新能源材料与器件PPT完整全套教学课件

新能源材料与器件

绪论-能量概述第1章-能量物理化学第2章-太阳能电池材料与器件第3章-氢能材料与器件第4章-电化学能源材料与器件第5章-其他新能源技术第6章-能源经济绪论

课程内容课程背景新能源概述3.1能源3.2能源发展史3.3常规能源3.4新能源3.5新能源材料与器件的发展二课程背景Background3新能源技术是21实际世界经济发展中最具决定性影响的五个技术领域之一（信息、生物、新材料、新能源、空间技术），而新能源材料与器件是发展新能源技术和实现新能源利用的关键。近年来国际能源发生了重大调整，全球治理体系深刻变革，我国在“十三五”规划的主要目标中明确指出：“生态环境质量总体改善，生产方式和生活方式绿色，低碳水平提高。”实现这一目标就是要走绿色发展道路，发展新能源被提到了前所未有的国家战略高度。课程背景Background4战略新兴产业：新能源、新材料、新能源汽车新能源材料能源危机材料发展环境污染资源短缺二Background5新能源技术促进可持续发展推动低碳经济英国政府发表的《能源白皮书》中，首次提出了“低碳经济的概念”，低碳经济概念的提出，引起国际社会的关注，并且逐步形成共识。所谓低碳经济，就是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，或者是含碳燃料所排放的二氧化碳显著降低的经济。低碳经济能够同时实现三个目标。一是解决能源安全问题；二十解决气候变化和环境污染问题；三十提高国家经济竞争力和增加就业岗位问题。低碳经济包含：低碳生产、低碳流通、低碳消费三个方面。课程背景二Background6材料和能源是人类社会赖以生存和发展的最重要物质基础随着人类发展和社会工业化进程的推进，与人类休戚相关的室友、天然气和煤等传统能源日益减少，随之而来的环境污染日益严重，威胁着人类的可持续发展，人类社会要实验可持续发展战略，保护自然环境与资源，必须发展新材料和新能源技术。能源的转化和储存在充分利用地球资源，实验人类可持续发展、推动低碳经济方面起着重要的作用。课程背景二Background72017年，中国成为世界最大的原油进口国2018年，中国石油对外依存度升至70%课程背景二Background82018年，中国成为世界最大的天然气进口国。对外依存度持续扩大课程背景二Background9汽车尾气污染引发了严重的社会问题汽车是污染物总量的主要贡献者，据环境保护部报告显示，2017年，全国机动车排放污染物4359.7万吨。对北京、上海PM2.5的来源分析，机动车造成污染都占据20%以上。课程背景二Background10传统能源的使用成为环境污染的罪魁祸首课程背景二世界十大严重污染城市中国占：个7Background11温室效应——温室气体含量与来源课程背景二由于人类大量使用化石燃料，其排放出的CO2等温室气体对辐射的选择性和吸收特性是使地球变暖的主要原因。12课程背景面临任务研发环境友好、清洁高效的洗呢能源材料与器件成为洗呢能源领域的主旋律低碳生活发展清洁可再生能源实现清洁能源的高效利用锂动力电池组超级电容器风能太阳能二13三能源概述3.1能源1.基本概念能：物质运动转化的量度，也称为“能量”。从物理学的观点看，能量可以简单地定义为物理系统做功的能力。广而言之，任何物体都可以转化为能量，但是转化的数量、转化的难易程度是不同的。能源：可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任何形式能量的载能体资源。关于能源的定义：《科学技术百科全书》：“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”；《大英百科全书》：“能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”；《日本大百科全书》：“在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源”能量形式：机械能（风能、水能等）、电磁能、热能、化学能、原子能、光能。3.1能源14三能源概述2.能源种类：3.1能源按形成方式一次能源，即可供直接利用的能源煤、石油、天然气、风能、太阳能二次能源，即由一次能源直接或间接转换而来的能源电、蒸汽、煤气、氢按循环方式可再生能源，即不会随它本身的转化或人类的利用而越来越少风能、生物质能、太阳能、氢能非再生能源，它随人类的利用而越来越少石油、煤、天然气、核燃料按环境保护的要求清洁能源绿色能源，如太阳能、氢能、风能、化学能源非清洁能源化石燃料按对被利用的程度常规能源煤、石油、水力、电能新能源太阳能、氢能、地热能、生物质能、核能15三能源概述能源利用和开发太阳能化石能源风能水能核能地热能化学能源3.1能源16三能源概述人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。在当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。非再生能源:石油、天然气、煤炭和裂变核燃料约占能源总消费量的85%左右（全世界为90%）再生能源:水力、太阳能、风能等只占15%左右。2050年争取达到50%。各种能源的消费比例图:左图为我国能源结构；右图为世界能源分布图3.能源现状与问题：3.1能源17三能源概述再生能源分布:太阳能占99%以上,风能、地热能、生物质能等不到1%人类使用的能源归根到底要依靠太阳能，太阳能是人类永恒发展的能源保证。非水可再生能源（风能、太阳能、地热能、潮汐能、波浪能、以及生物能）的发电量会从2007年的2.5%增长至2030年的8.6%。3.1能源18三能源概述能源问题—矿物能源面临枯竭

