太陽能轉換材料

太陽能轉換材料是指可以將太陽能可轉化為熱能、電能、氫能、生物質能、機械能等的不同類型的材料。

原則上太陽能可以直接或間接轉換成任何形式的能量，但轉換次數越多，最終太陽能的利用效率就越低。

基本介紹

• 中文名：太陽能轉換材料
• 外文名：Solar energy conversion materials
• 分類：熱能、電能
• 用途：集熱器等
• 特點：轉換次數越多、效率越低
• 學科：新能源利用

綜述

太陽能是一種輻射能，具有即時性，必須及時轉換成其他形式的能量才能利用和存儲。將太陽能轉換成不同形式的能量需要不同形式的能量轉換器。

集熱器通過吸收面可將太陽能轉換成熱能。利用光伏效應太陽電池可以將太陽能轉換為電能。通過光合作用植物可以將太陽能轉換成生物質能還有轉換成氫能和各種機械能等等。

原則上太陽能可以直接或間接轉換成任何形式的能量，但轉換次數越多，最終太陽能的利用效率就越低。

熱能轉換材料

綜述

太陽能光熱套用無疑是人類利用太陽能最簡單、最直接的有效途徑。然而由於太陽光到達地球後能量密度較小而又不連續，給大規模開發利用帶來困難。這就要求人們想辦法儘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套用技術中，選擇性吸收塗層技術是其中的核心技術，對於提高太陽能的熱轉換效率，大規模推廣太陽能光熱套用起著至關重要的作用。

組成材料

首先它必須是一種複合材料，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，在於吸收使物質粒子發生由低能級(一般為基態)向高能級(激發態)的躍遷。在太陽光譜區，波長在0.3～2．5μm的太陽輻射強度最大，因此對該光譜區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色體粒子的電子躍遷能級與可見光譜區的光子能量較為匹配，是製備太陽能選擇性塗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採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射率，達到減少自身輻射熱損的目的。

分類

選擇性吸收塗層有各種不同的分類方法。通常可按吸收原理和塗層構造不同進行分類，如本徵半導體型、干涉型、漸變型等。為了介紹方便，本文按塗層技術發展過程中製備方法的不同進行分類，大致如下：

(1)塗料塗層：由粘結劑和金屬氧化物顆粒組成，製備方法一般採用塗刷和噴塗的方法。

(2)電化學塗層：包括電鍍法和陽極氧化法。

電鍍法：常用的電鍍塗層主要有黑鎳塗層、黑鉻塗層、黑鈷塗層等，均具有良好的光學性能。

陽極氧化法：常用的電化學塗層有鋁陽極氧化塗層和鋼的陽極氧化塗層等。

(3)真空鍍膜塗層利用真空蒸發和磁控濺射技術製取，如磁控濺射得到的AIN塗層和NiCrO塗層，以及電子束蒸發的TiNO 等新型材料。

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，必須採用一定的技術和裝置（如集熱器）對太陽能進行採集。

太陽能集熱器是吸收太陽輻射能並向物質（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劣起著決定性的作用。

目前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世紀後期發明的，但直到1960年以後才真正進行深入研究和規模化套用。在太陽能低溫利用領域，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後找到的高效經濟的複合材料，價格適中，材料易購，易於成型。

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。“這是通過對“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，質量穩定可靠，免維護，15年壽命。

2、電鍍黑鉻，電泳漆鋁合金框線，性能好且外形美觀。規格：1×2平方米，無雲晴天產60℃熱水量：80－140kg/平方米。高吸收率：≥95%，低發射率：≤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。

電能轉換材料

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。

國外技術研究趨於成熟並初具產業化的是“光伏-建築（照明）一體化”技術，而國內主要研究生產適用於無電地區家庭照明用的小型太陽能發電系統。其轉換途徑很多，有光電直接轉換，光熱電間接轉換等。

無機半導體

一、矽材料

1、非晶矽(a-Si)

非晶矽用作薄膜太陽能電池起始於 20 世紀 70年代。 1976 年,卡爾松等[7] 利用非晶矽製備了薄膜太陽能電池,其小面積樣品轉換效率為 2. 4% 。 隨後,非晶矽薄膜太陽能電池得到了迅速發展。非晶矽薄膜太陽能電池通常為 P-I -N 偶及型式,如圖所示,P 層和 N 層主要作為建立內部電場,I 層則由非晶矽構成。

