能源转换与储存材料
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第五章 能源转换与储存材料
教学重点： 太阳能电池工作原理 热电转换原理及应用 金属氢化物和储氢合金类型及储氢原理
能源转换与储存材料：
以满足新能源（可再生能源）的获取、利用为 目的材料。
发展概况： 20世纪70年代的石油危机—— 触发新能源材料的 研究 持续的能源、环境压力 —— 推动新能源材料发展
3.制作正电极
用染料着色的TiO2作为电子流出的一极（即负电极）。正 电极可由导电玻璃的导电面（涂有导电的SnO2膜层）构 成，用铅笔在导电面上均匀地涂上一层石墨。
4.加入电解质
利用含碘离子的溶液作为太阳能电池的电解质，它主要用于 还原和再生染料。在二氧化钛膜表面上滴加一到两滴电解质 即可。
5、组装电池
形成较大的扩散电流（由P 区流向N区的正向电流）
外电场愈强，正向电流愈大， PN结呈现的电阻很低，即PN 结处于导通状态
PN结加反向电压时截止
加反向电压 (外、内电场的方向一致)
空间电荷区两侧的空穴 和自由电子移走
内电场增强，多数载流子 的扩散运动难于进行
加强了少数载流子的漂 移运动，形成由N区流 向P区的反向电流
(3)把二氧化钛膜放在酒精灯上烧结10～15分钟，然 后冷却
2.利用天然染料为二氧化钛着色
把新鲜的或冰冻的黑梅、山梅、石榴籽或红茶，加一汤匙的
水并进行挤压，然后把二氧化钛膜放进去进行着色，大约需要 5分钟，直到膜层变成深紫色，如果膜层两面着色的不均匀， 可以再放进去浸泡5分钟，然后用乙醇冲洗，并用柔软的纸轻 轻地擦干
在二氧化钛膜上滴加电解质后，把正电极的导电面朝下压在 二氧化钛膜上。将两片玻璃稍微错开，用两个夹子把电池夹 住，两片玻璃暴露在外面的部分用以连接导线。
6.电池的测试
在室外太阳光下，检测太阳能电池是否可以产生电流。
太阳能电池（硅系）的优点：
1. 将光能直接转换为(直流)电能，但本身不储存能量； 2. 使用方便、无废弃物、无污染、无噪音； 3. 电池模板寿命长久，可达二十年以上 ； 4. 外型尺寸可随意变化，应用广泛(小至消费性产品—
重要的新能源(可Байду номын сангаас生能源)：
太阳能、风能、地热、潮汐、核能
获取一次能源：
光电转换装置及相关材料 热电转换装置及相关材料 风力发电机材料 核能利用装置及相关材料
能源的储存、输送与利用：
二次能源形式 ——电能、氢能、化学能
二次能源储存、输送与利用 ——电池、燃料电池、 氢气、化学物质
光电转换与太阳能电池材料 热电转换材料 储氢材料
少数载流子数量很少， 反向电流不大，PN结的 反向电阻很高，即PN结 处于截止状态。
光生伏特效应
在光的照射下，半导体p-n结的两端产生电位差 的现象。
太阳能电池 利用太阳光直接发电的光电半导体薄片, 只要一 照到光, 瞬间就可输出电压及电流，称为太阳 能光电池 (Solar cell)，简称为太阳能电池。
⑵离子注入法： 将硅膜作为衬底，杂质元素离子化后，用高压对 其进行加速，使离子有很高的能量能够注入硅膜 内。
纳米晶化学太阳能电池 纳米TiO2晶体化学能太阳能电池
电池主要包括： 镀有透明导电膜的玻璃基底 染料敏化的半导体材料 对电极 电解质等
负电极： 染料敏化半导体薄膜 （TiO2膜）
正电极： 镀铂的导电玻璃 电解质： I3-/I-
太阳能电池： 1、硅太阳能电池； 2、以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元
化合物为材料的电池； 3、功能高分子材料制备的大阳能电池； 4、纳米晶化学太阳能电池等。
硅太阳能电池
硅太阳能电池原理 硅太阳能电池材料
半导体主要结构：
本征半导体
P型半导体
本征激发和复合的过程
N型半导体
PN结的形成
内电场
内电场： 对多数载流子的 扩散运动起阻挡 作用； 对少数载流子运 动起推动作用 (漂移运动)。
PN结的单向导电性
PN结加正向电压时导通
加正向电压 (外、内电场的方向相反)
P区的空穴进入空间电荷区 抵消部分负电荷； N区的自由电子进入空间电 荷区抵消部分正电荷
空间电荷区变窄，内电场被削弱
