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• 新能源包括
• 太阳能
• 生物质能 • 核能
太阳能
• 风能
• 地热
• 海洋能
• 氢能
潮汐能
核能 地热
风能
氢能
10
• 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 源技术所需的关键材料，主要包括：
• 硅半导体为代表的太阳能电池材料 • 储氢合金为代表的储氢材料 • 锂离子电池为代表的二次电池材料 • 质子交换膜电池为代表的燃料电池材料 • 铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料 • -------------
• 我国作为发展中大国，能源消耗巨大，能源利用率 不高，能源结构也不合理。
➢ 2009年，中国风力发电量达到了25.8亿瓦，超过了德国 的25.77亿瓦，仅次于美国35亿瓦；
➢ 2020年，中国将投入足以实现年发电量150亿瓦的风力 涡轮机，成为世界最大的风能生产国。
➢ 尽管在新能源领域有了大规模的增长，但风力发电量只 占据中国电力消耗总量的1% 。
• 用超轻碳纤维材料制成，总重1.6吨，由4台小型电 力发动机驱动，机翼配备1.2万个太阳能电池板，
翼展长度大约64米。
22
晶体硅太阳能电池
• 晶体硅太阳电池是以硅半导体材料制成的大面积pn 结，在p型硅片上制作很薄的掺杂n型层，在n型层上 制作金属栅线作为正面接触电极，在背面制作金属 膜作为背面接触电极。
➢ 分布广泛，不需要开采和运输； ➢ 不存在枯竭问题，可以长期利用； ➢ 安全卫生，对环境无污染等。
人造卫星上的太阳能电池
14
• 西班牙塞维利亚太阳能发 电站—欧洲最大的太阳能 电站，可供18万户使用， 每年减排60万吨CO2
15
•槽式太阳能
•蝶式太阳能
16
• 通过光电转化将太阳辐射能转化为电能加以利用是 太阳能利用中最活跃的研究领域。
太阳能电池
光伏效应示意图
18
•P型半导体
•N型半导体
19
• 全球最大规模的光伏太阳能发电 项目—鄂尔多斯市政府与美国 first solar公司共建2000兆瓦 太阳能光伏发电厂
20
• 世博中国馆、主题馆，世博中心、演艺中心等永久建 筑的屋顶和玻璃幕墙上安装总装机容量超过4.68兆瓦 的太阳能电池，每年能减排二氧化碳4000吨。
• 主题馆屋面太阳能板面积达3万多平方米，是目前世 界最大的单体面积太阳能屋面，年发电量280万度， 每年减排二氧化碳2800吨，节约标准煤1000多吨。
世博中国馆
世博主题馆
21
• 2011年5月，世界首架无污染太阳能飞机进行跨国 飞行(从瑞士飞抵布鲁塞尔需13小时)，飞行高度可 达8700米，平均飞行速度为70-120公里/小时。
非晶硅太阳能电池
24
化合物太阳能电池
• 化合物太阳电池所用材料包括 II-VI族化合物和III-V族化合物
。
• II-VI族化合物包括CdTe和CdS等
，制成的薄膜太阳电池转换效率 高原用的GdTe太阳电池
高、成本低、易于大规模生产。
• III-V族化合物包括GaAs和InP等
，可制成薄膜太阳电池，转换效
• 晶体硅太阳电池具有性能稳定、资源丰富、无毒性 等优点，是目前市场上的主导产品。
单晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池
23
非晶硅太阳电池
• 非晶硅太阳电池是以非晶硅为基体的薄膜太阳电池 ，电池效率已达到13％；世界总组件生产能力达到 每年50MW，应用规模从手表、计算机等消费品用电 源发展到兆瓦级的独立电站。
新能源材料
New Energy Materials
材料加工工程
1
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总体概述
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2
主要分类
➢太阳能电池材料 ➢储氢材料 ➢新型二次电池材料 ➢燃料电池材料 ➢核能材料
3Baidu Nhomakorabea
• 能源是人类社会生存和发展的重要物质基础,是现代 文明的三大支柱之一。
11
主要特点 ➢ 新能源材料能把原来使用的能源转变成新能源； ➢ 新能源材料可提高贮能效率，有效进行能量转换； ➢ 新能源材料可以增加能源利用的新途径。
太阳能热水器
内蒙古四王子旗太阳能电池光伏电站
12
太阳能电池材料
13
• 太阳能在未来能源结构中占有重要地位
➢ 地球上一年接受的太阳能总量为3.8×1018kW，远大于 人类对能源的需求量；
清华大学电力国家重点实验室 太阳能电池开发综合利用系统