能源危机与能源安全是当前世界各国面临的严峻挑战改善能源结构，实现能源多元化是国家发展的必然选择!3.1能源19三能源概述能源问题—环境污染利用能源的过程直接污染地球环境。主要来源：1)煤、石油等燃料的燃烧:我国的煤炭、石油等能源消耗居世界第一；2)汽车排放的废气；3)工业生产(化工厂、炼焦厂等)过程中产生的废气，我国单位GDP能耗是发达国家的8-10倍，每年新增碳排放量为世界第一大气污染：1)酸雨问题；2)温室效应；3)臭氧层破坏。3.1能源20三能源概述3.2能源发展史火的发现和利用；畜力、风力、水力等自然动力的利用；21三能源概述3.2能源发展史化石燃料的开发和热的利用；电的发现及开发利用；核能等新能源的发现及开发利用22三能源概述3.2能源发展史柴草时期18世纪初叶，即资本主义发展的初期以前为柴草时期。这时人类是以树叶、杂草等当燃料，用于熟食和取暖，而生产活动主要靠人力、畜力以及一些简单的水力和风力机械作动力。这段漫长的时期，人类社会的生产和生活处于很低的水平。能源简史根据各个历史阶段所使用的主要能源，可以分为柴草时期、煤炭时期、石油时期和新能源时期23三能源概述3.2能源发展史煤炭时期从18世纪下初叶产业革命导致了工业大发展，逐步扩大的煤炭利用促进了煤炭工业的发展，使煤炭代替了柴薪成为生产生活的主要燃料；燃煤蒸汽机成为生产的主要动力；煤炭转换成电力进入社会各个领域成为生产和生活的重要能源之一，电力的应用从根本上改变了人类社会的面貌。24三能源概述3.2能源发展史石油时期19世纪中叶，石油资源的发现，开拓了能源利用的新时代。石油和天然气以热值高、运输方便、清洁和廉价等优点，逐步在工业发达国家中代替了煤炭。随后，世界石油和天然气的消费量超过了煤炭成为世界能源供应的主力。1973年出现的石油危机，促使人类对能源的开发利用开始向比较丰富的核能以及太阳能和其他可再生能源改变，以更好地解决人类下一世纪的能源需求。4.新能源时期进入21世纪，人类开始了对绿色、环保、高效和稳定的新能源的探索。25三能源概述3.3常规能源常规能源：在相当长的历史时期和一定的科学技术水平下，已经被人类长期广泛利用的能源，不但为人们所熟悉，而且也是当前主要能源和应用范围很广的能源，称之为常规能源，如煤炭、石油、天然气、水能等。（1）煤炭煤炭是理在地壳中亿万年以上的树木等植物，由于地壳变动等原因，经过物理和化学作用而形成的含碳量很高的可燃物质，又称作原煤。按煤炭的挥发物含量的不同，将其分为泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤等类型。26三能源概述3.3常规能源（1）煤炭煤炭是地球上蕴藏量最丰富、分布地域最广的化石燃料。根据世界能源委员会的评估，世界煤炭可采资源量达4.84×104亿吨标准煤，占世界化石燃料可采资源量的66.8%。露天开采矿井开采27三能源概述3.3常规能源（1）煤炭煤炭既是重要的燃料又是珍贵的化工原料，在国民经济的发展中起着重要作用。煤炭在电源结构中约占72%，在化工生产原料用量中约占50%，在工业锅炉燃料中约占90%，在生活民用燃料中约占40%。自20世纪以来，煤炭主要用于电力生产和在钢铁工业中炼焦，某些国家蒸汽机车用煤的比例也很大。工业炼焦28三能源概述3.3常规能源（2）石油石油是仅次于煤的化石燃料，它是一种天然的黄色、褐色或黑色的流动或半流动的黏稠的可燃液体、烃类混合物。石油也称为“原油”。它可以被加工成各种馏分，包括天然气、汽油、石脑油、煤油、柴油、润滑油、石蜡以及其他许多种衍生产品，是最重要的液体燃料和化工原料。29三能源概述3.3常规能源（2）石油目前世界上已找到近3万个油田和7500个气田，这些油气田遍布于地壳上六大稳定板块及其周围的大陆架地区。在156个较大的盆地内几乎均有油气田发现，但分布极不平衡。世界石油储量分布图30三能源概述3.3常规能源（2）石油在现代国防方面，新型武器、超音速飞机、导弹和火箭所用的燃料都是从石油中提炼出来的。石油是重要的化工原料，可以制成发展石油化工所需的绝大部分基础原料。可以说石油是国民经济的“血脉”。海上钻井油田开发示意图31三能源概述3.3常规能源（3）天然气天然气是除煤和石油之外的另一种重要的一次能源。它燃烧时有很高的发热值，对环境的污染也较小，而且还是一种重要的化工原料。天然气的生成过程同石油类似，但比石油更容易生成。天然气是地下岩层中以碳氢化合物为主要成分的气体混合物的总称。主要由甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等烃类综合组成，其中甲烷占80%~90%。32三能源概述3.3常规能源（3）天然气天然气是蕴藏量丰富，最清洁而便利的优质能源。世界上天然气资源丰富，据俄罗斯学者预测，世界常规天然气的总资源量达4×1014-6×1014m3，此外还有大量非常规天然气资源。与石油一样，世界天然气资源分布也很不均匀，主要集中在中东、苏联和东欧，三者之和约占世界天然气总储量的70%。33三能源概述3.3常规能源（3）天然气2001年全世界气体燃料的总消费量为1137百万吨标准油。其中工业消费占44.8%，交通运输占4.8%，其他行业和生活消费则为50.4%。天然气市场非常广阔。世界各地区的天然气生产/消费图（2002年，单位：十亿m3）34三能源概述3.3常规能源（4）水能水能是自然界广泛存在的一次能源。它可以通过水力发电站方便地转换为优质的二次能源—电能。所以通常所说的“水电”既是被广泛利用的常规能源，又是可再生能源。而且水力发电对环境无污染，因此水能是世界上众多能源中永不枯竭的优质能源。35三能源概述3.3常规能源（4）水能我国土地辽阔，河流众多，径流丰沛，落差巨大，蕴藏着丰富的水能资源。据估计，我国河流水能资源的理论蕴藏量为6.76亿kW，年发电量为59200亿kW·h，不论是水能资源的理论蕴藏量，还是可能开发的水能资源，中国在世界各国中均居第一位。水能资源分布：36三能源概述3.3常规能源（4）水能水资源分布37三能源概述3.3常规能源（4）水能三峡工程——世界之最世界防洪效益最为显著的水利工程：三峡水库总库容393亿m3，防洪库容221.5亿m3，能有效地控制长江上游洪水，增强长江中下游抗洪能力。世界上最大的水电站：三峡电站总装机容量1820万kW，年发电量846.8亿万kWh世界泄洪能力最大的泄洪闸：三峡工程泄洪闸最大泄洪能力为10.25万m3/s。38三能源概述3.3常规能源（4）水能世界最大的抽水蓄能电站2000年3月14日，广东省广州抽水蓄能电站8号机组移交生产，标志着该电站的建设已全面完成，成为世界上最大的抽水蓄能电站。总装机容量240万kW的广蓄电站，一期工程总投资约27亿元，二期工程总投资近30亿元。39三能源概述3.3常规能源（5）核能由于原子核的变化而释放的巨大能最叫作核能，也叫作原子能。核能发电是一种清洁、高效的能源获取方式。实现核能的和平利用，就能够代替化石燃料，目前已生产出各种规格的核反应堆，是核潜艇、核动力破冰船、核电站等设备的核心部件。40三能源概述3.4新能源1.基本概念新能源是相对常规能源而言的，一般指以采用新技术和新材料而获得的，在新技术基础上系统开发利用的能源。包括太阳能、生物质能、化学能源、风能、地热能、海洋能、潮汐能，以及氢能、沼气、酒精、甲醇等。随着常规能源的有限性以及环境问题的日益突出，以环保和可再生为特征的新能源越来越得到各国的重视。新能源具有资源可持续、清洁、分布均衡等特点，必将成为未来可持续能源系统的支柱。新能源产业的发展既是整个能源供应系统的有效补充手段，也是环境治理和生态保护的重要措施，是满足人类社会可持续发展需要的最终能源选择。

41三能源概述3.4新能源常见绿色新能源

太阳能风能生物质能核能化学能源到“十二五”期末，新能源所占比重应该达到12%—13%到2020年，大电网覆盖地区非水电可再生能源发电在电网总发电量中的比例达到3％以上。2.新能源分类42三能源概述3.4新能源2.新能源分类新能源太阳能取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源存在转换效率、成本和使用寿命等系列问题氢能质量轻、传热高、清洁和来源广氢能的制备和贮存距离大规模利用还有一定距离核能已实现对核裂变的控制和利用，但尚未实现可控的核聚变反应清洁能源之一，和平利用核能为全球所关注生物质能绿色能源，科学家们预计将成为未来可持续新能源系统的重要组成部分风能太阳热辐射引起的大气流动的动能，是可再生的清洁能源，风力发电是风能利用的主要领域43三能源概述3.4新能源2.新能源分类44三能源概述现有能源网络3.4新能源45三能源概述3.4新能源电能储存是当前研究的重点。化学电源（电池）是人们生活中应用广泛的方便储能技术，也是高新技术和现代移动通讯的新型能源。性能优越的金属氰化物-镍电池、锂离子电池和燃料电池是21世纪的绿色能源。化学电源储能的电化学原理、制造技术和发展趋势是新能源开发的重要组成部分。以风能为例，新能源的利用流程46三能源概述3.4新能源3.先进储能技术储能，是指能量转化为在自然条件下比较稳定的存在形态的过程：自然储能——光合作用（太阳能转化为化学能储存）人为储能——机械储能、化学储能、电磁储能、水能储存等储能技术：在能源开发、转换、运输和利用过程中，能量的供应和需求之间往往存在数量上、形态上和时间上的差异。为了弥补这些差异、有效利用能源，而采取的储存和释放能量的人为过程或技术。47三能源概述3.4新能源储能技术一般要求:储能密度大变换损耗小运行费用低维护较容易不污染环境应用最广最主要的是电能储存。储能系统评价指标:储能密度储能功率储能效率储能价格环境负荷电的储能技术大致分三类：直接储存电磁能把电能转化为化学能储存把电能转化为机械能储存储能技术将在能源系统、新能源（单个或集成）技术及输送中发挥重要作用。3.先进储能技术储能系统本身并不节约能源，主要在于能够提高能源利用体系的效率，促进新能源如太阳能和风能的发展。48三能源概述3.5新能源材料与器件的发展1.能源材料的概念及分类

