能量转化与存储原理-课件全套 第1-10章 绪论- 新型能量转换与存储技术

新能源类专业能量转化与存储原理能量转化与存储原理第1章绪论能源的分类与特征1.21.1新能源利用发展现状及趋势1.能源的分类与特征1.1能源的分类与特征太阳能、风能、水能、海洋能、地热能、生物质能、核能等共同组成了庞大的新能源家族。新能源普遍具有储量大、分布范围广、环境污染小、可持续利用等优点。热能、电能和机械能是目前人类使用最多、最普遍的能量形式，它们之间可以相互转化，也可由其他形式的能量转换而来。能量转换效率高、速度快、具备可调节性以及经济性是对新能源利用技术的基本要求。新能源开发利用过程中各种能量形式之间的转换关系1.1.1光能

光能主要是指太阳光的辐射能量，是最主要的可再生能源。太阳辐射到地球表面的能量做功能力约为8.5×1010MW，相当于每年往地球上投放了1.8×1016吨标准煤，远大于目前人类每年所需的能量总和，是取之不尽、用之不竭的清洁能源。①光-电转换光电转换是指利用光生伏特效应直接将太阳辐射能转化为电能，实现光伏发电或者光电探测。太阳电池是进行光电转换实现光伏发电的重要载体，目前单晶硅太阳电池技术最为成熟。②光-热转换太阳能光热利用形式是指通过与物质的相互作用将太阳辐射能转化为热能加以利用，如太阳能热水器、太阳灶、太阳能高温发电、太阳能冶金等。太阳能电池板太阳能集热器光能的转换形式：③光-化学转换光化学转换是在催化材料的作用下，直接将太阳能转化为化学能。常见的人工光合成反应有光解水制氢、二氧化碳还原等。④光-生物质能转换光能-生物质能转换即绿色植物或其他光合生物通过光合作用吸收空气中的CO2，将太阳能转化为生物质能储存下来，同时将水分子裂解并释放出氧气的过程。光解水制氢光合作用1.1.2机械能能量类型可利用蕴藏量特征能量转换形式风能2×107MW资源丰富、清洁无污染、分布范围广、能量密度低、不稳定风能→机械能→电能水能5.5×106MW资源丰富、相对稳定、成本低廉、清洁无污染水能→机械能水能→机械能→电能潮汐能3×106MW蕴藏量大、清洁无污染、不稳定但变化有规律、利用难度大潮汐能→机械能→电能海流能5×106MW蕴藏量大、清洁无污染、不稳定但变化有规律、利用难度大海流能→机械能→电能波浪能2.5×106MW蕴藏量大、清洁无污染、不稳定、利用难度大波浪能→机械能→电能机械能是与物体机械运动或空间状态相关的物理量。宏观机械能包括固体或流体（水、空气等）的动能与势能，是人类认识最早的能量。可再生能源中的风能、常规水能、潮汐能、海流能、波浪能等即属于这种能量形式。机械能的类型多样，其特征和转换方式也各有不同。1.1.3热能在新能源领域，热能的来源主要为太阳热能、地热能、温差能、生物质能燃烧等。地热能是蕴藏于地球内部岩土体、流体和岩浆体中，能够为人类开发和利用的热能，具有储量大、分布广和开发利用安全、稳定、清洁、高效的特点。地热能的开发利用主要包括地热发电和直接利用两个方面。温差能主要指海洋温差能，即海洋中浅层温海水（温度为25～28℃）和深层冷海水（温度为4～6℃）之间水温差的热能，它本质上是储存的太阳能。能量类型可利用蕴藏量特征能量转换形式地热能约1.45×1026J储量巨大、分布广泛、来源稳定、热流密度大热能→电能热能→机械能→电能海洋温差能2×106MW蕴藏量大、清洁无污染、能量输出波动小热能→电能1.1.4生物质能生物质直接燃烧热能、电力气化电力液体生物燃料燃料沼气燃料、电力生物制氢燃料生物质发电技术电力原电池电力林业资源农业资源城市固体废物生活污水、工业有机废水畜禽粪便能源作物林业资源农业资源城市固体废物生活污水、工业有机废水畜禽粪便能源作物生物质能的分类及转换形式1.1.5核能核能是指原子核结构发生变化时所释放出的能量。核能的释放方式分为三种：①核裂变能，是指通过一些重原子（如铀、钚等）发生裂变反应所释放出的能量；②核聚变能，指由两个轻元素（主要是指氘和氚）原子核结合在一起释放出的能量；③放射性衰变，指不稳定原子核自发地放射出粒子而转变为另一种原子核的过程，是一种缓慢的裂变形式。目前全球商业运行中的核电站都是利用核裂变反应发电，可控核聚变发电尚未实现产业化。2.新能源利用发展现状及趋势据2023版《BP世界能源展望》预测，化石燃料在全球能源中的占比将从2019年的80%下降至2050年的55%到22%之间，可再生能源占比将从大约10%提升至35%~65%，新型清洁能源的快速发展和扩张是全球能源的未来趋势。1.2全球能源未来发展趋势全球能源未来发展趋势：油气作用下降，可再生能源快速扩张1.2.1光能利用发展现状及趋势太阳能光伏发电已经全面进入规模化发展阶段，全球太阳能光伏装机总量在过去十年中持续增长2013，年我国首次超越德国成为全球第一大新增装机市场以来，到2024年底，我国光伏新增装机量已连续12年保持全球第一，累计装机量连续10年居全球首位。（1）光电转换发展现状及趋势研发更高效率、更低成本的晶硅太阳电池及其他新型太阳电池是光伏技术发展的重要方向。由于太阳光能具有不连续性，在以光伏为基础的多能互动模式中，光伏+储能是被广泛看好的能源解决方案，储能系统在未来几年在光伏电力系统中的市场占比将越来越高。1.2.1光能利用发展现状及趋势（2）光热转换发展现状及趋势太阳能聚光、分光、热电联用集成技术是光-热利用的重要发展方向。2022年，全球太阳能集热器共提供了约440太瓦时（1584千兆焦耳）的热量，相当于2.58亿桶石油的能量含量，为节能减排做出了突出贡献。平板型太阳能集热器聚光太阳能热发电（CSP）技术正朝着规模化方向发展。我国于2012年突破光热发电技术，2013年实现并网发电。1.2.1光能利用发展现状及趋势（2）光热转换发展现状及趋势德令哈50MW塔式光热电站1.2.1光能利用发展现状及趋势（3）光化学转换发展现状及趋势（4）光生物质转换发展现状及趋势目前，光化学转换能量利用效率较低，相关能源应用技术仍处于基础研究阶段。未来需开发新型的纳米催化材料来提高太阳能利用率。此外，太阳能驱动催化还原CO2合成小分子碳氢燃料也是很重要的研究方向。光吸收体太阳能燃料催化剂光合作用是一个异常复杂的生物化学过程，提高光合作用效率是提高光生物质能转化效率的前提。未来光能-生物质能转换研究的主要发展趋势是通过多学科交叉，揭示光合作用的分子机理及其调控方式。1.2.2机械能利用发展现状及趋势（1）风电转换发展现状及趋势截至2020年年底，我国风电装机量占国内电力装机总量的12.8%，是仅次于水电的可再生能源，风电已成为我国的重要能源之一。全球风电装机容量从2013年的300GW跃升到了2022年的899GW，其中，中国的风电装机量在2022年达到了367GW。风电的发展趋势：①风电原理、新型材料等基础研究的进一步深入；②更大型风电装备的研发及性能的改善；③陆上及海上风电场设计建设与运行维护水平的持续提升，更加高效、低成本地实现风能的规模化开发利用；④公共研究试验能力的持续完善，支撑大型及新型技术和装备的研发验证。1.2.2机械能利用发展现状及趋势（2）水电转换发展现状及趋势2020年全国电力装机容量占比情况2020年，水力发电装机容量占我国电力总装机容量的16.82%，是占比最高的可再生能源。水电开发技术在世界范围内也已成熟，已从大规模集中发展进入适度有序的阶段。抽水蓄能技术在未来水电领域具有巨大潜力。1.2.2机械能利用发展现状及趋势（3）潮汐能、波浪能发展现状及趋势潮汐能发电技术已趋于成熟，到2020年底，潮汐能总发电量超过60GWh（高于前一年的45GWh)。波浪能发电设备仍处于研发阶段。由于从各种波况中提取波能的技术较为复杂以及不同技术的工作原理差异较大，设计上还没有趋同。波浪能开发利用途径主要有两种：100kW以上的设备主要面向公共事业规模的电力市场，而较小的设备（通常低于50kW）主要应用于专业领域（水产养殖、海洋监测和防御等）。法国LaRance潮汐电站浙江温岭江夏潮汐电站1.2.3热能利用发展现状及趋势地热能是热能资源最重要的组成部分。目前，世界已有24个国家进行地热发电商业开发，地热电站250多座，但是地热能发电规模整体增长缓慢。截至2020年年底，世界地热发电总装机容量已经超过14GW，地热能的未来发展依赖于技术进步和国家政策支持。海洋温差能发电装置的装机容量较小，其开发利用发展方向主要包括装置的大型化、更高效的热力循环和温差能综合利用。海洋温差能技术除了用于发电外，在海水淡化、制氢、空调制冷、深水养殖等方面有着广泛的综合应用前景。地热能发电装置国内首套50kW海洋温差能发电系统1.2.4化学能-电能转换与存储技术发展现状及趋势

