[科普中国]-太阳能转换材料

简介

太阳能是一种辐射能，具有即时性，必须及时转换成其他形式的能量才能利用和存储。将太阳能转换成不同形式的能量需要不同形式的能量转换器。

集热器通过吸收面可将太阳能转换成热能。利用光伏效应太阳电池可以将太阳能转换为电能。通过光合作用植物可以将太阳能转换成生物质能还有转换成氢能和各种机械能等等。

原则上太阳能可以直接或间接转换成任何形式的能量，但转换次数越多，最终太阳能的利用效率就越低。

太阳能-热能转换材料介绍太阳能光热应用无疑是人类利用太阳能最简单、最直接的有效途径。然而由于太阳光到达地球后能量密度较小而又不连续，给大规模开发利用带来困难。这就要求人们想办法尽量把低品位的太阳能转换成高品位的热能，对太阳能起到富集作用，以便最大限度地加以利用。在一系列众所周知的光热应用技术中，选择性吸收涂层技术是其中的核心技术，对于提高太阳能的热转换效率，大规模推广太阳能光热应用起着至关重要的作用。

组成材料首先它必须是一种复合材料，即由太阳光辐射的吸收和红外光谱的反射两部分材料组成。辐射的吸收是指辐射通过物质时，其中某些频率的辐射被组成物质的粒子(原子、离子或分子等)选择性地吸收，从而使辐射强度减弱的现象。其吸收的实质，在于吸收使物质粒子发生由低能级(一般为基态)向高能级(激发态)的跃迁。在太阳光谱区，波长在0.3～2．5μm的太阳辐射强度最大，因此对该光谱区的光量子吸收是关键。所以材质中只有存在与波长0.3～2.5μm光子的能量相对应的能级跃迁，才具有好的选择吸收性。

一般来说，金属、金属氧化物、金属硫化物和半导体等发色体粒子的电子跃迁能级与可见光谱区的光子能量较为匹配，是制备太阳能选择性涂层吸收层的主要材料，如黑铬(CrxO )、黑镍(NiS-ZnS)、氧化铜黑(CuO )和氧化铁(FeO )等。而作为吸收材料基材的红外反射层一般采用红外反射率较高的材料，如铜、铝等金属，以获得较低的红外发射率，达到减少自身辐射热损的目的。

分类选择性吸收涂层有各种不同的分类方法。通常可按吸收原理和涂层构造不同进行分类，如本征半导体型、干涉型、渐变型等。为了介绍方便，本文按涂层技术发展过程中制备方法的不同进行分类，大致如下：

(1)涂料涂层：由粘结剂和金属氧化物颗粒组成，制备方法一般采用涂刷和喷涂的方法。

(2)电化学涂层：包括电镀法和阳极氧化法。

电镀法：常用的电镀涂层主要有黑镍涂层、黑铬涂层、黑钴涂层等，均具有良好的光学性能。

阳极氧化法：常用的电化学涂层有铝阳极氧化涂层和钢的阳极氧化涂层等。

(3)真空镀膜涂层利用真空蒸发和磁控溅射技术制取，如磁控溅射得到的AIN涂层和NiCrO涂层，以及电子束蒸发的TiNO 等新型材料。1

设备太阳辐射的能流密度低，在利用太阳能时为了获得足够的能量，或者足够的热量达到一定温度，必须采用一定的技术和装置（如集热器）对太阳能进行采集。

太阳能集热器是吸收太阳辐射能并向物质（水或空气）传递热量的装置，是太阳能热水器最主要的组成部分，其性能与成本对太阳能热水器的优劣起着决定性的作用。

目前太阳能集热器主要有平板型集热器、真空管集热器、聚光集热器三种。

1、平板型集热器

平板集热器是17世纪后期发明的，但直到1960年以后才真正进行深入研究和规模化应用。在太阳能低温利用领域，平板集热器的技术经济性远比聚光集热器要好。

2、真空管集热器

真空集热器大体可分为：全玻璃真空集热管，玻璃-U型管真空集热管，玻璃-金属热管真空集热管，直通式真空集热管和储热式真空集热管。

3、聚光集热器

聚光集热器主要由聚光器，吸收器和跟踪系统三大部分组成。

这种集热器，可以随着太阳光线的移动而移动。聚光板的材料是从现有的光学树脂中进行重整后找到的高效经济的复合材料，价格适中，材料易购，易于成型。

最关键的是，聚光板可将平行光聚集到一条线上，使得集热板芯能吸收到更多的太阳能。“这是通过对“菲涅尔线焦透镜”的特殊处理，将太阳能的温度提高数十倍。”

