能質轉換簡介

眾所周知愛因斯坦提出了質量轉化為能量質能方程，那么能量也可以在一定條件下轉化為質量。我相信有一天可以實現，而且可能有極其重要的意義。2100433B

波能轉換裝置，將波浪能收集起來并轉換成電能或其他形式能量的裝置。按設置地點，分岸式、漂浮式；按其能量中間轉換形式，分直接機械傳動、低壓水力傳動、高壓液壓傳動、氣動傳動。由于波能能量密度低，不穩(wěn)定，該裝置一般要配置集能、增速、蓄能等環(huán)節(jié)，對抗海水腐蝕、抗風暴能力、貯能能力和能量轉換率方面要求較高。

太陽能轉換材料綜述

電能是一種高品位能量，利用、傳輸和分配都比較方便，也是現代生活中不可或缺的一種能量。將太陽能轉換為電能是大規(guī)模利用太陽能的重要技術基礎，世界各國都十分重視。

國外技術研究趨于成熟并初具產業(yè)化的是“光伏-建筑（照明）一體化”技術，而國內主要研究生產適用于無電地區(qū)家庭照明用的小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)。其轉換途徑很多，有光電直接轉換，光熱電間接轉換等。

太陽能轉換材料無機半導體

一、硅材料

1、非晶硅(a-Si)

非晶硅用作薄膜太陽能電池起始于 20 世紀 70年代。 1976 年,卡爾松等[7] 利用非晶硅制備了薄膜太陽能電池,其小面積樣品轉換效率為 2. 4% 。 隨后,非晶硅薄膜太陽能電池得到了迅速發(fā)展。非晶硅薄膜太陽能電池通常為 P-I -N 偶及型式,如圖1所示,P 層和 N 層主要作為建立內部電場,I 層則由非晶硅構成。

非晶硅用作薄膜太陽能電池光電轉換材料具有以下優(yōu)點:

(1)高光吸收能力,其吸光頻率范圍為 1. 1-1. 7 eV,因此,I 層厚度通常小于 0. 5 μm,相對其他材料(如 GaAs) 小得多;

(2) 相對于單晶硅,非晶硅薄膜太陽能電池制造工藝簡單,能耗少;

(3)可實現大面積、連續(xù)化生產;

(4)可做成疊層結構,提高效率。 非晶硅薄膜材料的制備早期主要采用硅烷氣體的輝光放電分解、濺射、光-化學氣相沉積等方法。 為了提高沉積速度,采用超高頻法、等離子增強 CVD 法、微波法和微波電子回旋共振 CVD 法等。

2、多晶硅(poly-Si)

為解決非晶硅薄膜太陽能電池的不足,人們采用多晶硅薄膜代替 a-SiGe 作為底部電池的材料提高硅基薄膜太陽能電池的性能。圖2是具有多層結構的多晶硅薄膜太陽能電池的結構示意圖。

多晶硅用作薄膜太陽能電池光電轉換材料具有以下優(yōu)點:

(1)在長波段具有高光敏性,對可見光能有效吸收,又具有與晶體硅一樣的光照穩(wěn)定性,是公認的高效、低耗的光伏器件材料;

(2)無光致衰退效應,效率比非晶硅要高,而成本遠低于單晶硅電池。

多晶硅薄膜的制備方法很多,按成膜過程可分為兩類 :

一類是先制備非晶態(tài)材料,再固相晶化為多晶硅,即固相晶化法,它是利用硅烷等原料氣體,在PECVD 設備中沉積 a-Si 薄膜,再通過熱處理將 a-Si薄膜轉化為多晶硅薄膜;

另一類是直接在襯底上沉積多晶硅薄膜,包括等離子體增強法、熱絲法和低氣壓法等。

二、多元化合物材料

1、碲化鎘(CdTe)

CdTe 作為光電轉換材料用于太陽能電池始于20 世紀 70 年代,在單晶 CdTe 上蒸發(fā) CdS 薄膜所制備的電池 轉換效率達 到10% 。 其后, Yamayushi等在 CdTe 單晶上外延沉積 CdS,得到效率 12% 的太陽能電池。

CdTe 屬于 II-VI 族化合物,具有以下特點:

(1)CdTe 帶隙為 1. 5 eV,與太陽光譜很匹配,屬于直接躍遷型,對可見光的吸收系數大于 10⁵/cm,厚度 1 滋m的薄膜足以吸收大于 CdTe 禁帶能量的輻射能量的99% ;

(2)在 500益 時為穩(wěn)定的固相,高溫下生成的CdTe 略富 Te,Cd 空位使其成為本征 P 型,作為吸收層,光生載流子正好是遷移率較高的電子;

(3) CdTe或 Cd 和 Te 均可作為制備 CdTe 薄膜的原料,高純度CdTe 薄膜比較容易制備;

(4)CdTe 鍵離子性強,導熱性、化學穩(wěn)定性好,性能不易退化。 CdTe 薄膜太陽能電池的結構如圖3所示。

CdTe 多晶薄膜的制備方法有多種。 其中,電沉積、噴涂熱分解、濺射等三種方法比較成功。

2、銅銦鎵硒(CIGS)