部分可再生能源具有不连续性与不稳定性，例如风力发电系统和太阳能光伏发电系统没有稳定的能源输入和固有的储能能力，在能源转换和利用过程中供求之间存在时间与空间上不匹配的矛盾。因此，新能源产业的发展离不开储能技术的支撑。电化学储能中的氢能、燃料电池、锂电池、液流电池等是具有极大应用潜力的新型能量存储方式。1.2.4化学能-电能转换与存储技术发展现状及趋势（1）氢能技术氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的二次能源，是未来构建以清洁能源为主的多元能源供给系统的重要载体。氢能既是能源，也是灵活的能源载体，正被应用于各个终端领域，包括交通运输，供电供热，化工冶金等，“氢经济”已经成为21世纪新的竞争领域。但氢能大规模的商业应用还面临着亟待解决的问题，包括廉价的制氢技术的开发、安全可靠的储氢和输氢方法的发展。1.2.4化学能-电能转换与存储技术发展现状及趋势（2）燃料电池技术燃料电池是一种化学电池，它直接把物质发生化学反应时释放出的能量变化成电能，工作时需要连续地向其供给活性物质——燃料和氧化剂。燃料电池能量密度极高，接近于汽油和柴油的能量密度，几乎是零污染，号称“终结电池”，是各国重点研发的领域之一。但是其成本太高，目前高成本瓶颈表现在：燃料电池反应中需要使用贵金属铂作为催化剂，使得成本居高不下；燃料种类单一，且对其安全性要求很高；要求高质量的密封，制造工艺复杂，并给使用和维护带来很多困难。（3）锂离子电池技术锂离子电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染、快速充电、自放电率低、工作温度范围宽和安全可靠等优点，已成为电动汽车较为理想的动力电源。目前，全球锂电池生产主要集中在日本、韩国和中国，主要用于消费电子、运载工具的动力、电力电网的储能等领域。从现阶段发展趋势来看，随着电极材料结构与性能关系研究的深入，在分子水平上设计出来的各种规整结构或掺杂复合结构的正负极材料将有力地推动锂电池的研究与应用。1.2.4化学能-电能转换与存储技术发展现状及趋势（4）液流电池技术液流电池是通过正、负极电解质溶液活性物质发生可逆氧化还原反应实现电能和化学能的相互转化，具有储能系统运行安全可靠、环境友好、能量效率高、易于系统集成和规模放大等特点。适用于对体积、重量要求不高的固定大规模储能电站，不适用于移动电源和动力电池。想要推进液流电池储能技术的产业发展，需要不断创新、完善技术，大幅度降低液流电池的制造成本，满足实用化和商业化的要求。1.2.4化学能-电能转换与存储技术发展现状及趋势1.2.5生物质能利用发展现状及趋势生物质能占2019年全球能源消耗总量的11.6%以及可再生能源消耗的一半左右。目前我国主要生物质资源年产生量约为34.94亿吨，具有能源利用的开发潜力为4.6亿吨标准煤，生物质发电容量2020-2022年的年均增长率20%以上。2015-2022年我国累计生物质发电装机容量根据《3060零碳生物质能发展潜力蓝皮书》预测，我国秸秆、畜禽粪、林业剩余物、生活垃圾、废弃油脂等生物质能源的产量将逐步上升，为生物质技术的发展提供充足的原料。未来生物能源与碳捕获和储存（BECCS）技术与生物质能技术相结合能够为全球温室气体减排贡献巨大的力量。1.2.6核能利用发展现状及趋势2012-2022年我国核能发电量变化核能能在军事、医疗、民生等领域均有广泛的应用，当前的规模最大的利用方式是发展核电。一些国家和地区的核电成本已经低于燃煤及天然气的发电成本。我国核电运行装机规模持续增长，核能发电量持续提高，在“十三五”规划的收官年（2020年），我国核能发电量为3662亿千瓦时，较2019年增长5.02%，约占全国累计发电量的4.94%。核裂变能技术已非常成熟、可大规模应用，而聚变能技术仍处于研发阶段。先进核能技术的研发趋势为通过提高反应堆的安全性和经济性，及实现核资源利用效率的最优化和放射性废物最小化。第一章

小结了解掌握能源的分类与特征？光能、机械能等能量形式包含的新能源类型？新能源发展现状及趋势。本章目的：让同学们对人们赖以生存的各类能源的分类与特征形成较为清晰的整体性认知，了解各类新能源的发展现状及趋势。新能源利用过程中的能量转化形式。能量转化与存储原理新能源类专业能量转化与存储原理教师：电话：邮箱：第2章能量的物理基础能量的分类2.22.1能量转换的物理基础1.能量的分类2.1.1能量的性质分类按照能量的物理性质，能量可以区分为物质能、动能、势能和电磁能4种形式。（1）物质能：源自相对论中质能等效原理，它指出质量和能量之间存在着等价关系。（2）动能：动能是物体因运动而具有的能量。（3）势能：势能是物体在某个位置或状态下具有的能量。常见的势能包括重力势能、引力势能、弹性势能、磁场势能、电势能、分子势能等。（4）电磁能：指的是储存在电磁场中的能量。包括电能，磁能，电磁波能量2.1能量的分类2.1.2能量的形式分类按照能量的形式，能量又可以分为：光能：光是一种电磁波，光能是指储存在光中的能量，本质上属于电磁能；热能：通常定义热能是物体因温度而具有的能量。热能只能由高温向低温物体单方向传递，也是一种势能。但从分子运动论观点看，热能的本质是物体内部所有分子动能之和；化学能：化学能是物质内部存储的一种能量形式，是分子和原子之间的相互作用所产生的能量，化学能本质上属于电磁能和动能；电能：电能即电场能，指的是存储在电场中的能量，是电磁能的一种；机械能：动能、重力势能和弹性势能统称为机械能；生物质能：生物质能是指从生物体中获取的能量，通常包括来自植物和动物的有机物质，生物质能属于化学能的一种；原子能：原子能是指原子核因重新分离与组合而释放的能量，原子能本质上属于物质能。2.1能量的分类2.1.2.1光能①光辐照度P光辐照度（P）：单位时间内通过单位面积的电磁场的能通量，通常以瓦特每平方米（W/m²）来表示。②光谱辐照度I光谱辐照度（I）：单位时间内通过单位面积的、单位光子能量范围内的光能通量，通常以瓦特每平方米每电子伏（W/m²/eV）来表示。③光子通量b光子通量（b）：单位时间内通过单位面积的、单位光子能量范围的光子数目，通常以个每平方米每电子伏每秒（/m²/eV/s）来表示。2.1能量的分类光能的度量光是一种电磁波，光能是指储存在光中的能量，本质上属于电磁能

