杂志上。为捕获更多太阳光，该科研团队将金和银纳米粒子嵌入薄膜中，增加了电池可吸收太阳光的波长范围，从而增加了光子转化为电子的效率。他们还更近一步使用了一些有核的或表面凹凸不平的纳米粒子。研究人员称，最新方法的另一个优势在于，将纳米粒子整合进入太阳能电池的成本并不高且很容易规模化，因此能借用其他产品线进行大规模生产，并有望在2017年实现商业化生产。2.2日本开发出世界最高转换效率36.9%的太阳能电池日本新能源与产业技术综合开发机构（NEDO）在近日宣布，其主导的“创新型太阳能发电技术研发”项目取得阶段性成果，项目承担单位夏普公司成功开发出转换效率达36.9%的太阳能电池，达到了世界最高转换率。夏普公司采用3 种化合物（上层InGaP、中层GaAs、底层InGaS） 叠加的方式于2009 年10 月份就实现了35.8%的转换效率。经过两年的研究，解决了结合部连接层衰减的问题，大幅提高了转换效率。“创新型太阳能发电技术研发”是日本经济产业省下属独立行政法人NEDO 主导的国家级太阳能发电技术开发项目，该项目瞄准2050 年，目的是开发出转换效率40%以上的太阳能电池，并使成本下降到日本目前的普通发电水平（7 日元/kWh）。由于这一成果的取得，NEDO 预计将大大提前实现上述目标。另据EDO 网站消息，为了配合“创新型太阳能发电技术研发”项目的实施，NEDO 和欧盟委员会与今年5 月签署了研发合作协议，产学研合作共同开发转换效率达到45%的太阳能电池。项目实施期间从2011 到2014 年，日本共投入6.5 亿日元，欧盟投入500 万欧元。日方项目参加单位为，丰田工业大学（丰田集团）、夏普、大同特殊钢、东京大学、产业技术综合研究所；欧方为，西班牙、德国、英国、意大利、法国等国的大学、研究所与企业。2.3 有机塑料使太阳能电池转化率达44%美国得克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员表示，根据有关太阳能能量转换机制的全新研究，利用一种有机塑料半导体材料，可使传统太阳能电池的效率显著增加，从31%提升至44%。相关研究报告发表在2011年12月16日出版的科学杂志上。领导这一研究的该校化学系教授朱晓阳及其团队发现，利用一种有机塑料半导体材料，可使从太阳光子收获的电子数量增加一倍。朱教授表示，塑料半导体太阳能电池的生产具有很大优势，其中之一就是成本较低。新材料开启了太阳能能量转换的新途径，从而让能量转换效率达到更高。目前使用的晶硅太阳能电池的最大理论效率约为31%。这种以“热电子”形式呈现的能量，会以热能的形式损失掉。而捕获热电子能提高太阳能到电力的潜在转化效率，甚至可使这一比率达到66%。总结太阳能电池作为一种清洁能源，应用越来越广泛。作为21世纪的新能源，各国都将投入大量的人力和财力资源去研究和开发太阳能电池。太阳能将被广泛的应用于生活和生产。研究高转化效率的材料和大功率的太阳能电池仍然是我们目前所需要克服的。目前，我国在这一方面做的显然是不够的。首先，我们已经落后西方国家许多，但在中国我们能明显的感受到对科技创新的意识缺乏。太阳能电池作为新兴的技术，各国的差距不大，我们应该抓住机遇，争取早日取得成就。参考文献【1】中国粉体工业, China Powder Industry, 任霄鹏;编辑部邮箱 2009年 05期 【2】上海国资, Capital Shanghai, 编辑部邮箱 201