17
• 太阳能光电转化的核心装置是太阳电池。
• 太阳电池的工作原理是光伏效应：太阳光照在半导体 p-n结上，形成空穴-电子对，在p-n结内建电场的作 用下，光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电 路后就产生电流。这就是光电效应太阳能电池的工作 原理。
➢ 已探明的173万亿立方米天然气仅够开采63年； ➢ 已探明的9827亿吨煤炭还可用300年到400 年; ➢ 已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨，全球441座
核电站每年消耗6万多吨浓缩铀，仅够使用100年左右。 ➢ 世界各国水能开发也已近饱和，风能、太阳能尚无法满足
人类庞大的需求。
7
• 目前，世界能源消耗还是以煤、石油、天然气之类 的矿物能源为主，不但严重破坏生态环境，而且矿 物能源不可再生，能源枯竭已成为共识。
煤炭开采
海上石油开采平台
严重的生态破坏
4
• 生态环境严重破坏：
➢ 1952年12月，伦敦烟雾； ➢ 酸雨； ➢ 河流干涸；
5
6
• 巨大的能源危机：
➢ 已开采800亿吨石油，按现在的开采速度， 地球上已探明 的1770亿吨石油储量仅够开采50年;
8
• 为缓解和解决能源危机，科学家提出资源与能源最 充分利用技术和环境最小负担技术。
• 新能源与新能源材料是两大技术的重要组成部分。 • 新能源的发展必须靠利用新的原理来发展新的能源
系统，同时还必须靠新材料的开发与利用才能使新 系统得以实现，并提高其利用效率，降低成本。 • 发展新能源材料是解决能源危机的根本途径。
率高、抗辐照性能好，是较理想
的空间太阳电池。
太空站上的GaAs太阳电池
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纳米太阳电池
• 纳米太阳电池(简称NPC电池)是一种由镀有透明导电 膜的导电玻璃、多孔纳米TiO2、染料光敏化剂、固体 电解质膜以及铂电极组成的一种光电化学式电池。
纳米太阳电池的结构
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• 中国尚德电力和澳大利亚斯威本科技大学已研制出最高 效的宽波段纳米薄膜太阳电池，光电转化效率为8.1%。
• 新能源包括
• 太阳能
• 生物质能 • 核能
太阳能
• 风能
• 地热
• 海洋能
• 氢能
潮汐能
核能 地热
风能
氢能
10
• 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 源技术所需的关键材料，主要包括：
• 硅半导体为代表的太阳能电池材料 • 储氢合金为代表的储氢材料 • 锂离子电池为代表的二次电池材料 • 质子交换膜电池为代表的燃料电池材料 • 铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料 • -------------
• 我国作为发展中大国，能源消耗巨大，能源利用率 不高，能源结构也不合理。
➢ 2009年，中国风力发电量达到了25.8亿瓦，超过了德国 的25.77亿瓦，仅次于美国35亿瓦；
➢ 2020年，中国将投入足以实现年发电量150亿瓦的风力 涡轮机，成为世界最大的风能生产国。
➢ 尽管在新能源领域有了大规模的增长，但风力发电量只 占据中国电力消耗总量的1% 。
• 用超轻碳纤维材料制成，总重1.6吨，由4台小型电 力发动机驱动，机翼配备1.2万个太阳能电池板，
翼展长度大约64米。
22
晶体硅太阳能电池
• 晶体硅太阳电池是以硅半导体材料制成的大面积pn 结，在p型硅片上制作很薄的掺杂n型层，在n型层上 制作金属栅线作为正面接触电极，在背面制作金属 膜作为背面接触电极。
➢ 分布广泛，不需要开采和运输； ➢ 不存在枯竭问题，可以长期利用； ➢ 安全卫生，对环境无污染等。
人造卫星上的太阳能电池
14
• 西班牙塞维利亚太阳能发 电站—欧洲最大的太阳能 电站，可供18万户使用， 每年减排60万吨CO2
15
•槽式太阳能
•蝶式太阳能
16
• 通过光电转化将太阳辐射能转化为电能加以利用是 太阳能利用中最活跃的研究领域。
太阳能电池
光伏效应示意图
18
•P型半导体
•N型半导体
19
• 全球最大规模的光伏太阳能发电 项目—鄂尔多斯市政府与美国 first solar公司共建2000兆瓦 太阳能光伏发电厂
20
• 世博中国馆、主题馆，世博中心、演艺中心等永久建 筑的屋顶和玻璃幕墙上安装总装机容量超过4.68兆瓦 的太阳能电池，每年能减排二氧化碳4000吨。