2.1能量的分类（2）太阳能及其定量描述

2.1能量的分类

2.1能量的分类太阳常数ISC：在日地平均距离、单位时间内、地球大气层上界、与辐射方向垂直的单位面积上接收的太阳辐射能通量为太阳常数，通常太阳常数的取值为1361W/m²。太阳光谱Is（λ）：特定波长（波段）单位波长范围内的，单位时间内、与辐射方向垂直的单位面积上接收的太阳辐射能通量为太阳光谱，单位是（W/m²/nm）。如右图所示：实际情况下太阳能的定量描述太阳辐射透过大气层时，一部分光线被反射或散射，一部分光线被吸收，到达地球表面的太阳辐射被减弱，如下图所示。2.1能量的分类大约19%被大气层吸收；大约26%被大气层和尘粒反射回宇宙空间；大约4%被地面反射回宇宙空间；被地球表面吸收的太阳辐射功率约占51%。（3）太阳能的利用光电转换和光热转换是目前最主要的两种太阳能利用方式。光电能量转换技术主要是是太阳电池。光热能量转换技术的主要应用就是太阳能集热器和太阳能热泵。此外，光-生物质能和光-化学能转换也是两种十分重要的太阳能利用方式。2.1能量的分类2.1.2.2热能（1）热能的度量

通常情况下，在温度变化时，且这个过程物质没有发生相变时，热能的变化量为：

Q=Cm△T

C为物质的比热容，m为物质的质量，ΔT为温度的变化。

2.1能量的分类热能通常定义热能是物体因温度而具有的能量。从分子运动论观点看，热能的本质是物体内部所有分子动能之和（2）热能的利用生活供暖、食品加工各种工业生产过程除此之外，热能也是能量转换最重要的基础能量形式。2.1.2.3化学能化学能：化学能是物质内部存储的一种能量形式，是分子和原子之间的相互作用所产生的能量。化学能本质上属于电磁能和动能；

2.1能量的分类

（2）化学能的利用

①燃烧：化学能被转化为热能；

②电池：化学能可以通过电化学反应转化为电能；

③化学能储存：通过电解、化学反应等手段将其它形式的能量转换成化学能来储存。

2.1能量的分类2.1.2.4电能

2.1能量的分类（2）电能的利用从本质上来讲，电能的利用以电荷为载体，通过电场对电荷施加力将电场能量转换为荷电粒子的动能，再利用荷电粒子的动能来做功。电能可以被转化成热能、机械能、化学能、光能等之中任何形式的能量。①电阻：转化为热能；②电容：转化为电场能量以电场的形式储存在电容器中。③电感：运转化为磁场能量，以磁场的形式储存在电感中。④储能器件：将电能以化学能的形式储存在电池中。⑤电动机：转化为机械能。这在电动机和发电机中应用广泛。2.1能量的分类（3）电能的存储常用的电能转换储存技术包括直接以电能的形式进行存储和将电能转换成其它形式的能量再加以储存两种方式。①电容器储能：电容器在充电时能够以静电场能的形式储存电能；②通电线圈储能：通电线圈能够以磁场形式存储电能；③飞轮储能技术：飞轮储能技术是将电能转化为机械能的一种储能技术；④蓄电池储能：蓄电池是一种化学储能方式。2.1.2.5机械能

2.1能量的分类（2）机械能守恒在封闭系统中，一个系统的机械能总量在运动过程中不会改变。这意味着在一个没有非保守力作用的系统中，动能和势能可以相互转换，但它们的总和始终保持不变。（3）机械能的利用广泛应用于机械工程、物理学、建筑工程、航空航天等领域。此外，机械能在实现能量转换和储存中扮演了关键角色，是能量的有效利用和传递的重要能量形式。2.1.2.6生物质能（1）生物质的化学组成主要成分由纤维素、半纤维素和木质素构成2.1能量的分类（2）生物质能的度量①生物质质量或体积②能量产量③能源效率④碳排放和环境影响⑤再生性⑥能源成本（3）生物质能的优缺点①可再生性。②清洁环保性。③用途多样性。④分布广泛性。⑤资源分散性，⑥堆积密度低。生物质能：从生物体中获取的能量，通常包括来自植物和动物的有机物质。2.1.2.7原子能（1）原子能的释放方式核裂变与核聚变。

2.1能量的分类原子能：原子核因重新分离与组合而释放的能量,本质上属于物质能。

（3）原子能的利用原子能发电核武器同位素探测加速器技术、核成像技术等方面。2.1.3能量的品位功是最“高贵”的能量形式，它是万能的供体。理论上功可以100%地转化为别的能量。热是最“低贱”的能量形式，它是万能的受体。任何形式的能量最终将100%地以热的形式散发到环境中。机械能可以百分比转化为功，因此机械能与功是等价的。若不考虑发热损耗，电能和机械能可100%转化，所以电能和机械能与功等价，品位最高。2.1能量的分类能源品位：能源所含有用成分（对外做功）的百分率，是根据做功过程的利用率对能源的一种分级。因为电能的品位与功等价，所以还可以从转换为电能的难易程度判断能源的品位。光能的本质是电磁能，光能-电能的转化，理论上可以实现100%的转换效率，所以光能品位与电能相同如果特指太阳能-电能转化，该转换过程可以看作太阳与太阳电池之间的热平衡，可以将太阳能看作热能，所以太阳能品位低，并且和热能同品位。化学能、生物能都属于化学能，其利用途径有2种，一种是利用电化学反应，可以直接将化学能转换为电能，不需要通过热转化步骤；一种是化学能先转换为热能，热能再对外做功转换为机械能；热功转换过程中的能量损失实际上把化学能的一部分潜在的做功能力浪费了，这种做功能力的浪费被称为“热瓶颈”。因此，化学能的品位高于热能，但低于光能、机械能和电能。原子能属于物质能。在核反应过程中，核能转化为热能和辐射能。在核能利用中，通常会更好地控制核反应，以产生热能，再利用热能-机械能-电能转换过程发电。因此，核能的利用也存在“热瓶颈”。因此，原子能的品位同样高于热能但低于光能、机械能和电能。热能虽然是最低品位的能源，但是通常也会区分高品位热能和低品位热能；当比较不同温度的热源时，高温热源被认为是高品位热能，低温热源则为低品位热能。2.1能量的分类2.能量转化的物理基础2.2.1能量转换的基本定律（1）能量守恒定律能量守恒定律：在一个孤立系统中，能量的总量是恒定的。