优点

1、聚光型平板太阳能集热器是金属管板式结构，产热水量大，可承压，耐空晒，水在金属管内加热，质量稳定可靠，免维护，15年寿命。

2、电镀黑铬，电泳漆铝合金边框，性能好且外形美观。规格：1×2平方米，无云晴天产60℃热水量：80－140kg/平方米。高吸收率：≥95%，低发射率：≤8%，日平均热效率≥64%。

3、性价比更高。与普通平板相比内部多设计一个聚光槽来吸收热量，热吸收率是普通平板的1.5倍。2

太阳能-电能转换材料电能是一种高品位能量，利用、传输和分配都比较方便，也是现代生活中不可或缺的一种能量。将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的重要技术基础，世界各国都十分重视。

国外技术研究趋于成熟并初具产业化的是“光伏-建筑（照明）一体化”技术，而国内主要研究生产适用于无电地区家庭照明用的小型太阳能发电系统。其转换途径很多，有光电直接转换，光热电间接转换等。

无机半导体材料一、硅材料

1、非晶硅(a-Si)

非晶硅用作薄膜太阳能电池起始于 20 世纪 70年代。 1976 年,卡尔松等[7] 利用非晶硅制备了薄膜太阳能电池,其小面积样品转换效率为 2. 4% 。 随后,非晶硅薄膜太阳能电池得到了迅速发展。非晶硅薄膜太阳能电池通常为 P-I -N 偶及型式,如图所示,P 层和 N 层主要作为建立内部电场,I 层则由非晶硅构成。

非晶硅用作薄膜太阳能电池光电转换材料具有以下优点:

(1)高光吸收能力,其吸光频率范围为 1. 1-1. 7 eV,因此,I 层厚度通常小于 0. 5 μm,相对其他材料(如 GaAs) 小得多;

(2) 相对于单晶硅,非晶硅薄膜太阳能电池制造工艺简单,能耗少;

(3)可实现大面积、连续化生产;

(4)可做成叠层结构,提高效率。 非晶硅薄膜材料的制备早期主要采用硅烷气体的辉光放电分解、溅射、光-化学气相沉积等方法。 目前,为了提高沉积速度,采用超高频法、等离子增强 CVD 法、微波法和微波电子回旋共振 CVD 法等。

2、多晶硅(poly-Si)

为解决非晶硅薄膜太阳能电池的不足,人们采用多晶硅薄膜代替 a-SiGe 作为底部电池的材料提高硅基薄膜太阳能电池的性能。右图 是具有多层结构的多晶硅薄膜太阳能电池的结构示意图。

多晶硅用作薄膜太阳能电池光电转换材料具有以下优点:

(1)在长波段具有高光敏性,对可见光能有效吸收,又具有与晶体硅一样的光照稳定性,是公认的高效、低耗的光伏器件材料;

(2)无光致衰退效应,效率比非晶硅要高,而成本远低于单晶硅电池。

多晶硅薄膜的制备方法很多,按成膜过程可分为两类 :

一类是先制备非晶态材料,再固相晶化为多晶硅,即固相晶化法,它是利用硅烷等原料气体,在PECVD 设备中沉积 a-Si 薄膜,再通过热处理将 a-Si薄膜转化为多晶硅薄膜;

另一类是直接在衬底上沉积多晶硅薄膜,包括等离子体增强法、热丝法和低气压法等。

二、多元化合物材料

1、碲化镉(CdTe)

CdTe 作为光电转换材料用于太阳能电池始于20 世纪 70 年代,在单晶 CdTe 上蒸发 CdS 薄膜所制备的电池 转换效率达 到10% 。 其后, Yamayushi等在 CdTe 单晶上外延沉积 CdS,得到效率 12% 的太阳能电池。

CdTe 属于 II-VI 族化合物,具有以下特点:

(1)CdTe 带隙为 1. 5 eV,与太阳光谱很匹配,属于直接跃迁型,对可见光的吸收系数大于 105/cm,厚度 1 滋m的薄膜足以吸收大于 CdTe 禁带能量的辐射能量的99% ;

(2)在 500益 时为稳定的固相,高温下生成的CdTe 略富 Te,Cd 空位使其成为本征 P 型,作为吸收层,光生载流子正好是迁移率较高的电子;

(3) CdTe或 Cd 和 Te 均可作为制备 CdTe 薄膜的原料,高纯度CdTe 薄膜比较容易制备;

(4)CdTe 键离子性强,导热性、化学稳定性好,性能不易退化。 CdTe 薄膜太阳能电池的结构如图所示。

CdTe 多晶薄膜的制备方法有多种。 其中,电沉积、喷涂热分解、溅射等三种方法比较成功。

2、铜铟镓硒(CIGS)