非晶矽用作薄膜太陽能電池光電轉換材料具有以下優點:

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

(2) 相對於單晶矽,非晶矽薄膜太陽能電池製造工藝簡單,能耗少;

(3)可實現大面積、連續化生產;

(4)可做成疊層結構,提高效率。 非晶矽薄膜材料的製備早期主要採用矽烷氣體的輝光放電分解、濺射、光-化學氣相沉積等方法。 目前,為了提高沉積速度,採用超高頻法、等離子增強 CVD 法、微波法和微波電子迴旋共振 CVD 法等。

2、多晶矽(poly-Si)

為解決非晶矽薄膜太陽能電池的不足,人們採用多晶矽薄膜代替 a-SiGe 作為底部電池的材料提高矽基薄膜太陽能電池的性能。右圖 是具有多層結構的多晶矽薄膜太陽能電池的結構示意圖。

多晶矽用作薄膜太陽能電池光電轉換材料具有以下優點:

(1)在長波段具有高光敏性,對可見光能有效吸收,又具有與晶體矽一樣的光照穩定性,是公認的高效、低耗的光伏器件材料;

(2)無光致衰退效應,效率比非晶矽要高,而成本遠低於單晶矽電池。

多晶矽薄膜的製備方法很多,按成膜過程可分為兩類 :

一類是先製備非晶態材料,再固相晶化為多晶矽,即固相晶化法,它是利用矽烷等原料氣體,在PECVD 設備中沉積 a-Si 薄膜,再通過熱處理將 a-Si薄膜轉化為多晶矽薄膜;

另一類是直接在襯底上沉積多晶矽薄膜,包括電漿增強法、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於太陽能電池始於20 世紀 70 年代,在單晶 CdTe 上蒸發 CdS 薄膜所製備的電池 轉換效率達 到10% 。 其後, Yamayushi等在 CdTe 單晶上外延沉積 CdS,得到效率 12% 的太陽能電池。

CdTe 屬於 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,屬於直接躍遷型,對可見光的吸收係數大於 10⁵/cm,厚度 1 滋m的薄膜足以吸收大於 CdTe 禁帶能量的輻射能量的99% ;

(2)在 500益 時為穩定的固相,高溫下生成的CdTe 略富 Te,Cd 空位使其成為本徵 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 均可作為製備 CdTe 薄膜的原料,高純度CdTe 薄膜比較容易製備;

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

CdTe 多晶薄膜的製備方法有多種。 其中,電沉積、噴塗熱分解、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。右圖 是 CIGS 薄膜太陽能電池的結構示意圖。

CIGS 作為光電轉換材料製備薄膜太陽能電池具有顯著優點:

(1)通過變化 Ga 的含量,可使半導體的禁頻寬度在 1. 04-1. 65 eV 變化,適合於調整和最佳化禁頻寬度;

(2) CIGS 的光吸收係數達到 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定性。

有機材料

自 1977 年導電聚乙炔( PA) 被發現以來,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的導電聚合物為人類提供了新的製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,並選用 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% ,不同於傳統的半導體光伏發電原理,它是藉助於染料作為吸光材料,染料中的價電子受光激發躍遷到高能態,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。右圖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)在可見光區有較強的、儘可能寬的吸收帶;

(3)染料的氧化態和激發態的穩定性高,且具有儘可能高的可逆轉換能力;

(4) 激發態壽命足夠長,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態電子注入到 TiO₂導帶中;

(6)敏化染料分子應含有達 仔 鍵、高度共軛、並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。 目前所使用的納米 TiO₂粒徑多在 100 nm 以下。

常用的製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塗法等。

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。

太陽能電池發電是根據愛因斯坦的光電效應而運用於日常生活。光電效應是指金屬表面在光輻射作用下發射電子的效應，可以引起物質的電性質發生變化。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，光能將矽原子中的電子激發出來，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線起來，即形成一個迴路。

生產步驟

矽料—矽碇—切割—矽片—多晶矽晶片—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：

單晶矽電池24%（4cm²），

多晶矽電池18.6% （4cm²），

InGap/GaAs雙結電池30.28%（AM1），

非晶矽電池14.5%（初始），12.8%（穩定），

碲化鎘電池15.8%，矽帶電池14.6%，

二氧化鈦有機納米電池10.96%。