第5讲能源材料(1课时)

能源材料新能源材料是指能实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。新能源材料是发展新能源的核心和物质基础。太阳能利用涉及的技术问题很多，但根据太阳能的特点，具有共性的技术主要有四项，即太阳能采集、太阳能转换、太阳能贮存和太阳能传输，将这些技术与其它相关技术结合在一起，便能进行太阳能的实际利用---光热利用、光电利用和光化学利用。一、太阳能的热应用太阳能的热利用，是将太阳的辐射能转换为热能，实现这个目的的器件叫“集热器”。例如“太阳灶”；“太阳热水器”；“太阳能干燥器”等等。太阳能热利用是可再生能源技术领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技术之一。1998年世界太阳能热水器的总保有量约5400万平方米。按照人均使用太阳能热水器面积，塞浦路斯和以色列居世界一、二位，分别为1平方米／人和0.7平方米／人。日本有20％的家庭使用太阳能热水器，以色列有80％的家庭使用太阳能热水器。太阳能的热利用主要是以下方面：1．太阳能空调降温太阳能制冷及在空调降温研究工作重点是寻找高效吸收和蒸发材料，优化系统热特性，建立数学模型和计算机程序，研究新型制冷循环等。2．太阳能热发电太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电，是太阳能热利用的重要方面。3．太阳房太阳房是直接利用太阳辐射能的重要方面。通过建筑设计把高效隔热材料、透光材料、储能材料等有机地集成在一起，使房屋尽可能多地吸收并保存太阳能，达到房屋采暖目的。太阳房可以节约75％～90％的能耗，并具有良好的环境效益和经济效益，成为各国太阳能利用技术的重要方面。被动式太阳房平均每平方米建筑面积每年可节约20～40公斤标准煤，用于蔬菜和花卉种植的太阳能温室在中国北方地区较多采用。全国太阳能温室面积总计约700万亩，发挥着较好的经济效益。我国在相关的透光隔热材料、带涂层的控光玻璃、节能窗等没有商业化，使太阳房的水平受到限制。4．热利用的其它方面太阳灶我国目前大约有15万台太阳灶在使用中。太阳灶表面可以加涂一层光谱选择性材料，如二氧化硅之类的透明涂料，以改变阳光的吸收与发射，最普通的反光镜为镀银或镀铝玻璃镜，也有铝抛光镜面和涤纶薄膜镀铝材料等。提高太阳灶的效率。每个太阳灶每年可节约300千克标准煤。太阳能干燥是热利用的一个方面。目前我国已经安装了有1000多套太阳能干燥系统，总面积约2万平方米。主要用于谷物、木材、蔬菜、中草药于燥等。二、太阳光-热转换及材料材料科学与工程是技术创新的基础。太阳光—热转换材料与工程，如用于太阳集热器的选择性吸收涂层（表面），用于建筑幕墙玻璃和交通工具的选择性透、反射薄膜材料和电致变色薄膜材料与器件，用于集热器的具有太阳光谱高透射比的硼硅玻璃，聚碳酸酯制成的蜂窝结构，以及贮能材料等，推动了太阳光—热转换技术和应用的发展。太阳辐射的能量谱主要分布在波长0．3μm至3μm范围；人眼视觉灵敏谱的波长在0；41μm至0．7μm范围，对人眼敏感的波长，几乎是在太阳辐射最强的波长间隔内；一般物体温度的黑体辐射谱的波长在2μm至100μm范围太阳光。热转换材料的光-热性能，即辐射特性如透射比、反射比、吸收比和发射比等反映在太阳光谱一物体热谱内。1.太阳光谱选择性吸收涂层（表面）具有高的太阳吸收比和低的发射比的涂层（表面），称为太阳（光谱）选择性吸收涂层。目前，它已有上百种涂层材料与工艺，而从机理上可以将其分为六类，实际的选择性吸收涂层往往包含其中二至三类。应用最广泛的选择性吸收涂层为三层结构，即由底层、中层和表层组成。贴近衬底的底层为红外高反射即低发射比的金属层，如金、银、铜、铝、镍或钥等；中层为吸收层，是由若干金属一介质复合薄膜的次层组成，金属粒子的尺寸、形状及其占该次层的体积比决定了该次层的光学常数，靠近金属底层的吸收次层具有强的吸收，表层为减反层，该层具有低的折射率n（n＜1.9＝及低的消光系数（k＜0.25），或是增加对太阳光的捕获的微不平表面层。