自 1974 年 Bell 实验室开发出单晶 CuInSe2以来,CuInSe2 材料引起了光伏界的关注。 CuIn1-x Gax Se2(CIGS)是一种 I-III-VI 族三元化合物半导体材料,具有黄铜矿相结构,是 CuInSe2 和 CuGaSe2 的混晶半导体。右图 是 CIGS 薄膜太阳能电池的结构示意图。

CIGS 作为光电转换材料制备薄膜太阳能电池具有显著优点:

(1)通过变化 Ga 的含量,可使半导体的禁带宽度在 1. 04-1. 65 eV 变化,适合于调整和优化禁带宽度;

(2) CIGS 的光吸收系数达到 105/cm,是一种直接带隙的半导体材料,最适合薄膜化;

(3)CIGS 可在玻璃基板上形成缺陷少、晶粒大的高品质结晶;

(4)转换效率高,薄膜太阳能电池转换效率的世界纪录始终由 CIGS 保持;

(5) 电池的寿命长。CIGS 没有光致衰退效应,且在外太空具有良好的抗幅射损伤能力和极高的稳定性。

有机材料自 1977 年导电聚乙炔( PA) 被发现以来,有机太阳能电池受到了科学家极大关注。

以聚乙炔薄膜为电池材料的研究十分活跃,尤其是近年来研究开发的导电聚合物为人类提供了新的制备廉价太阳能电池的材料,使人们看到了新的希望。 有机太阳能电池材料主要是含有大共轭结构的有机小分子苝类、有机染料分子及含有染料分子的聚合物、过渡金属配合物等。 从材料角度考虑,包括有机材料、有机染料/ 无机材料、有机染料/ 有机染料、有机染料/ 聚合物材料等多种。 其中,以有机染料/ 无机材料杂化的研究最为深入和卓有成效。

1991 年,瑞士 Gratzel 教授以纳米多孔 TiO2为半导体电极,以 Ru 络合物作敏化染料,并选用 I2/ I3氧化还原电解质,制出了一种新型薄膜太阳电池,其光电转换效率为 7. 1% ,不同于传统的半导体光伏发电原理,它是借助于染料作为吸光材料,染料中的价电子受光激发跃迁到高能态,进而传导到纳米多孔TiO2 半导体电极上,经由电路引至外部。 失去电子的染料则经由电池中的电解质获得电子。右图是染料敏化太阳能电池的结构组成。

敏化染料直接影响到电池对光子的吸收和转换效率,要求具备以下条件 :

(1)与 TiO2纳米晶半导体电极表面具有良好的结合性能,能够快速达到吸附平衡,而且不易脱落;

(2)在可见光区有较强的、尽可能宽的吸收带;

(3)染料的氧化态和激发态的稳定性高,且具有尽可能高的可逆转换能力;

(4) 激发态寿命足够长,且具有很高的电荷传输效率;

(5) 有适当的氧化还原电势以保证染料激发态电子注入到 TiO2导带中;

(6)敏化染料分子应含有达 仔 键、高度共轭、并且具有强的给电子基团。

纳米 TiO2薄膜电极的微观结构对电池的光电转换效率有较大的影响。 目前所使用的纳米 TiO2粒径多在 100 nm 以下。

常用的制备方法有溶胶凝胶法、水热反应法、溅射法、醇盐水解法、模板组装法和等离子喷涂法等。3

设备太阳电池

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转换成电能的装置。只要被光照到，太阳能板瞬间就可输出电压及电流。

太阳能电池发电是根据爱因斯坦的光电效应而运用于日常生活。光电效应是指金属表面在光辐射作用下发射电子的效应，可以引起物质的电性质发生变化。爱因斯坦光电效应方程：

原理

太阳能电池是一种可以将能量转换的光电元件，其基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的。当太阳光照射时，光能将硅原子中的电子激发出来，而产生光电子和空穴的对流，分别被N型及P型半导体吸引，而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来，即形成一个回路。

生产步骤

硅料—硅碇—切割—硅片—多晶硅芯片—太阳能电池板

太阳能电池转换效率

世界上太阳电池的实验室效率最高水平为：

单晶硅电池24%（4cm2），

多晶硅电池18.6% （4cm2），

InGap/GaAs双结电池30.28%（AM1），

非晶硅电池14.5%（初始），12.8%（稳定），

碲化镉电池15.8%，硅带电池14.6%，

二氧化钛有机纳米电池10.96%。4