• 主题馆屋面太阳能板面积达3万多平方米，是目前世 界最大的单体面积太阳能屋面，年发电量280万度， 每年减排二氧化碳2800吨，节约标准煤1000多吨。
世博中国馆
世博主题馆
21
• 2011年5月，世界首架无污染太阳能飞机进行跨国 飞行(从瑞士飞抵布鲁塞尔需13小时)，飞行高度可 达8700米，平均飞行速度为70-120公里/小时。
非晶硅太阳能电池
24
化合物太阳能电池
• 化合物太阳电池所用材料包括 II-VI族化合物和III-V族化合物
。
• II-VI族化合物包括CdTe和CdS等
，制成的薄膜太阳电池转换效率 高原用的GdTe太阳电池
高、成本低、易于大规模生产。
• III-V族化合物包括GaAs和InP等
，可制成薄膜太阳电池，转换效
• 晶体硅太阳电池具有性能稳定、资源丰富、无毒性 等优点，是目前市场上的主导产品。
单晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池
23
非晶硅太阳电池
• 非晶硅太阳电池是以非晶硅为基体的薄膜太阳电池 ，电池效率已达到13％；世界总组件生产能力达到 每年50MW，应用规模从手表、计算机等消费品用电 源发展到兆瓦级的独立电站。
新能源材料
New Energy Materials
材料加工工程
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总体概述
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主要分类
➢太阳能电池材料 ➢储氢材料 ➢新型二次电池材料 ➢燃料电池材料 ➢核能材料
3Baidu Nhomakorabea
• 能源是人类社会生存和发展的重要物质基础,是现代 文明的三大支柱之一。
11
主要特点 ➢ 新能源材料能把原来使用的能源转变成新能源； ➢ 新能源材料可提高贮能效率，有效进行能量转换； ➢ 新能源材料可以增加能源利用的新途径。
太阳能热水器
内蒙古四王子旗太阳能电池光伏电站
12
太阳能电池材料
13
• 太阳能在未来能源结构中占有重要地位
➢ 地球上一年接受的太阳能总量为3.8×1018kW，远大于 人类对能源的需求量；
清华大学电力国家重点实验室 太阳能电池开发综合利用系统
17
• 太阳能光电转化的核心装置是太阳电池。
• 太阳电池的工作原理是光伏效应：太阳光照在半导体 p-n结上，形成空穴-电子对，在p-n结内建电场的作 用下，光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电 路后就产生电流。这就是光电效应太阳能电池的工作 原理。
➢ 已探明的173万亿立方米天然气仅够开采63年； ➢ 已探明的9827亿吨煤炭还可用300年到400 年; ➢ 已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨，全球441座
核电站每年消耗6万多吨浓缩铀，仅够使用100年左右。 ➢ 世界各国水能开发也已近饱和，风能、太阳能尚无法满足
人类庞大的需求。
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• 目前，世界能源消耗还是以煤、石油、天然气之类 的矿物能源为主，不但严重破坏生态环境，而且矿 物能源不可再生，能源枯竭已成为共识。
煤炭开采
海上石油开采平台
严重的生态破坏
4
• 生态环境严重破坏：
➢ 1952年12月，伦敦烟雾； ➢ 酸雨； ➢ 河流干涸；
5
6
• 巨大的能源危机：
➢ 已开采800亿吨石油，按现在的开采速度， 地球上已探明 的1770亿吨石油储量仅够开采50年;
8
• 为缓解和解决能源危机，科学家提出资源与能源最 充分利用技术和环境最小负担技术。
• 新能源与新能源材料是两大技术的重要组成部分。 • 新能源的发展必须靠利用新的原理来发展新的能源
系统，同时还必须靠新材料的开发与利用才能使新 系统得以实现，并提高其利用效率，降低成本。 • 发展新能源材料是解决能源危机的根本途径。
率高、抗辐照性能好，是较理想
的空间太阳电池。
太空站上的GaAs太阳电池
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纳米太阳电池
• 纳米太阳电池(简称NPC电池)是一种由镀有透明导电 膜的导电玻璃、多孔纳米TiO2、染料光敏化剂、固体 电解质膜以及铂电极组成的一种光电化学式电池。
纳米太阳电池的结构
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• 中国尚德电力和澳大利亚斯威本科技大学已研制出最高 效的宽波段纳米薄膜太阳电池，光电转化效率为8.1%。