广义上，凡能源工业及能源利用技术所需的材料都可称为能源材料。有的学者分为：新能源技术材料－如增殖堆用核材料、太阳能电池材料节能材料－如非晶态金属磁性，超导材料。储能材料－如贮氢（吸氢）材料，高比能电池材料。新能源材料：指实现新能源的转化利用及发展新能源技术中所用的关键材料，是发展新能源技术的核心和其应用的基础。从材料学的本质和能源发展的观点看，高效储存和有效利用现有能源的新型材料也可归属为新能源材料。新能源材料是能源转化、储存与应用过程中的关键材料，主要包括太阳能电池材料、燃料电池材料、镍氢电池材料、锂离子电池材料及发展生物质能所需的关键材料等。49三能源概述3.5新能源材料与器件的发展2.新能源材料的应用与发展新材料把原来习用已久的能源变为新能源。如：半导体材料把太阳能有效地直接转变为电能；燃料电池能使氢与氧反应而直接产生电能，代替过去利用氢气燃料获得高温。新电极材料可提高储能和能力转化效率如：镍氢电池、锂离子电池等都是靠电极材料的储能效果和能量转化功能而发展起来的新型二次电池。新材料决定着核反应堆的性能与安全性新反应堆需要新型的耐腐蚀、耐辐射材料，这些新材料的组成与可靠性对核能的安全运行和环境负荷起决定作用。材料的组成、结构、制作、加工工艺决定着新能源安全环保与运行成本。如：太阳电池材料决定着光电转换效率；燃料电池及储能电池的电极材料及电解质的质量决定着电池的性能和寿命。50三能源概述3.5新能源材料与器件的发展物理电源的种类相对较少即为满足新能源的高效转换和储存而设计的清洁装置。物理电源是指把物理过程的能量转换成电能的装置最为典型的物理电源是太阳电池物理电源3.新能源器件化学电源最为显著的特点电化学系统可逆过程化学能转换成电能化学电源存储电能的效率通常比燃料燃烧系统高很多51三能源概述3.5新能源材料与器件的发展52三能源概述3.5新能源材料与器件的发展按照新能源利用角度分类53三能源概述3.5新能源材料与器件的发展主要新能源相关器件碱性二次电池（能量储存）金属氢化物镍蓄电池及锂离子蓄电池（包括聚合物锂离子蓄电池）主要应用于便携式移动设备，氢镍和锂离子蓄电池则为空间飞行器使用。产品向大容量及功率化动力储能电池的方向发展。

燃料电池MP354三能源概述3.5新能源材料与器件的发展主要新能源相关器件燃料电池（能量转化）碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、直接醇类燃料电池、聚合物膜燃料电池、磷酸燃料电池、溶化碳酸盐燃料电池等，距商业化应用尚有距离。55三能源概述3.5新能源材料与器件的发展主要新能源相关器件太阳能电池（能量转化）太阳电池分为空间和地面两大应用方向，地面应用以晶体硅（单晶硅、多晶硅）太阳电池为主，非晶硅太阳电池和铜铟硒（CIS）等化合物半导体太阳电池有少量应用；空间应用基本为单晶硅太阳电池和砷化镓太阳电池，目前仍以单晶硅电池为主，但砷化镓电池具有良好的应用前景。56三能源概述3.5新能源材料与器件的发展3.新能源材料与器件的发展趋势新能源成为新兴产业战略重点大力发展高效清洁的新能源及其先进能源材料的研究以替代化石能源，改善能源结构、实现能源多元化。原料能够摆脱化石燃料的限制使用过程无排放污染绿色电池能源转换过程不受热力学卡诺循环限制绿色新能源的特点与优势

57三能源概述3.5新能源材料与器件的发展3.新能源材料与器件的发展趋势“一代材料，一代技术，一代装备”新能源材料技术的研发与推广将引领和支撑新能源等国家战略性新兴产业的培育与发展。PV核能无论如何强调新能源和可再生能源的发展意义都不过分。

太阳能氢能风能第一章能量定律能量储存技术能量转换过程原电池与电解池电极过程动力学导论能源物理化学一能源物理化学59物理化学是化学的一个分支，涉及物质的物理性能，现代物理化学包括化学热力学、动力学、平衡、光普和量子化学等。物理化学研究物质的不同物理状态（如气态、液态和固态），以及温度和光（电磁辐射）对其物理性能和化学反应的影响。能源物理化学主要研究物质的物理和化学状态性能，涉及能量守恒、贬值、储存及转换过程的物理化学原理。能源定律6019世纪初期，不少人曾一度梦想着制造一种不靠外部提供能量，本也不减少能量的可以水远运动下去的机器（永动机）。即只需提供初始能量使其运动起来就可以永远地运动下去的一种机器，可以源源不断自动地对外做功。1.1.1能量守恒定律1.117-18世纪许多机械专家就已经论证了永动机是不可能的；热力学第二定律被发现后，这个梦想便不政自破。热力学第一定律的发现是人类认识自然的一个伟大进步，第一次在空前广阀的领域里把自然界各种运动形式联系了起来。既为自然科学领域增加了崭新的内容，又大大推动了哲学理论的前进。能源定律611.1.1能量守恒定律1.1能量守恒定律：自然界的一切物质都具有能量，能量既不能创查也不能消灭，而只能从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传递到另一个物体。在能量转换和传递过程中能量的总量恒定不变根本原因：一是系统内各种形式的能量可以相互转换，且转换的量值一定相等（以下称为等量转换原则）；二是系统内变化形式能量的减少量与变化形式能量的增加量相等。即ΣdE减少=ΣdE增加。能源定律621.1.1能量守恒定律1.1对能量守恒定律的补充：①ΣE=常量，只是保证总能量守恒或总能量增量守恒，并不保证体系内的所有形式能量之间能量转换必须遵守等量转换原则；②能量守恒定律成立的条件：一是功和能的关系一一各种不同形式的能可以通过做功来转化，即功是能转化的量度。二是能量增量与各种形式能量之间的关系——各种形式能量的转换遵守等量转换原则，而ΣE=常量与ΣdE减少=ΣdE增加是结果。③能量守恒定律与总能量守恒（总改变量守恒）以及几种能量形式等量转换之间的关系是不可逆的，由能量守恒定律可得总能量守恒（总改变量守恒）以及能量形式等量转换，但由总能量守恒（总改变量守恒）以及几种能量形式之间等量转换是不能得到能量守恒定律的。④能量守恒有二，一是等量转换，二是总量守恒，二者不可或缺。⑤功能原理与能量守恒定律的本质是一致的。能源定律631.1.2能量转换定律1.1能量转化遵循的规律：能量既不会凭空消失，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。自然界中能量是守恒的，但是由于能量的转化和转移是有方向性的，因此还存在能源危机。这就需要我们提高能源的使用效率。风能→电能机械能→电能能源定律641.1.1能量守恒定律1.1电能→机械能电能→内能电能→化学能化学能→电能能源定律651.1.3能量贬值原理1.1能量不仅有量的多少，还有质的高低。热力学第一定律只说明了能量在量上要守恒，并没有说明能量在“质”方面的高低。自然界进行的能量转换过程是有方向性的。不需要外界帮助就能自动进行的过程称为自发过程，反之为非自发过程。自发过程都有一定的方向。水总是从高处向低处流动气体总是从高压向低压膨胀热量总是从高温物体向低温物体传递能源定律661.1.3能量贬值原理1.1热量传递有方向性能源定律671.1.3能量贬值原理1.1热力学第二定律的克劳修斯说法不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。ColdHot热力学第二定律的开尔文–普朗克说法不可能从单一热源吸取热量使之完全转变成功而不产生其他影响。能源定律681.1.3能量贬值原理1.1热力学第二定律的实质就是能量贬值原理，并指明了能量转换过程的方向、条件及限度。在能量利用中热效率和经济性是非常重要的两个指标。由于存在着耗散作用、不可逆过程以及可用能损失，在能量转换和传递过程中，各种热力循环、热力设备和能量利用装置的效率都不可能达到100%。能源定律691.1.3能量贬值原理1.1