自 1974 年 Bell 實驗室開發(fā)出單晶 CuInSe₂以來,CuInSe₂ 材料引起了光伏界的關注。 CuIn_1-x Gax Se₂(CIGS)是一種 I-III-VI 族三元化合物半導體材料,具有黃銅礦相結構,是 CuInSe₂ 和 CuGaSe₂ 的混晶半導體。圖4是 CIGS 薄膜太陽能電池的結構示意圖。

CIGS 作為光電轉換材料制備薄膜太陽能電池具有顯著優(yōu)點:

(1)通過變化 Ga 的含量,可使半導體的禁帶寬度在 1. 04-1. 65 eV 變化,適合于調整和優(yōu)化禁帶寬度;

(2) CIGS 的光吸收系數達到 105/cm,是一種直接帶隙的半導體材料,最適合薄膜化;

(3)CIGS 可在玻璃基板上形成缺陷少、晶粒大的高品質結晶;

(4)轉換效率高,薄膜太陽能電池轉換效率的世界紀錄始終由 CIGS 保持;

(5) 電池的壽命長。CIGS 沒有光致衰退效應,且在外太空具有良好的抗幅射損傷能力和極高的穩(wěn)定性。

太陽能轉換材料有機材料

自 1977 年導電聚乙炔( PA) 被發(fā)現以來,有機太陽能電池受到了科學家極大關注。

以聚乙炔薄膜為電池材料的研究十分活躍,尤其是近年來研究開發(fā)的導電聚合物為人類提供了新的制備廉價太陽能電池的材料,使人們看到了新的希望。 有機太陽能電池材料主要是含有大共軛結構的有機小分子苝類、有機染料分子及含有染料分子的聚合物、過渡金屬配合物等。 從材料角度考慮,包括有機材料、有機染料/ 無機材料、有機染料/ 有機染料、有機染料/ 聚合物材料等多種。 其中,以有機染料/ 無機材料雜化的研究最為深入和卓有成效。

1991 年,瑞士 Gratzel 教授以納米多孔 TiO₂為半導體電極,以 Ru 絡合物作敏化染料,并選用 I2/ I3氧化還原電解質,制出了一種新型薄膜太陽電池,其光電轉換效率為 7. 1% ,不同于傳統(tǒng)的半導體光伏發(fā)電原理,它是借助于染料作為吸光材料,染料中的價電子受光激發(fā)躍遷到高能態(tài),進而傳導到納米多孔TiO₂ 半導體電極上,經由電路引至外部。 失去電子的染料則經由電池中的電解質獲得電子。圖5是染料敏化太陽能電池的結構組成。

敏化染料直接影響到電池對光子的吸收和轉換效率,要求具備以下條件 :

(1)與 TiO₂納米晶半導體電極表面具有良好的結合性能,能夠快速達到吸附平衡,而且不易脫落;

(2)在可見光區(qū)有較強的、盡可能寬的吸收帶;

(3)染料的氧化態(tài)和激發(fā)態(tài)的穩(wěn)定性高,且具有盡可能高的可逆轉換能力;

(4) 激發(fā)態(tài)壽命足夠長,且具有很高的電荷傳輸效率;

(5) 有適當的氧化還原電勢以保證染料激發(fā)態(tài)電子注入到 TiO₂導帶中;

(6)敏化染料分子應含有達 仔 鍵、高度共軛、并且具有強的給電子基團。

納米 TiO2薄膜電極的微觀結構對電池的光電轉換效率有較大的影響。 所使用的納米 TiO₂粒徑多在 100 nm 以下。

常用的制備方法有溶膠凝膠法、水熱反應法、濺射法、醇鹽水解法、模板組裝法和等離子噴涂法等。

太陽能轉換材料設備

太陽電池

太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉換成電能的裝置。只要被光照到，太陽能板瞬間就可輸出電壓及電流。

太陽能電池發(fā)電是根據愛因斯坦的光電效應而運用于日常生活。光電效應是指金屬表面在光輻射作用下發(fā)射電子的效應，可以引起物質的電性質發(fā)生變化。愛因斯坦光電效應方程：

原理

太陽能電池是一種可以將能量轉換的光電元件，其基本構造是運用P型與N型半導體接合而成的。當太陽光照射時，光能將硅原子中的電子激發(fā)出來，而產生光電子和空穴的對流，分別被N型及P型半導體吸引，而聚集在兩端。此時外部如果用電極連接起來，即形成一個回路。

生產步驟

硅料—硅碇—切割—硅片—多晶硅芯片—太陽能電池板

太陽能電池轉換效率

世界上太陽電池的實驗室效率最高水平為：

單晶硅電池24%（4cm²），

多晶硅電池18.6% （4cm²），

InGap/GaAs雙結電池30.28%（AM1），

非晶硅電池14.5%（初始），12.8%（穩(wěn)定），

碲化鎘電池15.8%，硅帶電池14.6%，

二氧化鈦有機納米電池10.96%。

太陽能轉換材料綜述

太陽能光熱應用無疑是人類利用太陽能最簡單、最直接的有效途徑。然而由于太陽光到達地球后能量密度較小而又不連續(xù)，給大規(guī)模開發(fā)利用帶來困難。這就要求人們想辦法盡量把低品位的太陽能轉換成高品位的熱能，對太陽能起到富集作用，以便最大限度地加以利用。在一系列眾所周知的光熱應用技術中，選擇性吸收涂層技術是其中的核心技術，對于提高太陽能的熱轉換效率，大規(guī)模推廣太陽能光熱應用起著至關重要的作用。