这样的光谱选择性吸收涂层具有优异的光谱选择性，即高的太阳吸收比，低的发射。太阳选择性吸收涂层的制备技术可以分为三大类：喷涂与溶胶，化学与电化学方法和真空蒸发与磁控溅射方法。对于产生生活热水的平板太阳集热器，采用喷涂太阳吸收比高、发射比略高的涂层便能满足使用要求；铝吸热板上可采用阳极氧化与交流电解着色涂层，铜吸热板以采用电镀黑铬涂层为宜。对于全玻璃真空太阳集热管主流是采用磁控溅射技术，多层不锈钢将／铜（澳大利亚专利）采用单靶磁控溅射制备氮／铝（中国专利）涂层。真空蒸发或溅射技术制备用于平板太阳集热器的吸收涂层，另一方面应研制用于高温的太阳选择性吸收涂层，使其具有耐高温、很高太阳吸收比与极低发射比的优异性能。2.选择性透、反射薄膜材料选择性透、反射薄膜可以分为三种基本类型，主要应用于建筑幕墙镀膜玻璃、汽车等交通工具。（1）阳光控制膜阳光控制膜通过增加吸收与反射可显著降低太阳辐射通过玻璃窗，同时能保持室内的充足光线。这类膜系具有良好的耐磨性与化学稳定性，可用于单层玻璃窗，适合在气温较高的地区使用。氧化物薄膜的不同厚度可以获得蓝色、银色、古铜色和金色等绚丽色彩。不同厚度的金属膜可以获得不同的透射比与反射比。（2）低发射膜双层玻璃窗的热量损失由玻璃的高发射比（0.84）引起，具有发射比0.04一0.10的低发射膜的双层玻璃窗，其传热系数可由普通双层玻璃窗的2.6W／m’K降至1.4W／m’L可见光透射比可达0.80。典型的是SnO2／Ag／SnO，或TiO2／Ag／TiO2。3.电致变色薄膜与器件由于太阳辐射、温度或电场的作用使薄膜的光学性能发生变化，分别称为光致变色、热致变色或电致变色在电场作用下，薄膜颜色发生改变称为电致变色。这种变化是可逆与持久的，当开路时薄膜具有记忆性，需要改变光学性能时只要施加一次直流低电压，因而能量消耗很低。从过渡金属氧化物中可能找到最有希望的电致变色材料。变色机理是在电变色薄膜材料中进入与退出小直径离子的可逆过程。电致变色膜主要集中在WO与NiO。用于窗户，起到节能与获得舒适的生活。环境。4.透明隔热材料（TIM）采用厚5cm的聚碳酸酯透明隔热材料（TIM）建成一幢太阳房和一幢对照房。夏季，百叶帘反射了约0.80太阳短波能量，室内低于对照房内气温约3℃。冬季，比同样条件对照房的温度约高5℃。我国在太阳光、热转换材料的研究、开发和生产上有较大进展，特别是用于真空太阳集热管的单靶磁控溅射太阳选择性吸收涂层已大批量生产，在国际上也享有盛誉。三．太阳能光电转换太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，通常叫做“光生伏打效应”，太阳电池就是利用这种效应制成的。当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子—空穴对。这样，光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电能、如果半导体内存在P—n结，在n区与p区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和n型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流输出功率。90年代以来，在可持续发展战略的推动下，可再生能源技术进入了快速发展的阶段。建筑将成为光伏应用的最大市场。建筑光伏集成有许多优点：①具有高技术、无污和自供电的特点，能够强化建筑物的美感和建筑质量；②光伏部件是建筑物总构成的一部分，除了发电功能外，还是建筑物耐候的外部蒙皮，具有多功能和可持续发展的特征；③分布型的太阳辐射和分布型的建筑物互相匹配；④建筑物的外壳能为光伏系统提供足够的面积；⑤不需要额外的昂贵占地面积，省去了光伏系统的支撑结构，省去了输电费用；⑥在用电地点发电，避免传输和分电损失（5一10％），降低了电力传输和电力分配的投资和维修成本。建筑光伏集成系统既适用于居民住宅，也适用商业、工业和公共建筑，高速公路音障等，既可集成到屋顶，也可集成到外墙上；既可集成到新设计的建筑上，也可集成到现有的建筑上。