一些常用能量转换装置的能量转换效率能源储存技术701.2机械能——以动能、势能形式储存。热能——以潜热、显热形式储存。电能——感应场能或静电场能。化学能、核能——自身即为储能形式。能源储存技术711.2.1机械能的储存1.2以动能形式储存

飞轮以势能形式储存（1）弹簧、扭力杆和重力装置（2）压缩空气储能（3）抽水蓄能电站能源储存技术721.2.1机械能的储存1.2中国抽水蓄能电站分布能源储存技术731.2.2电能的储存1.2蓄电池发展方向：廉价、高效、能大规模储能。蓄电池作为电能储存系统燃料电池储能能源储存技术741.2.2电能的储存1.2静电场和感应电场（1）电容器在直流电路中广泛用作储能装置，在交流电路中则用于提高电力系统或负荷的功率因数，调整电压；（2）高电压技术、高能核物理、激光技术、地震勘探等方面采用的直流高压电容器；（3）超导磁铁蓄能。带有超导磁铁的飞轮电力储存系统能源储存技术75显热储存蓄热装置设计、运行和管理简单方便；装置体积庞大；热损失大。能的储存1.21.2.3热能的储存潜热储存利用蓄热材料发生相变而储热；储能密度高，装置体积小，热损失小；过程等温或近似等温，易与运行系统匹配。能源储存技术76化学储存一种高能量密度的储存方法；利用某些物质在可逆化学反应中的吸热和放热过程来达到热能的储存和提取；技术上困难，目前尚难实际应用。1.21.2.3热能的储存地下含水层储存地下含水层储冷：冬季将净化过的冷水用管井灌入含水层里储存，到夏季抽取使用，叫“冬灌夏用”。地下含水层储热：夏季将高温水或工厂余热水经净化后用管井灌入含水层里储存，到冬季时抽取使用，叫“夏灌冬用”。能源储存技术771.21.2.4化学能的储存化学能是各种能源中最易储存和运输的能源形态。利用某些物质在可逆反应中的吸热和放热过程来达到热能的储存和提取。这是一种高能量密度的储存方法。从广义上讲，储存原油和各种石油产品、液化石油气（LPG）、液化天然气（LNG）、煤等化石燃料本身就是对化学能的储存。能源转换过程781.31.3.1概述狭义上的能量转换，即能量形态上的转换化学能转换为热能热能转换为机械能机械能转换为电能在能量利用中最重要的能量转换过程是将燃料的化学能通过燃烧转换为热能，热能再通过热机转换成机械能，机械能既可以直接利用，也可以通过发电机再将机械能转换为更便于应用的电能。广义上的能量转换能量在空间上的转移，即能量的传输。能量在时间上的转移，即能量的储存。能源转换过程791.31.3.2化学能转换为热能燃料燃烧是化学能转换为热能的最主要方式。能在空气中燃烧的物质称为可燃物，但不能把所有的可燃物都称作燃料（如米和沙糖之类的食品）。燃料，就是能在空气中容易燃烧并释放出大量热能的气体、液体或固体物质，是能在经济上值得利用其发热量的物质的总称。燃料固体燃料煤炭（焦炭、型煤、木炭等）木材液体燃料石油（汽油、煤油、柴油、重油等）气体燃料天然气（焦炉煤气、高炉煤气、水煤气和液化石油气）能源转换过程801.31.3.2化学能转换为热能燃烧设备锅炉工业炉窑化学能

热能能源转换过程811.31.3.3热能转换为机械能将热能转换为机械能是目前获得机械能的最主要的方式。转换过程通常是在热机中完成。应用最广的热机是内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机等。蒸汽轮机蒸汽轮机主要用于发电厂中，也可作为大型船舶的动力，或拖动大型水泵、压缩机、风机。燃气轮机

燃气轮机除了用于发电外，还是飞机的主要动力源，也可用作船舶的动力。内燃机内燃机主要为各种车辆、工程机械提供动力。能源转换过程821.31.3.3热能转换为机械能蒸汽轮机蒸汽轮机，简称汽轮机，是将蒸汽的热能转换为机械功的热机。汽轮机单机功率大、效率高、运行平稳，在现代火力发电厂和核电站中都用它驱动发电机。汽轮发电机组所发的电量占总发电量的80%以上。此外汽轮机还用来驱动大型鼓风机、水泵和气体压缩机，也用作舰船的动力。能源转换过程831.31.3.3热能转换为机械能燃汽轮机燃汽轮机和蒸汽轮机最大的不同是，它不是以水蒸气作工质而是以气体作工质。燃料燃烧时所产生的高温气体直接推动燃汽轮机的叶轮对外做功，因此以燃汽轮机作为热机的火力发电厂不需要锅炉。它包括三个主要部件：压气机、燃烧室和燃气轮机。燃烧室发电机燃料空气废气能源转换过程841.31.3.3热能转换为机械能内燃机包括汽油机和柴油机，是应用最广泛的热机。大多数内燃机是往复式，有汽缸和活塞。内燃机有很多分类方法，但常用的是根据点火顺序分类或根据气缸排列方式分类。按点火或着火顺序可将内燃机分成四冲程发动机和二冲程发动机。能源转换过程851.31.3.4机械能/光能/化学能转换为电能电能是与电荷的流动和积聚有关的一种能量。由于电能能够容易地以高转换效率转换成其它形式的能量，因此电能是非常有用的一种能量形式。机械能直接转换成电能：发电机水轮发电机汽轮发电机能源转换过程861.31.3.4机械能/光能/化学能转换为电能化学能转换成电能：化学电源，即电池，化学电源能量转化率高，方便并安金可靠，在不同领域应用广泛。电池一次电池二次电池燃料电池储备电池定义电池反应本身不可逆，电池放电后不能充电再使用的电池可重复充放电循环使用的电池，充放电次数可达数十次到上千次活性物质可从电池外部连续不断地输入电池，连续放电电机的正负极和电解质在储存期不直接接触，使用前采取激活手段，电池便进人放电状态例子锌-锰电池、锌-汞电池、锌-银电池、锌-空气电池铅酸蓄电池、镉-镍蓄电池和锂离子电池氢氧燃料电池镁银电池、铅-二氧化铅电池应用大功率放电的人造卫星、电动汽车和应急电器燃料电池适合于长时间连续工作的环境，已成功用于飞船和汽车导弹电源、心就起搏器电源能源转换过程871.31.3.4机械能/光能/化学能转换为电能辐射能转换成电能能源转换过程881.31.3.4机械能/光能/化学能转换为电能核能转换成电能：核电站。能源转换过程891.31.3.4电能转换为化学能将电能转换为化学能主要发生在二次电池的充电中。这个过程正好与电池使用相反，通过将电能源源不断地导入电池转化为化学能，从而储存起来。以锂离子电池为例：目前已产业化的锂离子电池的负极材料为碳材料，正极为LiCoO2材料，电解质是LiPF6（LiClO4）和有机试剂。锂离子电池的电化学表达式及原理：原电池与电解池901.41.4.1原电池原电池(Galvaniccell)：(1)定义：凡是能将化学能直接转变为电能的电化学装置叫做原电池或自发电池。