这意味着能量不会被创造或毁灭，系统内部的能量可以从一种形式转换为另一种形式，但总能量不会减少或增加。

2.2能量转化的物理基础（3）卡诺定律卡诺定律：不存在能够以比卡诺循环更高的效率将热量转化为功的系统。（2）熵增定律熵增定律：在一个孤立系统中，熵（系统的无序程度）不会减少，而是趋向增加。这意味着自然过程总是朝着更加无序的状态。2.2.2.2固体中的能量概念在固体物理中，体系在能量最低时的状态被称为基态。能量靠近基态的低激发态，通常被称为元激发。2.2能量转化的物理基础元激发2.2.2能量转换的固体基础（1）声子晶格中的原子的振动可以被视为一系列相互独立的谐振子，而简谐振子的能量是量子的，这种量子化的晶格振动与“声音”具有本质相关性。2.2能量转化的物理基础（2）等离激元等离激元：在具有一定载流子浓度的固体系统中，空间中某处载流子浓度的涨落引起其他区域的载流子集体振荡，这种以一定浓度载流子振荡为基本特征的元激发，称为等离激元。表面等离激元（SurfacePlasmon）：是等离激元的一种具体情况，是指两种复数介电常数实部符号不同的界面上载流子的集体振荡。表面等离激元可以区分为局域表面等离激元（LSP）和传导表面等离激元（无缩写）。等离激元共振（SurfacePlasmonResonance）：当光或电子入射到金属，与表面等离激元的频率相近时，就会形成共振。等离激元共振主要指局域表面等离激元共振LSPR。表面等离激元极化（spp）：对于传导表面等离激元，其与光子会发生集体震荡，产生一种由自由电子和光子相互作用形成的混合激发态，即为spp。（3）激子激子是电子-空穴振动的元激发，可将激子理解为电子-空穴的束缚对。2.2能量转化的物理基础（4）光子根据普朗克的量子理论，电磁波的能量是量子化的，电磁波可被视为由一系列量子组成。光子即为电磁波的量子。2.2.2.2能带理论和半导体（1）能带理论①能带的形成以硅原子进行介绍。电子排布如图右所示，每一层的电子能量有所不同，轨道运动也并不完全相同的，各个轨道上的电子具有不同的能量，这些能量值即为能级2.2能量转化的物理基础硅晶体中，不同硅原子中的电子发生交叠，硅原子的单个电子轨道分裂为n个电子轨道，这些分裂的电子轨道之间的能级差很小，可以将电子轨道看成准连续的，因此被称为能带。②能带结构价带：原子形成晶体后，由共价键中的电子填充的最外层能带。导带：价带上方最近的一条能带。带隙：价带和导带之间的能量差。2.2能量转化的物理基础费米能级：在绝对零度时，金属中的电子填满了费米能级以下的所有能级，而高于费米能级的能级全为空。能带：允许电子存在的能量范围禁带：在能带与能带之间存在不允许电子出现的位置。（2）半导体①直接带隙和间接带隙半导体直接带隙半导体：价带顶和导带底在同一个k值，电子跃迁只需要能量变化；如下右图。间接带隙半导体：价带顶和导带底部不在同一个k值，电子跃迁除了能量发生变化，动量还要发生变化；如下左图。2.2能量转化的物理基础②半导体激发态基态下电子布满价带，导带没有电子，如下图a；激发态下价带中的部分电子受到激发从价带跃迁到导带中，如下图b。2.2能量转化的物理基础激发态下价带中留下了一个能容纳电子的空位，这个空位被称为空穴；导带中多了一个自由电子，通常简称为电子，电子和空穴又被称为载流子。2.2.2.3半导体电子论（1）半导体掺杂本征半导体：未掺杂的半导体。通过在纯净半导体掺杂并能产生电子的杂质称为施主杂质或n型杂质，这种掺杂后的半导体称为n型半导体，掺杂浓度用Nd表示。2.2能量转化的物理基础在纯净半导体掺杂产生空穴的杂质称为受主杂质或p型杂质，这种掺杂后的半导体称为p型半导体，掺杂浓度用Na表示。n型硅掺杂示意图p型硅掺杂示意图（2）载流子浓度①热平衡状态2.2能量转化的物理基础热平衡状态：电子和空穴都保持一定的浓度不变；这种状态下的电子和空穴称为热平衡载流子。

电子是费米子，遵循费米统计规律，0K时，费米分布函数可简化为玻尔兹曼分布函数2.2能量转化的物理基础

本征半导体的载流子浓度2.2能量转化的物理基础

b.掺杂半导体的载流子浓度②准热平衡状态

2.2能量转化的物理基础

（3）少子寿命

2.2能量转化的物理基础

（4）载流子的运动扩散运动：在半导体内部载流子浓度浓度差的驱动下，载流子会从高浓度到低浓度进行扩散。2.2能量转化的物理基础

①扩散运动式中，e为电子和空穴所带电荷量（正值），Dn和Dp为电子与空穴的扩散系数，

n是电子浓度梯度。

②漂移运动

2.2能量转化的物理基础漂移运动：载流子在电场力的作用下的运动称为漂移运动；定向运动的速度称之为漂移速度，主要涉及欧姆定律、漂移电流和载流子迁移率的概念。a.欧姆定律b.漂移电流

2.2能量转化的物理基础

c.载流子迁移率载流子迁移率将其平均漂移速度与电场强度联系起来，是载流子漂移特性的重要表征参数。

2.2能量转化的物理基础d.载流子的散射载流子在半导体中运动时，会因为附加势场等作用发生散射：

电离杂质散射：当载流子运动到电离杂质附近时，由于库伦势场的作用，使载流子的运动方向发生变化，发生散射。

晶格散射：当晶体中的载流子运动时，会受到热振动原子的散射，称为晶格（声子）散射。e.迁移率与杂质浓度和温度的关系在高纯样品或掺杂浓度较低的样品中，迁移率随温度升高迅速减小；掺杂浓度很高时，在低温范围，迁移率随温度升高而增加。f.电阻率与杂质浓度和温度的关系杂质浓度越高，电阻率越小；温度增加，电阻率下降。2.2能量转化的物理基础2.2.3能量转换的热电基础

2.2能量转化的物理基础2.2.3.1热电效应零温差情形下，发生帕尔贴效应。两个不同金属相连接，保持两金属温度相同且不变，金属内有化学势梯度；由于耦合，也会产生热量和热流，帕尔贴热功率密度用以下公式表示Q=Π⋅I公式表明，帕尔贴效应导致的热量与通过导体的电流成正比，而帕尔贴系数Π则表示了材料对这种效应的响应2.2能量转化的物理基础

2.2能量转化的物理基础2.2.3.3热能-电能的相互转换过程（1）温差发电（2）热电制冷

2.2能量转化的物理基础2.2.4能量转化的热力学基础2.2.4.1工质及其状态参数工质：种用以实现热功转换的媒介物质。工质的状态参数：描述工质在某一给定瞬间的物理特性的各个宏观物理量。一般包括温度、压力、体积、熵、比熵、焓、比焓、内能、比内能。2.2能量转化的物理基础2.2.4.2系统与环境系统：我们所研究的对象。环境：系统以外的其余部分。①敞开系统：与环境既有能量交换又有物质交换的系统。②封闭系统：与环境只有能量交换而无物质交换的系统。③孤立系统：不能以任何方式与环境发生相互作用的系统。2.2.4.3热力学状态（1）热力学平衡状态和非平衡状态在不改变环境条件的情况下，如果系统的所有性质（温度、压力、组成等）均不随时间而变化，且当系统与环境脱离接触后不会引起系统任何性质的改变，这时我们认为系统处于热力学平衡状态。2.2能量转化的物理基础热力学平衡状态包括以下四方面内容：①热平衡：系统中温度处处相等。②力学平衡：系统中压力处处相等。③相平衡：系统中各相的组成与数量均不随时间而变化，④化学平衡：系统组成不随时间变化，（2）平衡状态的描述­——状态函数用于描述系统热力学状态的宏观参量，例如物质的量n、温度T、压力p、体积V等称为状态函数。2.2.4.4过程与途径常见典型过程等温过程：环境温度恒定不变的情况下，系统初态和末态温度相同且等于环境温度的过程。等压过程：外压恒定不变的情况下，系统的初态和末态的压力相同且等于外压的过程。等容过程：系统体积始终不变化的过程。绝热过程：系统与环境之间不发生热交换的过程。循环过程：系统从一个初态出发，经过一系列的变化，最终回到初态。2.2能量转化的物理基础2.2.4.5热量与功（1）热量与功的定义热量Q：由于温度不同而在系统与环境之间传递的能量。通常规定系统吸热为正，系统放热为负。功W：除热之外，在系统与环境之间传递的一切能量。规定系统做功为正，环境做功为负。2.2能量转化的物理基础