太陽能轉換材料組成材料

首先它必須是一種復合材料，即由太陽光輻射的吸收和紅外光譜的反射兩部分材料組成。輻射的吸收是指輻射通過物質時，其中某些頻率的輻射被組成物質的粒子(原子、離子或分子等)選擇性地吸收，從而使輻射強度減弱的現象。其吸收的實質，在于吸收使物質粒子發(fā)生由低能級(一般為基態(tài))向高能級(激發(fā)態(tài))的躍遷。在太陽光譜區(qū)，波長在0.3～2．5μm的太陽輻射強度最大，因此對該光譜區(qū)的光量子吸收是關鍵。所以材質中只有存在與波長0.3～2.5μm光子的能量相對應的能級躍遷，才具有好的選擇吸收性。

一般來說，金屬、金屬氧化物、金屬硫化物和半導體等發(fā)色體粒子的電子躍遷能級與可見光譜區(qū)的光子能量較為匹配，是制備太陽能選擇性涂層吸收層的主要材料，如黑鉻(CrxO )、黑鎳(NiS-ZnS)、氧化銅黑(CuO )和氧化鐵(FeO )等。而作為吸收材料基材的紅外反射層一般采用紅外反射率較高的材料，如銅、鋁等金屬，以獲得較低的紅外發(fā)射率，達到減少自身輻射熱損的目的。

太陽能轉換材料分類

選擇性吸收涂層有各種不同的分類方法。通?？砂次赵砗屯繉訕嬙觳煌M行分類，如本征半導體型、干涉型、漸變型等。為了介紹方便，本文按涂層技術發(fā)展過程中制備方法的不同進行分類，大致如下：

(1)涂料涂層：由粘結劑和金屬氧化物顆粒組成，制備方法一般采用涂刷和噴涂的方法。

(2)電化學涂層：包括電鍍法和陽極氧化法。

電鍍法：常用的電鍍涂層主要有黑鎳涂層、黑鉻涂層、黑鈷涂層等，均具有良好的光學性能。

陽極氧化法：常用的電化學涂層有鋁陽極氧化涂層和鋼的陽極氧化涂層等。

(3)真空鍍膜涂層利用真空蒸發(fā)和磁控濺射技術制取，如磁控濺射得到的AIN涂層和NiCrO涂層，以及電子束蒸發(fā)的TiNO 等新型材料。

太陽能轉換材料設備

太陽輻射的能流密度低，在利用太陽能時為了獲得足夠的能量，或者足夠的熱量達到一定溫度，必須采用一定的技術和裝置（如集熱器）對太陽能進行采集。

太陽能集熱器是吸收太陽輻射能并向物質（水或空氣）傳遞熱量的裝置，是太陽能熱水器最主要的組成部分，其性能與成本對太陽能熱水器的優(yōu)劣起著決定性的作用。

太陽能集熱器主要有平板型集熱器、真空管集熱器、聚光集熱器三種。

1、平板型集熱器

平板集熱器是17世紀后期發(fā)明的，但直到1960年以后才真正進行深入研究和規(guī)?；瘧谩Ｔ谔柲艿蜏乩妙I域，平板集熱器的技術經濟性遠比聚光集熱器要好。

2、真空管集熱器

真空集熱器大體可分為：全玻璃真空集熱管，玻璃-U型管真空集熱管，玻璃-金屬熱管真空集熱管，直通式真空集熱管和儲熱式真空集熱管。

3、聚光集熱器

聚光集熱器主要由聚光器，吸收器和跟蹤系統(tǒng)三大部分組成。

這種集熱器，可以隨著太陽光線的移動而移動。聚光板的材料是從現有的光學樹脂中進行重整后找到的高效經濟的復合材料，價格適中，材料易購，易于成型。

最關鍵的是，聚光板可將平行光聚集到一條線上，使得集熱板芯能吸收到更多的太陽能?！斑@是通過對“菲涅爾線焦透鏡”的特殊處理，將太陽能的溫度提高數十倍?！?

優(yōu)點

1、聚光型平板太陽能集熱器是金屬管板式結構，產熱水量大，可承壓，耐空曬，水在金屬管內加熱，質量穩(wěn)定可靠，免維護，15年壽命。

2、電鍍黑鉻，電泳漆鋁合金邊框，性能好且外形美觀。規(guī)格：1×2平方米，無云晴天產60℃熱水量：80－140kg/平方米。高吸收率：≥95%，低發(fā)射率：≤8%，日平均熱效率≥64%。

3、性價比更高。與普通平板相比內部多設計一個聚光槽來吸收熱量，熱吸收率是普通平板的1.5倍。