(2)性质：原电池区别于普通氧化还原反应的基本特征就是能通过电池反应将化学反应转变为电能，所以它是一种能量转换的电化学装置。如：

原电池与电解池911.41.4.1原电池(3)电池的可逆性：电池进行可逆变化必须具备两个条件：

•电池中的化学变化是可逆的，即物质的变化是可逆的；

•电池中能量的转化是可逆的，即电能或化学能不转变为热能而散失。

(4)原电池电动势：定义：没有电流通过时，原电池两个终端相之间的电位差（即两电极相对电位差）。

注意：只有可逆电池有E，电池不可逆时只能测到V。

原电池与电解池921.41.4.2电解池电解（1）定义：使电流通过电解质溶液而在阴阳两极上发生氧化还原反应的过程。（2）电解池定义：由外电源提供电能，使电流通过电极，在电极上发生电极反应的装置。工作原理：电能转化为化学能构成电解池的条件：与电源相连的两个电极；电解质溶液(或熔化的电解质);形成闭合回路电极：阳极---与电源的正极相连，发生氧化反应阴极---与电源的负极相连，发生还原反应惰性电极---只导电,不参与氧化还原反应(C/Pt)活性电极---既导电又参与氧化还原反应(Cu/Ag)原电池与电解池931.41.4.2电解池（3）电解原理：①电子流向：与电流流向相反②离子流向：阳离子流向阴极，阴离子流向阳极③电极反应：阳极:发生氧化反应电极材料或电解质溶液中的阴离子失去电子阴极:发生还原反应电解质溶液或电极材料中的阳离子得到电子（4）放电顺序阳极：①若为活性电极(Ag以前)，则是电极本身失电子变成离子进入溶液②若为惰性电极，则是溶液中的阴离子“争”先放电

S2->I->Br->Cl->OH->等含氧酸根离子(NO3-、SO42-)>F-

阴极：无论是活性或惰性电极都是溶液的阳离子“争”先放电

Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+(水)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+

原电池与电解池941.41.4.3原电池与电解池的区别原电池与电解池951.41.4.4电极/溶液界面模型电极/溶液界面的特点：静电作用：使符号相反的剩余电荷形成紧密双电层结构；热运动：使荷电粒子趋向均匀分布，形成分散层结构。

Helmholtz模型（紧密层模型）

该模型只考虑电极与溶液间的静电作用，认为电极表面和溶液中的剩余电荷都紧密地排列在界面两侧，形成类似荷电平板电容器的界面双电层结构

原电池与电解池961.41.4.4电极/溶液界面模型Gouy—Chapman分散层模型该模型粒子热运动的影响，认为溶液中的剩余电荷不可能紧密地排列在界面上，而应按照势能场中粒子地分配规律分布在临近界面的液层中，即形成电荷“分散层”。原电池与电解池971.41.4.4电极/溶液界面模型Stern模型该模型认为由于静电作用和粒子热运动这两种矛盾作用对立统一的结果，使电极/溶液界面的双电层将由紧密层和分散层两部分组成。电极过程动力学导论981.4电极体系可逆电极(reversibleelectrode)：氧化还原反应速度相等，物质交换和电荷交换平衡。（平衡电位）

不可逆电极(irreversibleelectrode)：

•电荷交换平衡，物质交换不平衡（稳定电位）

•电荷交换不平衡，物质交换不平衡（不稳定电位）

电极过程动力学导论991.4极化•极化(polarization)：有电流通过时，电极电位偏离平衡电位的现象

•过电位(overvoltage)：在一定电流密度下，电极电位与平衡电位的差值

•极化值：

有电流通过时的电极电位（极化电位）与静止电位的差值极化产生的原因电流流过电极时，产生一对矛盾作用：

•极化作用—电子的流动在电极表面积累电荷，使电极电位偏离平衡状态；

•去极化作用—电极反应吸收电子运动传递的电荷，使电极电位恢复平衡状态。

极化是由上述两种作用联合作用的结果。

电极过程动力学导论1001.4极化图(polarizationdiagram)•极化图：把表征电极过程特征的阴极极化曲线和阳极极化曲线画在同一个坐标系中，这样组成的曲线图叫极化图。电极过程动力学导论1011.4原电池极化规律电极过程动力学导论1021.4电解池极化规律电极过程动力学导论1031.4原电池与电解池的比较电极过程动力学导论1041.4电极过程的基本历程•液相传质步骤

•前置的表面转化步骤简称前置转化

•电子转移步骤或称电化学反应步骤

•随后的表面转化步骤简称随后转化

•新相生成步骤或反应后的液相传质步骤例：电极过程动力学导论1051.4速度控制步骤•速度控制步骤(rate-determiningstep)：串连的各反应步骤中反应速度最慢的步骤。

•浓差极化(concentrationpolarization)：液相传质步骤成为控制步骤时引起的电极极化。

•电化学极化(electrochemicalpolarization)：由于电化学反应迟缓而控制电极过程所引起的电极极化。

电极过程的特征•异相催化反应

•电极可视为催化剂，可以人为控制

•复杂的多步骤的串连过程，其动力学规律取决于速度控制步骤

太阳能电池材料与器件

第二章光电转换理论太阳能是一种辐射能，要将这种辐射能(或其它光能)转换为电能，必须借助“能量转换器”——太阳能电池，也称为光电池。因为常见的太阳能电池都是由半导体材料制造，所以有时也称为半导体光电池。当光线照射在p-n结上并且光在界面层被吸收时，具有足够能量的光子能够在p型硅和n型硅中将电子从共价键中激发，产生电子-空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过内建电场的作用被相互分离。太阳能电池工作原理是基于半导体p-n结的光生伏特效应。即太阳光或其它光照射半导体p-n结时，就会在p-n结的两边出现电压，叫做光生电压。光生电场的方向与内建电场相反，因此它的一部分可与内建电场相抵消，其余部分则可使p区带正电，n区带负电；这样就在n区与p区之间的产生了一个电动势，称为光生伏特电动势，当外电路接通时，即可产生电流。晶体硅太阳能电池原理图太阳能电池的发电过程1，太阳光或其它光照射在太阳能电池的表面上；2，太阳能电池吸收具有一定能量的光子激发出非平衡载流子(光生载流子)，即电子-空穴对，它们的寿命要足够长，以确保它们在被分离之前不会复合；3，电子-空穴对在p-n结内建电场的作用下被分离，电子与空穴分别集中n区和p区，p-n结两边的异性电荷的积累形成光生电动势；4，在太阳能电池两侧引出电极并接上负载形成电路，即在电路中获得了光生电流，从而获得电功率输出（电能）。太阳能电池的分类