2.2.4.6热力学定律（1）热力学第一定律孤立系统中能量的形式可以转化，但能量总值不变。2.2能量转化的物理基础

（2）热力学第二定律与熵①热力学第二定律的表述：a.表述热量不可能自发的、无代价地从低温物体传向高温物体。这种说法指出了传热过程的方向性。b.不可能制成一种循环工作的热机，只从一个热源取热，并完全变为有用功，而不发生任何其他改变。c.第二类永动机是不可能制造成功的。

2.2能量转化的物理基础（3）热力学第三定律

在0K时，一切纯态完美晶体的熵值为零2.2.4.7传热学（1）导热热传导：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递，简称导热。2.2能量转化的物理基础据热量传递的物理本质的不同，传热方式可分为导热、对流换热和辐射换热三种

（2）对流换热2.2能量转化的物理基础对流换热：流动着的流体与其相接触的固体壁面之间的热量传递过程。

2.2能量转化的物理基础

（3）辐射换热辐射换热：物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射以辐射方式进行的物体间的热量传递，也常称辐射传热。2.2能量转化的物理基础

基尔霍夫定律：在热平衡的条件下，物体的吸收率等于同温度下该物体的黑度。2.2.5能量转换的物化基础

2.2能量转化的物理基础2.2能量转化的物理基础关系式条件关系式条件等容，无非体积功绝热等压，无非体积功等温，可逆等压等温等容，可逆等温，可逆等温等压，可逆功和热在特定条件下与热力学势变的关系2.2.5.2化学能-热能转换的热化学

2.2能量转化的物理基础

（2）化学反应的热效应绝大多数的化学反应是在等温等容或等温等压条件下发生的。因此，反应热是反应系统的△U或△H，通常说的反应热是指反应系统的△H。（3）反应热的计算

2.2能量转化的物理基础（4）化学平衡和平衡常数

2.2能量转化的物理基础

（4）化学平衡和平衡常数2.2能量转化的物理基础

2.2.5.3化学能-电能转换的电化学

2.2能量转化的物理基础

2.2能量转化的物理基础（4）化学能-电能转换的最高效率

2.2能量转化的物理基础2.2.6能量转换的电磁基础

2.2能量转化的物理基础2.2.6.1

麦克斯韦方程组2.2.6.2

库伦定律和洛伦兹定律

2.2能量转化的物理基础库伦定律描述了电场如何与电荷相互作用；洛伦兹力定律描述了磁场如何与电荷相互作用。2.2.6.3电能的传输（1）有线电能传输有线电能传输的物理过程较复杂，涉及电磁场和电荷两个因素，基本原理为库伦定律。（2）无线电能传输无线电能传输的物理过程较简单，以电磁场为载体进行电能传输，基本原理为法拉第电磁感应定律和安倍环路定理。无线电能传输技术主要包括以下4种：电磁感应式、电容耦合式、电磁辐射式和超声波式2.2能量转化的物理基础无线电能传输技术种类优点缺点适用场所电磁感应式传输功率大传输效率高易实现、控制简单传输距离较近对铁磁性物质敏感较近距离全功率范围效率要求高电容耦合式无涡流损耗耦合器成本低传输距离较近传输功率较低器件电压很高较近距离中等功率超声波式电磁辐射弱研究较少特殊领域微波辐射式传输距离远传输功率大传输效率低抗偏移性能差电磁辐射强远距离大功率激光辐射式传输距离很远传输功率较大传输效率低抗偏移性能差远距离大功率无线电能传输技术比较第二章小结了解掌握能量的分类与特征能量品阶的意义能量转换的类型本章目的：让同学们了解生活中所常见的各类能量的分类与特征，对能量转换过程所需要的物化基础知识建立起形成较为清晰的整体性认知。能量转换中的涉及的物化知识能量转换的过程及物理变化

1太阳能电池中，能量转换都涉及哪几方面物理基础。2列举至少五种生活中常见的能量转换形式及其对应物品。

作业能量转化与存储原理新能源类专业能量转化与存储原理教师：电话：邮箱：第3章光能转换原理与过程光能与电能转换3.23.13.33.4光能与热能转换光能与生物质能转换光能与化学能转换1.光能与电能转换3.1.1光伏效应与效率极限光伏效应：光照时，光子向电子传递能量，若光子能量大于半导体的带隙，可以使电子跨越带隙跃迁到导带，成为可以自由运动的电子，自由电子被输运到外部电路，产生电动势和电流。3.1.1.1光伏效应3.1光能与电能转换3.1.1.2光电转换效率的理论极限SQ极限建立在几个关键物理假设和理想化条件之上:假设一：将环境当作黑体，环境的物性区别可以忽略不计；假设二：理想半导体材料没有缺陷：太阳电池从环境吸收的每一个光子都能转化为受激电子；太阳电池中所有受激电子都通过自发辐射复合，从激发态弛豫到基态，发射光子；假设三：理想半导体中载流子输运没有损失，任何地方的化学势差都是常数；假设四：假设电池表面没有任何反射，并且所有能量大于Eg的光子都能实现本征吸收，并且载流子完全得到收集。肖克利-奎伊瑟极限（Shockley–Queisserlimit），是太阳电池客观上能达到的最高效率。3.1光能与电能转换

3.1光能与电能转换3.1.2半导体结和p-n结（1）半导体结半导体结包括同质结和异质结。同质结：由相同半导体经过不同掺杂形成的半导体结异质结：由功函数不同的两种半导体形成的半导体结

3.1光能与电能转换

3.1光能与电能转换金属属-半导体接触可以分为肖特基接触和欧姆接触。肖特基接触：金属和n型半导体发生电学接触，两种固体材料费米能级EF相等，形成的金属半导体接触欧姆接触：n型半导体与具有更小功函数的金属接触，或p型半导体与具有更大功函数的金属接触形成的金属半导体接触肖特基接触的形成过程：由于n型半导体的导带底Ec高于金属的费米能级EF，一部分电子从n型半导体向金属流动，直到界面累积的电荷形成足够大的电荷梯度和势垒，电子才停止从n型半导体向金属流动，实现热平衡状态。这样的势垒称为肖特基势垒。3.1光能与电能转换（2）金属-半导体接触欧姆接触的形成过程：半导体的多数载流子累积在半导体一侧，少数载流子通过界面，累积在金属一侧，直到少数载流子的扩散和多数载流子的漂移达到平衡，达成热平衡状态。3.1光能与电能转换实现光伏效应，半导体结需要一定的条件：3.1光能与电能转换

(2)半导体结的空间电荷区形成对多数载流子的势垒。在光照下，内建电场F和势垒使光生载流子发生漂移，多数载流子浓度大大增加。

3.1光能与电能转换（3）p-n结

3.1光能与电能转换

p-n结的优点：(1)避免了金属-半导体接触界面的表面态；(2)可以控制掺杂浓度Nd与Na；(3)内建电压Vbi更大，而不会形成反型层。3.1.3太阳电池工作过程3.1.3.1载流子的产生载流子的产生是电子被激发的过程。包括热激发和光激发两种。太阳电池工作过程主要包括：载流子的产生、复合、分离和输运四个基本物理过程