光伏建筑集成近年来发展很快，许多国家相继制定了本国的光伏屋顶计划。建筑自身能耗占世界总能耗的1／3，是未来太阳能光伏发电的最大市场。光伏系统和建筑结合将根本改变太阳能光伏发电在世界能源中的从属地位，前景光明。太阳能电池以材料区分，太阳电池有晶硅电池，非晶硅薄膜电池，铜钢硒（CIS）电池，碲化镉（CdTe）电池，砷化稼电池等，而以晶硅电池为主导。由于硅是地球上储量第二大元素，作为半导体材料，人们对它研究得最多、技术最成熟，而且晶硅性能稳定、无毒，因此成为太阳电池研究开发、生产和应用中的主体材料。人们首先使用高纯硅制造太阳电池（即单晶硅太阳电池）。由于材料昂贵，这种太阳电池成本过高，初期多用于空间技术作为特殊电源，供人造卫星使用。七十年代开始，把硅太阳电池转向地面应用。采用废次单晶硅或较纯的冶金硅专门生产太阳能级硅材料，以及利用多晶硅生产硅太阳电池，均能大幅度降低造价。近年来，非晶硅太阳电池的研制迅速发展。1、单晶硅太阳电池单晶硅材料制造要经过如下过程：石英砂一冶金级硅一提纯和精炼一沉积多晶硅锭一单晶硅一硅片切割。硅主要以SiO2形式存在于石英和砂子中。它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成。该过程能量消耗很高，约为14kwh／kg，因此硅的生产通常在水电过剩的地方（挪威，加拿大等地）进行。这样被还原出来的硅的纯度约98％一99％，称为冶金级硅（MG一Si）。大部分冶金级硅用于制铁和制铝工业。目前全世界冶金级硅的产量约为50万吨／年。2．太阳级硅一种目前制造太阳级硅的主要方法是使用精炼的冶金级硅，采用电子束加热真空抽除法去除磷杂质，然后凝固，再采用等离子体氧化法去除硼及碳，再凝固。用此太阳级硅制成的常规工艺电池的最高效率可达到14％，高效工艺制的电池的最高效率可达到16％。此太阳级硅已进入每年生产60吨的中试阶段。基于同样原理可开发出另一种提纯方法，即在硫化床反应器中，用Si烷在很小的Si球表面上原位沉积出Si。此法沉积出的Si粉未颗粒只有十分之几毫米，可用作直拉单晶的投炉料或直接制造Si带。3、多晶硅太阳电池随着电池制备和封装工艺的不断改进，在硅太阳电池总成本中，硅材料所占比重已由原先的1/3上升到1/2。因此，生产厂家迫切希望在不降低光电转换效率的前提下，找到替代单晶硅的材料。目前，比较适用的材料就是多晶硅。因为熔铸多晶硅锭比提拉单晶硅锭的工艺简单，设备易做，操作方便，耗能较少，辅助材料消耗也不多，尤其是可以制备任意形状的多晶硅锭，便于大量生产大面积的硅片。同时，多晶硅太阳电池的电性能和机械性能都与单晶硅太阳电池基本相似，而生产成本却低于单晶硅太阳电池。多晶硅太阳电池的出现主要是为了降低成本，其优点是能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭，设备比较简单，制造过程简单、省电、节约硅材料，对材质要求也较低。晶体硅电池效率不断提高，技术不断改进，加上晶硅稳定，无毒，材料资源丰富，人们开始考虑开发多晶硅薄膜电池。多晶硅薄膜电池既具有晶硅电池的高效、稳定、无毒和资源丰富的优势，又具有薄膜电池工艺简单、节省材料、大幅度降低成本的优点，因此多晶硅薄膜电池的研究开发成为近几年的热点。另一方面，采用薄片硅技术，避开拉制单晶硅或浇铸多晶硅、切片的昂贵工艺和材料浪费的缺点，达到降低成本的目的。（1）多晶硅薄膜电池各种CVD（PECVD，RTCVD，CVD等）技术被用来生长多晶硅薄膜，在实验室内有些技术获得了重要的结果。德国Fraunhofer太阳能研究所使用SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨为衬底，用快速热化学气相沉积（RTCVD）技术沉积多晶硅薄膜，硅膜经过区熔再结晶（ZMR）后制备太阳电池，两种衬底的电池效率分别达到9．3％和11％。北京市太阳能研究所自1996年开始开展多晶硅薄膜电池的研究工作。该所采用RTCVD技术在重掺杂非活性硅衬底上制备多晶硅薄膜和电池，1cm2电池效率在AM1．5条件下达到13.6％，目前正在向非硅质衬底转移。并发展了多