人类对光伏现象的认识可追溯到1839年，当时的法国科学家E.Becquerel在一次实验中观察到电压随光照强度改变的实验现象。1941年，美国Bell实验室R.S.Ohl在Si材料上发现了光伏效应，并且提出了半导体p-n结太阳能电池概念。之后逐渐形成了现在的太阳能电池[7]。目前，太阳能电池是一种重要的光电子器件，被人类赋予了未来解决能源危机的希望，它通过半导体结构由光生电动势进行光电转换，利用零成本的太阳光发电。1、同质结电池：在相同的半导体材料上构建的一个或多个p-n结的电池；2、异质结电池：在不同禁带宽度的两种半导体材料接触的界面上构成一个异质p-n结的光伏电池。按照太阳能电池的发展历程可将其分为三代太阳能电池，具体分类如图3.3所示：第一代太阳能电池单晶硅的实验室效率已经达到25.6%，但由于其禁带宽度仅有1.12V，因此已经非常接近其29%的理论极限，同时晶体硅生产过程中伴随的重污染和高能耗问题也导致其价格较为昂贵，尽管经过多年的发展，太阳能电池组件的成本已经降低至目前的约0.6美元/W[7]，但与传统能源相比仍有较大差距。第二代太阳能电池是指以薄膜技术为核心的非晶硅（a-Si）、碲化镉（CdTe）和铜铟镓硒（CIGS）等电池，这些材料大多为直接带隙半导体，具有较高的吸光系数，因此可以通过薄膜技术大大降低活性材料的使用量而降低成本，但效率及寿命相对晶体硅而言也逊色很多，即通过牺牲效率来换取成本。同时薄膜电池目前仍大多采用真空蒸镀的方法制备，生产成本很高，质量也很难控制，仅有少量实现了规模化产业应用，除此之外，镉污染和铟资源的稀缺也制约着其进一步的应用和发展[8]。第三代太阳能电池是指突破传统的平面单pn结结构的各种新型电池，这类电池通过引入多pn结叠层、介孔敏化、体相异质结等新型结构以及新型材料以获得低成本、高效率的太阳能电池，代表了太阳能电池未来的发展方向。目前主要包括叠层电池（Tandem）、染料敏化电池（Dye-sensitized）、有机光伏电池（Organic）、量子点电池（Quatuamdots）以及最新的钙钛矿电池（Perovskite）等。硅太阳能电池

---从沙子到单晶硅太阳能电池片

硅是地壳内第二位最丰富的元素，占地壳总质量的25.7%。提炼硅的原始材料是SiO2，它是砂子的主要成分。然而，在目前工业提炼工艺中，采用的是SiO2结晶态即石英态。为了制取硅，将石英岩在大型电弧炉中用碳(木屑、焦炭和煤的混合物)按照以下反应方程式进行还原：SiO2+2C→Si+2CO硅定期从炉中倒出，并用氧气或氧氯混合气体吹之以进一步提纯。然后，它被倒入浅槽，在槽中凝固，随后被破成碎块。所得硅纯度约为95%一98%，称为粗硅，或冶金级硅(MG-Si)。其中含有各种杂质，如Al、Fe、C、B和P等。提纯用于太阳能电池以及其他半导体器件的硅，其纯度比冶金级硅要更高。因此，必须经过化学提纯将冶金硅提纯到太阳能电池所需的纯度。硅的化学提纯是指采用化学反应把硅转化为中间化合物，再将中间化合物提纯至所需的高纯度，然后再将其还原成为高纯硅。中间化合物一般选用易于被提纯的化合物，曾被研究过的中间化合物有SiCl4、SiI4和SiH4等，而目前工业上广泛采用的是SiHCl3还原法，即西门子还原法。西门还原法是采用流化床工艺，用HCl把细碎的冶金级硅颗粒变成流体，用铜催化剂加速反应的进行：Si+3HCl→SiHCl3+H2释放的气体经过冷凝塔形成液体，在工业上采用蒸馏塔，对所得液体经过多级蒸馏，可得到12个9纯度的三氯氢硅（SiHCl3），这是半导体和太阳能电池工业高纯多晶硅材料的原料。为了提纯半导体硅，将高纯SiHCl3液体通过高纯气体携带入充有大量氢气的还原炉中，SiHCl3在通电加热的细长的硅芯表面，经过一周或更长的反应时间，还原炉中的8mm的硅芯将生长到150mm左右。拉单晶对于单晶硅太阳能电池来说，硅不仅要很纯，而且必须是晶体结构中基本上没有缺陷的单晶形式。工业生产这种单晶硅所用的主要方法是直拉工艺。在坩埚中，将半导体多晶硅熔融，同时加入微量的期间所需的一种掺杂剂，对太阳能电池来说，通常用硼（p型掺杂）。在温度可以精细控制的情况下用籽晶能够从熔融硅中拉出大圆柱形的单晶硅。通常用这种方法能够生长直径超过12.5cm，长度1m到2m的晶体。通过线锯可将单晶硅棒切成厚度为200~300微米的硅片。在切片的过程中，会有30%~50%左右的硅因为刀槽或切割损失被浪费掉了。在切割的过程中，会在硅片表面形成一些损伤层。清洗与制绒在切片过程中，会形成表面机械切痕与损伤线切割损伤层厚度可达10微米。因此，太阳能电池制造的第一道常规工序即是去除硅片表面损伤层，目前主要采用化学腐蚀，不仅可以有效地去除由于切片造成的表面损伤，而且还可在硅片表面制作一层能减少光反射的绒面。单晶硅片通常采取碱腐蚀，因为单晶硅片具有(100)晶向，在碱腐蚀中会表现出择优性能，即(100)和(111)的腐蚀速率不同，而在表面出现金字塔构造，即形成多个(111)小面。其反应方程式为：Si+2NaOH+2H2O→Na2SiO3+2H2↑经过与碱液反应后，就会在硅片表面形成一个具有陷光作用的表面绒面构造，光线在这样的表面上至少会有2次机会与硅机会接触，这样可有效地减少太阳光在硅片表面的反射。硅的折射率为3.84(波长6.5微米)，光线一次与表面接触可高达30%的反射，但由于金字塔构造，第二次接触时光线反射就可降到9%以下，使太阳能电池能吸收更多的阳光。扩散制结

太阳能电池的“心脏”就是p-n结，因此扩散制结是太阳能电池制造的核心工序。大多数厂家都选用p型硅片来制作太阳能电池，为了形成p-n结一般采用的是磷扩散。三氯氧磷(POC13)是目前磷扩散用得较多的一种杂质源，进行磷扩散形成n型层。扩散过程的反应式为：4POC13+3O2(过量)→2P2O5+6C12↑2P2O5+5Si→5SiO2+4P扩散设备可用横向石英管或链式扩散炉，扩散的最高温度可达到850-900℃。这种POC13液态源扩散方法制出的p-n结均匀、平整，方块电阻的不均匀性小于10%，少子寿命可达10微秒以上，生产效率较高，这对于制作具有大的结面积的太阳能电池是非常重要的。在扩散过程中，硅片的所有表面(包括边缘)都将不可避免地扩散上磷。p-n结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘含磷的区域流到p-n结的背面，而造成短路，因此边缘的扩散层必须除去，如图3.10所示。目前很多企业采用的是等离子边缘刻蚀，也称为干法刻蚀。去磷硅玻璃

在磷扩散过程中，P2O5和硅反应生成磷原子和SiO2，这样会在硅片表面形成一层含有磷元素的SiO2，称之为磷硅玻璃(phosphosilieateglass，PSG)。用化学方法可去除扩散层SiO2，SiO2与氢氟酸(HF)反应能生成易挥发且可溶于水的气体四氟化硅(SiF4)，若HF过量，SiF4会进一步与HF反应生成可溶性络合物六氟硅酸(H2SiF6)，从而使硅表面的磷硅玻璃溶解，化学反应方程式为：SiO2+4HF→SiF4↑+2H2OSiF4↑+2HF→H2SiF6SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O制备减反射膜

在真空或大气中，光照射在硅片表面时，因为反射会使光损失约1/3：长波范围的入射光损失总量为34%，短波范围为54%。即使在硅表面制作了绒面，由于入射光产生多次反射而增加了吸收，但也有约11%的反射损失。如图3.11所示，如果在硅表面制备一层减反射膜(antireflectioneoating，ARC)，由于膜的两个界面上的反射光相互干涉，可以使光的反射大为减少，电池的短路电流和输出就有很多的增加，效率也有相当的提高。制作电极