3.1光能与电能转换光吸收系数：材料吸收光子的能力；包含本征吸收、杂质吸收、晶格吸收、自由载流子吸收等多种光吸收机制。但不是所有的光吸收都能产生载流子。可以导致载流子产生的主要机制有：价带电子吸收能量大于带隙E>Eg的光子跃迁到导带，产生电子空穴对；价带电子跃迁到带隙内的缺陷态或局域态，在价带中产生一个空穴；电子从陷阱态或局域态跃迁到导带，在导带中产生一个电子；俄歇产生，动能大于带隙Eg的载流子把动能传递到价带电子，使价带电子跃迁到导带，成为自由载流子。其中，价带电子吸收能量大于带隙E>Eg的光子跃迁到导带是最主要的载流子产生机制。3.1光能与电能转换光激发：在光照情况下，半导体中价带电子可以吸收入射光子的能量跃迁到导带，产生导带电子和价带空穴。属于非平衡载流子。

主要包括四种形式：辐射复合、俄歇复合、陷阱复合、表面复合和晶界复合。辐射复合:主要发生在直接带隙半导体中，包括自发辐射和受激辐射。自发辐射：在没有任何外界作用下，自发地从高能级向低能级跃迁；受激辐射：处于激发态的发光原子在外来辐射场的作用下向低能态的跃迁，此时外来辐射的能量必须恰好是原子两能级的能量差。通常不考虑。

3.1光能与电能转换3.1.3.2载流子的复合

3.1光能与电能转换

俄歇复合:

是理想间接带隙半导体材料复合损耗的主导机理。俄歇复合过程：一个导带电子弛豫到价带，与一个价带空穴复合，释放的能量被另一个导带电子或价带空穴吸收并增加能量为Eg的动能变为热电子或热空穴，热电子或热空穴经过热弛豫将能量转递给晶格。

3.1光能与电能转换在n型半导体中，2个导带电子和1个价带空穴参与俄歇复合在p型半导体中，2个价带空穴和1个导带电子参与俄歇复合陷阱复合:实际太阳电池中最重要的载流子复合过程；由带隙内的缺陷态引起的。陷阱复合的过程：被缺陷态俘获的电子（空穴），最终通过热激发被发射回到导带（价带）;复合中心：若缺陷在被俘获的电子（空穴）发射前，又俘获了另一种载流子，则两个载流子发生复合。

如下图，abc分别为电子陷阱，空穴陷阱和复合中心示意图3.1光能与电能转换

3.1光能与电能转换表面复合和晶界复合：在实际的太阳电池中，缺陷不仅会出现在半导体的体内，也会出现在半导体表面、多晶硅或异质结的晶界上，造成表面复合和晶界复合。

3.1光能与电能转换表面或者晶界的局域缺陷态：悬挂键引起的晶体缺陷、晶体生长过程在界面聚集的非本征杂质外界沉积的非本征杂质这些产生复合的陷阱态，分布在二维表面

辐射复合和俄歇复合是能带结构引起的，在本征半导体和缺陷半导体中都存在，是不可避免的；陷阱复合、表面复合和晶界复合在理想的本征半导体中不存在，只存在于缺陷半导体中，是可以避免的：俄歇复合、陷阱复合、表面复合和晶界复合都属于非辐射复合

3.1光能与电能转换

3.1.3.3载流子的分离和输运

3.1光能与电能转换在太阳电池中部分光生载流子发生复合，剩下的载流子则需要经过载流子分离和载流子输运，被输运到太阳电池的电极，产生输出电流和输出电压。3.1.4半导体输运方程组（1）三维半导体输运方程组上面给出了电流密度的表达式，其中载流子浓度n、p和电场强度F仍然是未知量。

3.1光能与电能转换连续性方程和泊松方程构成半导体输运方程组（初始形式）。

3.1光能与电能转换3.1.5半导体输运方程组的求解此外，还需要2个重要的近似条件：近似1：耗尽近似，包括两个内容：1）内建电场只存在于空间电荷区，空间电荷区没有自由载流子，内建电场完全由掺杂离子引起。2）电中性区和空间电荷区边界是突变的。近似2：线性复合近似，要求电中性区的复合率U与少子浓度成正比3.1光能与电能转换（1）理想假设和近似条件首先需要确定3个理想假设假设1：太阳电池所用材料是理想的、高纯度的、不存在界面态；假设2：内建电压Vbi只存在p-n结内部，这对典型的掺杂浓度和半导体层厚度是成立的；假设3：p-n结可以被划分为空间电荷区、电中性n型区和电中性p型区。基于以上对p-n结的三个假设，可以认为p-n结满足一维稳态半导体输运方程组。

3.1光能与电能转换（2）耗尽宽度

3.1光能与电能转换该二阶偏微分方程的求解需要引入3个边界条件。

3.1光能与电能转换（3）载流子浓度分布和电流计算①电中性区的载流子浓度分布和电流

3.1光能与电能转换该二阶微分方程的求解需要引入2个边界条件。

3.1光能与电能转换

②空间电荷区的载流子浓度分布和电流

3.1光能与电能转换

3.1光能与电能转换（4）太阳电池的伏安特性计算

3.1光能与电能转换①载流子浓度

3.1光能与电能转换②电流密度电中性p型区的少子电流密度由位置x=-wp处的光谱电子电流密度jn(E,-wp)表示；

3.1光能与电能转换以p型区为例：

结合净电流密度公式得到耗尽近似下的净电流密度J(V)，反映太阳电池的伏安特性。3.1光能与电能转换

（5）外加电压和光照下的p-n结太阳电池的输出电流密度J由两部分贡献：太阳光谱bs与输出电压V。

（a）p-n结势垒变化和（b）载流子运动3.1光能与电能转换

（a）p-n结势垒变化和（b）载流子运动3.1光能与电能转换

3.1光能与电能转换扩散电流、空间电荷区电流和辐射电流在不同类型的p-n结中的重要性不同。

3.1光能与电能转换②光照下的p-n结

3.1光能与电能转换光照下的p-n结是指短路情况下（V=0）受太阳光辐照的p-n结。由耗尽近似，外加电压V=0要求空间电荷区的准费米能级相等，没有净复合；因此，光生电流密度Jph就等于短路电流密度Jsc。

3.1光能与电能转换（6）太阳电池中的p-n结

下图给出了太阳电池有、无光照时的伏安特性曲线。3.1光能与电能转换3.1.6太阳电池的主要参数

（3）最佳工作点在太阳电池的JV特性曲线上表述对应功率曲线，如右图。太阳电池的最佳工作点，即功率曲线极值，并可得到对应最佳工作电压Vm、最佳工作电流密度Jm及最大输出功率Pm。3.1光能与电能转换

3.1光能与电能转换3.1.7影响太阳电池伏安特性的因素寄生电阻：包含串联电阻Rs与并联电阻Rsh两种串联电阻Rs：包含电池本身的体电阻、前电极金属栅线的接触电阻、背电极的电阻、横向电流传输对应的薄膜电阻以及金属本身的电阻等。

并联电阻Rsh：由漏电流等引起，不是实际电阻，而是一个等效物理参数参数；表征电池漏电流的大小和自身能量消耗。考虑寄生电阻的太阳电池等效电路3.1光能与电能转换（1）寄生电阻影响