制作电极，即在电池的正背面镀上导电金属电极。最早采用的是真空蒸镀或化学电镀，而目前普遍采用丝网印刷，即通过丝网印刷机和网版在太阳能电池的正、背面印刷上银浆、铝浆，形成正、负电极。太阳能电池的背面因为无需接受光照，可在整个背面制作上一层薄的金属层，现在一般为铝。但太阳能电池的正面必须要尽可能接受更多的光照，因此，电池的正面的电极通常呈梳子状形式或丝网状。正面电极的形状要保证两方面因素的平衡：一方面要保证透光率尽可能高；另一方面要保证金属电极与半导体硅片的接触电阻尽可能小。对此，各生产厂家有许多不同的制作工艺。通常电池片正面(负极)的梳子状电极结构中，一般有2条或3条粗的主栅线，以便于连接条焊接。而背面(正极)则往往以铝硅合金作为背表面场，以提高开路电压，背面也会有2条或3条粗电极以便焊接。烧结，是制造太阳能电池片的最后一步，其目的是干燥硅片上的浆料，燃尽浆料的有机组分，使浆料和硅片形成良好的欧姆接触。高温烧结结束后，整个太阳能电池制造过程也就完成了。在光照下将太阳能电池正、负极连上导线，就有电流通过了。器件太阳能电池片的工作电压只有0.4-0.5V，而且由于制作太阳能电池的硅片的尺寸通常是固定的，使得单个太阳能电池片的功率很小，远不能满足很多用电设备对电压、功率要求，因此需要根据要求将一些太阳能电池片进行串、并联。此外，太阳能电池片机械强度很小，很容易破碎。太阳能电池若是直接暴露制作大气中，水分和一些气体会对电池片产生腐蚀和氧化，时间长了甚至会使电极生锈或脱落，而且还可能会受到酸雨、灰尘等的影响，这使得太阳能电池片需要与大气隔绝。因此，太阳能电池片需要封装成太阳能电池组件。封装太阳能电池组件的封装即是将太阳能电池片的正面和背面各用一层透明、耐老化、勃结性好的热熔型EVA胶膜包封；用透光率高且耐冲击的低铁钢化玻璃做上盖板，用耐湿抗酸的聚氟乙烯复合膜(TPT)或玻璃等其它材料做背板，

通过相关工艺使EVA胶膜将电池片、上盖板和背板薪合为一个整体，从而构成一个实用的太阳能电池发电器件，即太阳能电池组件或光伏组件，俗称太阳能电池板。近些年，随着国内外光伏建筑一体化(BIPV)的推广，各组件封装厂商纷纷推出双面玻璃太阳能电池组件。与普通组件结构相比，双面玻璃组件用玻璃代替TPE(或TPT)作为组件背板材料，其结构如图3.14所示。这种组件有美观、透光的优点，在光伏建筑上应用非常广泛，如：太阳能智能窗，太阳能凉亭和光伏建筑顶棚、光伏幕墙等等。与建筑结合是太阳能光电发展的一大趋势。因此，预计双面玻璃组件商业市场会进一步扩大。封装太阳能电池组件的封装即是将太阳能电池片的正面和背面各用一层透明、耐老化、勃结性好的热熔型EVA胶膜包封；用透光率高且耐冲击的低铁钢化玻璃做上盖板，用耐湿抗酸的聚氟乙烯复合膜(TPT)或玻璃等其它材料做背板，通过相关工艺使EVA胶膜将电池片、上盖板和背板薪合为一个整体，从而构成一个实用的太阳能电池发电器件，即太阳能电池组件或光伏组件，俗称太阳能电池板。近些年，随着国内外光伏建筑一体化(BIPV)的推广，各组件封装厂商纷纷推出双面玻璃太阳能电池组件。与普通组件结构相比，双面玻璃组件用玻璃代替TPE(或TPT)作为组件背板材料，其结构如图3.14所示。这种组件有美观、透光的优点，在光伏建筑上应用非常广泛，如：太阳能智能窗，太阳能凉亭和光伏建筑顶棚、光伏幕墙等等。与建筑结合是太阳能光电发展的一大趋势。因此，预计双面玻璃组件商业市场会进一步扩大。太阳能电池组件的制造过程主要有以下一些步骤：激光划片~串焊(将电池片焊接成串)~手工焊(焊接汇流条)-层叠(玻璃-EVA-电池-EVA-TPT/TPE/玻璃)-中测-层压-固化-装边框(双玻组件没有铝框，则不需要此步骤)、接线盒-终测。光伏系统

太阳能电池片封装成太阳能电池组件后，仍然不能直接用来发电，因为太阳能电池有着自身的一些特点：在光线良好的白天发电多，阴天发电少，夜晚或无光照时不发电，因此需要把白天产生的电能储存下来，而在不发电的时候将电能释放出来，这样又可能需要控制器或其它辅助设备。这样，能直接发电使用的太阳能电池的应用产品就叫光伏系统，光伏系统由以下三部分组成：太阳能电池组件(阵列)：充放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备：蓄电池或其它蓄能和辅助发电设备。相对于其它发电形式，光伏系统具有以下特点：(l)基本上无噪声；(2)不产生废气，不排放废水；(3)没有燃烧过程，不需要燃料；(4)维修保养简单，维护费用低；(5)可靠性、稳定性良好；(6)太阳能电池板组件为光伏系统核心部件，使用寿命很长，晶体硅太阳能电池寿命可达到25年以上；光伏系统应用光伏系统的规模跨度很大，小到0.3~2W的太阳能草坪灯，大到MW级的光伏电站。其应用形式也多种多样，在无电缺电地区供电、交通、通信、国防、军事、太空航天器、微波中继站、家用电、水泵、小型玩具、装饰和等诸多领域都能得到广泛的应用。尽管规模和形式繁杂，但其工作原理和组成结构基本相同，光伏系统所包含的主要部件有：(1)光伏组件方阵：由光伏组件按照系统需求串、并联而成，在光照时将太阳能转换成电能，是光伏系统的核心部件。(2)蓄电池：当光伏组件产生的电能大于负载所需电能时，将光伏组件产生的电能储存起来；当在光照不足或夜晚时，或是负载所需电能大于光伏组件所发的电量时，将储存的电能释放以满足负载的电量需求，是光伏系统的储能件。目前光伏系统常用的是铅酸蓄电池。(3)控制器：对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电量需求控制光伏组件和蓄电池对负载的电能输出，是光伏系统的核心控制部件。(4)逆变器：如果需要对交流负载供电，那么就要使用逆变器将太阳能电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载所需的交流电。太阳能光伏发电系统的基本工作原理就是在光照下，光伏组件产生的电能直接给负载供电，若有多余的电能，则输送给蓄电池进行充电，如果在日照不足的时候或者在夜间则由蓄电池给负载供电，对于含有交流负载的光伏系统而言，还需要增加逆变器，将直流电转换成交流电。光伏系统的应用具有多种形式，一般将光伏系统分为独立系统、并网系统和混合系统。并网系统

并网系统(grid-eonneetedsystem)示意图如图3.17所示，它最大的特点就是不采用蓄电池作为电能储存设备，而是用将光伏组件所发的电力接入了公共电网。即光伏组件产生的电力除了供给交流负载外，多余的部分输送给电网；而光伏组件不产生电力或者其电力不足以供给负载时，则由公共电网为负载供电。因为省掉了蓄电池充放电的过程，便更充分地利用了光伏组件的电力，减小了能量损耗，降低了系统成本。最初的并网系统是安装在私家房的屋顶上，目前并网系统的安装逐渐扩展到任何种类的建筑(如：公寓楼、学校以及农业和工业厂房)。另外，并网系统也应用到越来越多的其它机构上(如高速公路隔音屏障和火车站台顶)。独立系统

独立系统(stand一alonesystem)示意图如图3.18所示。独立系统因为没有并网，一般都需要有蓄电池，在零负载或低负载时，光伏组件的过剩电能为蓄电池充电，而在无光照或弱光照时，蓄电池放电以供应负载。充电控制器能对充/放过程进行管理以保证蓄电池的长寿命。在必需的时候，也要用逆变器将直流电转换为交流电。在远离电网的偏僻地带或经常无人问津的特殊用电点，如山区、灯塔、航标等，独立系统是最有效的选择；其成本能与电网连接其它供电途径的成本相竞争。此外，独立系统的应用非常广泛：通信基站、交通灯、水泵、节能灯、收音机、计算器、装饰品等等。混合系统混合系统(hybridsystem)示意图如图3.19所示。在混合系统中，除了使用太阳能电池组件阵列外，还使用了其它发电设备作为备用电源。使用混合系统供电的目的就是为了综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。其普遍的备用电源为风力发电机或柴油发电机，光伏组件与水力发电机结合的混合系统则一般比较少见。风光混合系统更多用在北纬地区，夏天阳光充足，由太阳能电池组件供电，冬季光照减弱而风力充足，则由风力涡轮机供电。在这种系统中，两个控制器分别控制太阳能电池组件和风力发电机的系统更为普遍。在风能潜力很大的海岸或丘陵地区，风光混合系统也得到了较多的应用。除了风力发电机外，混合系统也可以使用燃油发电机作为备用电源，独立系统有对天气的依赖程度很大的缺点，综合使用柴油发电机和光伏组件的混合系统与单一能源的独立系统相比所提供的能源对天气的依赖性要小得多。很多在偏远无电地区的通信电源和民航导航设备电源，因为对电源的要求很高，都采用混合系统供电，以求达到最好的性价比。我国新疆、云南建设的很多乡村光伏电站就是采用光柴混合系统。多晶体硅太阳能电池多晶硅太阳能电池的主要优势是降低成本。由于单晶硅太阳能电池需要高纯硅材料，其材料成本占电池总成本的一半以上。相比之下，多晶硅电池材料制备方法简单、耗能少，可连续化生产。但多晶硅太阳能电池的光电转化效率较低，目前仅为18％左右。多晶硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池的不同之处在于电池的表面存在多种界面，与单晶硅的<100>晶面相比，得到理想的绒面结构比较困难，因此要有多种形式的减反射处理。因此要有多种形式的减反射处理。多晶硅太阳能电池板由厚度350~450μm的高质量硅片组成，图3-18展示了这一过程。改良西门子法西门子法是以HCl（或Cl2）和冶金级工业硅为原料，在高温下合成为SiHCl3，然后对SiHCl3进行化学精制提纯，接着对SiHCl3进行多级精馏，使其纯度达标，最后在还原炉中1050℃的芯硅上用超高纯的氢气对SiHCl3进行还原而生长成高纯多晶硅棒。流态床反应法硅烷法非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池的优势是硅资源消耗少、生产成本低，近年来发展迅速。非晶硅对太阳光的吸收系数大，因此非晶硅太阳能电池可以做得很薄，膜厚度通常为1~2μｍ，仅为单晶硅和多晶硅电池厚度的1/500。非晶硅中原子排列缺少结晶硅中的规则性，往往在单纯的非晶硅p-n结构中存在缺陷，隧道电流占主导地位，无法制备太阳能电池。因此要在p层和n层中间加入本征层i，形成p-i-n结，改善了稳定性和提高了效率，同时扼制了隧道电流。如果制成p-i-n／p-i-n／p-i-n的多层结构便形成叠层结构，在提高非晶硅太阳能电池的转换效率和可靠性方面，叠层太阳能电池是一个重要的发展方向。①提高转换效率；②提高可靠性；③开发批量生产技术当入射光通过p+层后进入i层，产生e-h对时，光生载流子一旦产生便被p-n结内建电场分开，空穴漂移到p边，电子漂移到n边，形成光生电流IL和光生电动势UL。UL与内建电势Ub反向。当||UL||=||Ub||达到平衡时，IL=0，UL达到最大值，称之为开路电压Uoc。当外电路接通时，则形成最大光电流，称之为短路电流Isc，此时UL=0。当外电路中加入负载时，则维持某一光电压UL和光电流IL。非晶硅太阳能电池的转换效率表示为η=JmUm/Pi=FFJscUoc/Pi式中Jm、Um——电池在最大输出功率下工作的电流密度和电压；Pi——光入射到电池上的总功率密度；Jsc——短路电流密度；FF——电池的填充因子。由上式可见，FF=JmUm/（JscUoc）。电池效率的高低由FF、Uoc和Jsc决定。目前常规的叠层电池结构为α-Si/α-SiGe、α-Si/α-Si/α-SiGe、α-Si/α-SiGe/α-SiGe、α-SiC/α-Si/α-SiGe等。制备叠层电池，在生长本征α-Si：H材料时，在SiH4中分别混入甲烷(CH4)或锗烷(GeH4)，就可制备出宽带隙的本征α-SiC：H和窄带隙的本征α-SiGe：H。调节CH4和GeH4对SiH4的流量比可连续改变Eg。通常把这些不同带隙的掺杂非晶硅材料称为非晶硅基合金。非晶硅太阳能电池的材料非晶硅基合金半导体材料的电学、光学性质及其他参数依赖于制备条件，因此性能重复性较差，结构也十分复杂。大量的实验证实，实际的非晶硅基半导体材料结构既不像理想的无规网络模型，也不像理想的微晶模型，而是含有一定量的结构缺陷，如悬挂键、断键、空洞等。这些缺陷有很强的补偿作用，使α-Si材料没有杂质敏感效应，因此尽管对α-Si的研究早在20世纪60年代即已开始，但很长时间未付诸应用。α-Si：H材料用Ｈ补偿了悬挂键等缺陷态，实现了对非晶硅基材料的掺杂，非晶硅材料应用开始了新时代。α-Si：H材料在结构上是一种共价无规网络，没有周期性排列的约束，所以其光学和电学性质不同于晶体硅材料。典型的α-Si：H能带结构见图3-26，图中EC、EV为迁移率边；E>EC，E<EV为扩展态；EA<E<EC为导带尾；EV<E<EB为价带尾；EF为费米能级；NE为能级密度。由图3-26看出，其能带结构除了存在类似于晶体硅半导体导带和价带的扩展态外，还存在着带尾定域态和带隙中缺陷定域态。这些定域态起陷阱和复合中心作用，它们对非晶硅半导体的电学和光学性能具有决定性影响。在电学性质上最明显的特征是非晶硅中电子和空穴的迁移率比晶体硅小得多。一般电子迁移率μn约为1cm2V-1S-1，空穴迁移率μn约为0.1cm2V-1S-1。在光学特性方面，由于非晶硅半导体不具有长程有序性，电子跃迁过程中不再受准动量守恒定则限制，因此，可以更有效地吸收光子。一般在太阳光谱可见光波长范围内，非晶硅的吸收系数比晶体硅要大将近一个数量级，其本征吸收系数高达105cm-1。而且非晶硅太阳能电池光谱响应的峰值与太阳光谱峰值接近。这就是非晶硅材料首先被应用于太阳能电池的一个重要原因。由于非晶硅材料的本征吸收系数很大(约105cm-1)，因此，非晶硅太阳能电池的厚度小于1μm就能充分吸收太阳光能。这个厚度不足α-Si电池的1/100，可以明显节省昂贵的半导体材料，这是非晶硅材料在光伏应用中的又一显著特点。化合物半导体太