寄生电阻的影响：

3.1光能与电能转换并联电阻Rsh过小会降低短路电流。串联电阻Rs过大会降低开路电压；

3.1光能与电能转换（2）温度影响

最终，温度上升导致功率P与转换效率η降低，如右图

3.1光能与电能转换（3）辐照度的影响3.1.8太阳电池标准测试条件太阳电池标准测试条件：太阳辐照度Ps=1000W/m2，大气质量AM1.5，环境温度Ta=25±1ºC。3.1光能与电能转换3.1.9太阳电池材料与技术简介3.1光能与电能转换3.1.9.1太阳电池材料太阳电池可以大致分为第一代、第二代和第三代太阳电池。第一代太阳电池以晶体硅太阳电池为代表，包括单晶、多晶和非晶硅太阳电池；这类电池发展较为成熟，占据全球光伏市场的90%以上。第二代太阳电池主要是化合物半导体太阳电池，包括单晶化合物太阳电池和多晶化合物太阳电池；单晶化合物太阳电池以砷化镓（GaAs）太阳电池为代表；多晶化合物太阳电池以碲化镉（CdTe）和铜铟镓硒（CIGS）太阳电池为代表。GaAs太阳电池通常用于航空航天、军事等领域或地面聚光应用；CdTe和CIGS太阳电池在光伏建筑一体化领域具有广阔的前景。第三代太阳电池也被称为新型太阳电池，主要包括有机薄膜太阳电池，染料敏化、量子点敏化太阳电池和钙钛矿太阳电池；这类电池发展时间较短，但拥有较高的理论转化效率或特有的优势（例如柔性、可塑性等），并且成本相对较低，具有很大的潜力。3.1光能与电能转换（1）晶硅材料晶硅太阳电池的极限效率可达到30%，目前平板单晶硅太阳电池效率已达26.7%，聚光硅太阳效率达到27.6%，晶硅的禁带宽度约为1.12eV，是一种间接带隙半导体。光吸收过程需要声子参与，因此光吸收系数较小，通常需要很厚的半导体吸收层。（2）砷化镓材料基于砷化镓的单结太阳电池效率目前已达29.1%，聚光效率达到30.5%，四结聚光电池更是达到了47.1%的效率。砷化镓具有直接带隙，光吸收系数大，只需要1µm左右的吸收层就可以充分吸收太阳光；常温下的带隙为1.42eV，接近理想太阳电池的带隙1.4eV。3.1光能与电能转换（3）碲化镉材料碲化镉太阳电池价格低廉，目前效率已达22.1%，理论最高转化效率约为30%。CdTe的带隙宽度为1.45eV，光谱响应与太阳光谱十分吻合；CdTe是一种直接带隙半导体，吸收系数极大，1μm厚的薄膜，足以吸收大于禁带宽度99%的辐射能量，是制备极薄太阳电池的理想材料。（4）铜铟镓硒材料CIGS太阳电池转换效率高，目前效率已达23.4%，并且稳定性好、弱光性能好，也被认为是未来最有发展潜力的薄膜电池之一。通过调节CuInSe2和CuGaSe2的比例，可以调节铜铟镓硒带隙在1.02eV-1.67eV范围变化，非常适用于优化带隙。铜铟镓硒具有直接带隙，吸收系数高达6×105cm-1，是到目前为止所有半导体材料中的最高值。材料带隙（eV）电子亲和势（eV）载流子浓度（cm-3）少子寿命（s）Si1.124.24n:1350p:480GaAs1.424.07n:8500p:40010-9~10-8CdTe1.54.3~1016n:1050p:8010-8~10-6[7]CIGS1.02~1.67取决于具体成分1014~1017n:100~1000p:50~18010-8~10-73.1光能与电能转换各类光电转换材料关键参数3.1光能与电能转换3.1.9.2太阳电池技术（1）晶硅太阳电池单晶硅太阳电池采用单晶硅片制造太阳电池，发展最早（1954年），技术也最为成熟。但1998年后，单晶硅太阳电池的市场占有率逐渐被更便宜的多晶硅电池超过。直到

2016年p型单晶硅“发射极及背面钝化电池技术”电池的正式量产，太阳电池来到单晶硅年代。单晶硅太阳电池的市场份额迅速扩张，现今，单晶硅太阳电池占据了绝大多数的市场。单晶硅电池技术如火如荼的发展，催生了很多先进的技术如PERC（PassivatedEmitterandRearCell）、HJT（HeterojunctionwithintrinsicThinlayer）、TOPCon（TunnelOxidePassivatedContact）、IBC（Interdigitatedbackcontact）等。根据国际光伏技术路线图和中国光伏行业协会的预测，传统的BSF电池将逐步退出市场，PERC电池在未来5到10年将一直占据主导地位，同时HJT、TOPCon、IBC等先进电池技术将逐步扩大市场份额。3.1光能与电能转换BSF（铝背场电池）是多晶硅年代的主流技术。其特点为使用铝背场钝化技术。缺点是整体开路电压不高，单片电池的开路电压约为0.50-0.65V，理论转化效率只有20%。PERC电池与传统的BSF电池不同之处在于背面，PERC电池采用了高质量的介质膜来钝化背面，从而大幅度降低了背面的复合速率。相比与BSF电池，PERC电池的开路电压提升幅度达到10-20mV，长波量子效率明显提高使短路电流密度提升幅度达到0.8-1.6mA/cm2。PERC的理论转换效率极限可以达到24.5%PERC电池的主要缺点是光致衰减比较严重。由于B-O对的存在，P型晶硅电池普遍存在光致衰减的问题，而叠加PERC技术后衰减问题更甚。此外，PERC-P型单晶硅电池的转换效率2022年已经达到24.1%，未来的上升空间不大。3.1光能与电能转换TOPCon电池是基于选择性载流子原理的隧穿氧化层钝化接触太阳电池技术。结构如下图：其利用n型硅片为衬底，在背面先制作一层不足2nm的超薄二氧化硅（SiO2）作为隧穿层，再在上面制作一层20nm左右的掺磷（掺杂浓度较衬底更高）多晶硅薄膜。由超薄隧穿氧化层和掺杂多晶硅层组合而成的结构（SiO2/poly-Si(n+)）是TOPCon电池的核心，可以实现对载流子的选择性收集，起到了关键的表面钝化作用。TOPCon太阳电池的理论转换效率极限为28.7%。TOPCon太阳电池因其与PERC太阳电池的制备工艺均为高温工艺且工序兼容性较高，颇受传统太阳电池厂商的青睐。3.1光能与电能转换HJT电池俗称异质结电池，HJT电池的结构如下图所示：衬底材料为n型单晶硅；两面衬底之上的第二层为含大量氢原子的本征非晶硅薄膜，一般仅约6-10nm厚，在钝化中起到关键作用；两面衬底之上的第三层为含氢的掺杂非晶硅层：正面的窗口层处为p型膜层，构成p-n结，背面为重掺杂的n型膜层，与本征层一起构成背场，起到对载流子的选择性钝化作用；最外层为TCO透明导电膜层，用于减反射和汇集电流，传递给两面的金属电极。HJT太阳电池的理论转换效率极限为27.5%。HJT太阳电池的最大优势是晶硅与非晶硅异质结结构增加了p-n结势垒高度，增强了对载流子的选择性，使得开路电压可以突破晶硅太阳电池的上限。3.1光能与电能转换IBC太阳电池是将正负极金属接触均移到电池片背面的电池技术。如下图所示：与TOPCon、HJT采用新的钝化接触结构来提高钝化效果从而提高转换效率的思路不同，IBC则是将电池正面的电极栅线全部转移到电池背面，通过减少栅线对阳光的遮挡来提高转换效率。IBC电池的技术核心是在背表面制作出间隔排列的p型与n型掺杂区域，并在上面形成金属化接触和栅线。新一代的IBC电池已经吸收TOPCon钝化接触技术，演化出TBC（TunnelingoxidepassivatedcontactBackContact）太阳电池；吸收了HJT钝化接触技术，演化出了HBC（Heterojunctionback-contact）太阳电池。随着TOPCon技术以及HJT技术的不断进步和成熟，与其相结合的TBC、HBC电池有望受益。3.1光能与电能转换（2）单晶化合物太阳电池单晶化合物太阳电池主要指GaAs基系的太阳电池。GaAs基系太阳电池非常适合太空应用，在空间科学领域取代硅太阳电池，成为空间能源的重要组成部分；其次，GaAs基系太阳电池的耐高温性能和较低的温度系数也使其非常适用于地面聚光应用。如今，GaAs基系太阳电池的研究重点转向叠层电池。最初，使用AIGaAs作为顶电池材料，1988年，B.Chung等制备的AIGaAs/GaAs双结叠层电池在AM1.5光谱下取得了23.9%的转换效率。2005年KenTakahashi等制备出了迄今为止转换效率最高的AIGaAs/GaAs叠层太阳电池，在AM1.5光谱下取得了28.85%的转换效率。后来，

又提出Ga1-xInxP/GaAs叠层电池，1997年，T.Takamot等研制的InGaP/GaAs双结叠层电池，在AM1.5光谱下的转换效率达到了30.28%。3.1光能与电能转换在产业化的过程中，GaAs衬底被Ge衬底取代，变为三结叠层电池。此后，GaInP/GaAs/Ge叠层太阳电池结构成为GaAs基系太阳电池研究和应用的主流结构。如右图所示：2013年，Sharp发明的GaInP/GaAs/InGaAs三结叠层电池，在AM1.5光谱302倍聚光下转换效率达44.4%。这是迄今为止3结叠层电池的最高效率。3.1光能与电能转换（3）多晶化合物太阳电池多晶化合物太阳电池中，目前最主要的电池包括碲化镉（CdTe）太阳电池和铜铟镓硒（CIGS）太阳电池两大类。CdTe太阳电池成本较低，温度系数低且弱光性能好，同样标定功率的CdTe太阳电池，比晶硅太阳电池平均全年可多发5%~10%的电能。2016年，FirstSolar公司制成了转换效率22.1%的碲化镉电池，之后再无突破。碲化镉太阳电池主流结构为P-CdTe/n-CdS异质结结构。如右图所示：CIGS太阳电池是薄膜太阳电池中效率最高的太阳电池，目前效率已达23.4%，并且稳定性好，在弱光下的性能也较好。铜铟镓硒太阳电池的主流结构为CdS/CIGS异质结结构，CuIn1-xGaxSe为吸收层，厚度在1.5-2.0μm。2.光能与热能转换3.2.1光热转换概述太阳能光热转换是指通过反射、吸收或其他方式把太阳辐射能集中起来，转换成流体或空气等输送介质内能的过程，是太阳能利用最为广泛的方式。光热转换过程涉及多个传热机理，吸热板首先靠辐射换热实现光能到热能的转换，有效的光热转换需要吸收太阳能的表面与流体或气体进行接触，进行充分的热传导和热对流，并最大限度的减少对环境的热损失，以获取热能。3.2光能与热能转换

3.2光能与热能转换

3.2光能与热能转换3.2.3光热转换材料光电转换材料主要包括金属基光热转换材料、半导体光热转换材料、碳基光热转换材料和有机聚合物光热转换材料。金属基光热转换材料金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振能够有效的吸收太阳光，产生高能量的热电子。通过晶格对电子的散射，局域表面等离激元吸收的光能能够转化为晶格的振动能，从而产生显著的光热效应。主要是金纳米光热转换材料和其他金属纳米光热转换材料。半导体光热转换材料半导体材料的光热转换原理：一部分归因于光热电子激发；还有一部分得益于SPR效应、LSPR效应等的共同作用。当前材料主要有硫属铜基化合物和钨氧化物。碳基光热转换材料材料中的碳原子形成一个巨大的共轭体系，对光具有很强的吸收，应用于光热材料的碳基材料主要是碳纳米管和石墨烯。有机聚合物光热转换材料共轭体系受光激发后，可以产生激发热电子，实现光热转换并且，共轭聚合物产生的激发电子可以沿着共轭的π键迁移，具有高效的能量传递。3.2光能与热能转换（3）光热转换利用技术①太阳能热利用

太阳能热水器太阳能制冷太阳能海水淡化3.2光能与热能转换（3）光热转换利用技术①太阳能热发电

线性菲涅尔式槽式塔式碟式3.2光能与热能转换3.光能与生物能转换3.3.1自然光合作用的基本原理光合作用一般可以分为以下4个基本过程：（1）原初光反应光合蛋白PSII和PSI在类囊体膜上发生光反应及一系列电子传递过程，最终合成ATP和NADPH这2种生物代谢中重要的能量载体。（2）光驱动水氧化水被氧化产生O2同时释放出质子。（3）同化力形成光系统之间的电子传递及耦合的磷酸化反应形成同化力还原型辅酶II（NADPH）和三磷酸腺苷（ATP）。（4）碳同化作用CO2通过卡尔文循环（还原性磷酸戊糖途径）被吸收转化为有机碳，这是植物将无机碳净转化为糖类的唯一途径。3.3光能与生物质能转换光能与生物质能的转换：地球上的植物、藻类和某些细菌通过光合酶利用自然光合作用将水和二氧化碳（或硫化氢）转换，合成其自身需要的营养物质并释放氧气。3.3.2自然光合作用的主要方式（1）光合细菌的光合作用光合细菌通过以H2S（或有机酸、醇、糖类等有机物）为原始供氢体，在黑暗厌氧条件下经丙酮酸代谢系统作用下产生H2，同时还能在某些条件下固定空气的分子氮生氨。（2）绿色植物的光合作用绿色植物光合作用具体分为两个阶段：光反应和暗反应过程。第一个阶段叫光反应阶段，在光反应中，化学反应是在叶绿体内的类囊体上进行，光系统捕获光子后，在光合反应中心引起光化学反应，催化水裂解放出氧气，生成还原型辅酶（NADPH）和腺苷三磷酸（ATP）；第二个阶段叫暗反应阶段，在暗反应中，化学反应是在叶绿体内的基质中进行，一系列酶利用还原力转化二氧化碳合成生物质。（3）微藻类的光合作用微藻利用光合作将太阳能转化为各种形式的可再生能源。例如，微藻光合产氢：微藻利用光能通过PSII催化水氧化，放出氧气，产生质子和电子；蓝藻通过固氮酶（或绿藻通过可逆产氢酶）利用PSII产生的电子还原质子放岀氢气。3.3光能与生物质能转换3.3.3生物质光合作用制氢（1）直接光解法制氢技术原理微生物通过光合作用将水分子分解为氢离子和氧气，产生的氢离子通过氢化酶的转化为氢气。（2）间接光解法制氢技术原理光合作用形成碳水化合物后，在黑暗条件下通过植物细胞代谢产生氢气，代谢过程中产生的还原辅酶Ⅱ转移到质体醌池和光系统Ⅱ。有氧条件下电子传递链一直存在，氧气耗尽后细胞转为厌氧状态，通过诱导氢化酶将可用电子转移至光系统Ⅰ，产生氢。（3）光发酵制氢技术原理光发酵制氢技术利用厌氧光合微生物将有机底物转化产生氢气，其机理如图所示。3.3光能与生物质能转换（4）暗发酵制氢技术原理暗发酵制氢技术通过专性厌氧菌与兼性生物进行，在特定工况下富含碳水化合物的藻类进行反应后产生氢气，具体原理如所示。（5）光暗发酵耦合制氢技术原理耦合方式有两种：一种将暗发酵过程中产生的有机酸用于光发酵过程；二将暗发酵与光发酵过程在包含两种类型微生物群落的单个反应器中完成。光