多数载流子的扩散运动增强
2、多晶硅的制备
异种衬底接触结晶法原理图
将硅熔融后注入石英制的流槽中，使里侧涂敷碳膜的陶瓷衬底 与熔融硅液接触，同时使衬底移动，在衬底上形成0.1～0.2mm 厚的硅多晶膜。
p-n结的形成方法：
必须对单晶硅、非晶硅、多晶硅进行掺杂以形成 p-n结产成光生伏特效应。
掺杂方法:
⑴涂敷扩散法： 在硅膜上涂敷含有形成p-n结所需的杂质元素和硅 酸的有机溶剂，干燥后装入炉中加热到一定温度 使杂质元素扩散到硅膜之中。
太阳能电池原理：
空穴
电子
太阳能半导体晶片
N型区 P型区
N区
内电场
P区
晶片受光照时空穴往P型区移动，电子往N型区移动
晶片受光后电子从N区负电极流出负电 空穴从P区正电极流出正电
太阳能电池构造示意图
半导体(Si、GaAs等) 太阳能电池材料包括 表面涂层
电极等
材料要求： 1、能充分利用太阳能辐射，即半导体材料的禁带不
的透光性。
类型
金属氧化物：RuO2、钌和钛的混合氧化物、 锡和铟的混合氧化物
导电聚合物：聚苯胺、聚乙炔
太阳能电池材料的制备
硅太阳能电池的生产流程
1、非晶硅的制备
高频离子镀装置
在真空中用电子束轰击固态硅使之蒸发，将其引到等离子区 使其离子化，被离子化的硅离子在衬底和蒸发源之间所加电 压的作用下加速向衬底沉积，在衬底上形成非晶硅膜。
优点：成本廉价、工艺简单及性能稳定。其光电效率稳定 在10％以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～ 1/10。 寿命能达到20年以上。
不足：研究和开发刚刚起步。
染料敏化TiO2太阳能电池的手工制作
1.制作二氧化钛膜 (1)先把二氧化钛粉末放入研钵中与粘合剂进行研磨
(2)接着用玻璃棒缓慢地在导电玻璃上进行涂膜
能太宽； 2、有较高的光电转换效率； 3、材料本身对环境不造成污染； 4、材料便于工业化生产，性能稳定且经济。
1、硅半导体材料：
转换效率 10％～12％
多晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池
转换效率 14％～15％ 成本较高
转换效率 7％～9％
非晶硅太阳能电池
2、保护涂层（涂敷于硅膜表面）
作用： ⑴降低膜对光的反射，提高转换效率； ⑵保护膜以减少腐蚀等破坏，保护涂层应有的良好
教学重点： 太阳能电池工作原理 热电转换原理及应用 金属氢化物和储氢合金类型及储氢原理
能源转换与储存材料：
以满足新能源（可再生能源）的获取、利用为 目的材料。
发展概况： 20世纪70年代的石油危机—— 触发新能源材料的 研究 持续的能源、环境压力 —— 推动新能源材料发展
3.制作正电极
用染料着色的TiO2作为电子流出的一极（即负电极）。正 电极可由导电玻璃的导电面（涂有导电的SnO2膜层）构 成，用铅笔在导电面上均匀地涂上一层石墨。
4.加入电解质
利用含碘离子的溶液作为太阳能电池的电解质，它主要用于 还原和再生染料。在二氧化钛膜表面上滴加一到两滴电解质 即可。
5、组装电池
形成较大的扩散电流（由P 区流向N区的正向电流）
外电场愈强，正向电流愈大， PN结呈现的电阻很低，即PN 结处于导通状态
PN结加反向电压时截止
加反向电压 (外、内电场的方向一致)
空间电荷区两侧的空穴 和自由电子移走
内电场增强，多数载流子 的扩散运动难于进行
加强了少数载流子的漂 移运动，形成由N区流 向P区的反向电流
(3)把二氧化钛膜放在酒精灯上烧结10～15分钟，然 后冷却
2.利用天然染料为二氧化钛着色
把新鲜的或冰冻的黑梅、山梅、石榴籽或红茶，加一汤匙的
水并进行挤压，然后把二氧化钛膜放进去进行着色，大约需要 5分钟，直到膜层变成深紫色，如果膜层两面着色的不均匀， 可以再放进去浸泡5分钟，然后用乙醇冲洗，并用柔软的纸轻 轻地擦干
在二氧化钛膜上滴加电解质后，把正电极的导电面朝下压在 二氧化钛膜上。将两片玻璃稍微错开，用两个夹子把电池夹 住，两片玻璃暴露在外面的部分用以连接导线。
6.电池的测试
在室外太阳光下，检测太阳能电池是否可以产生电流。
太阳能电池（硅系）的优点：
1. 将光能直接转换为(直流)电能，但本身不储存能量； 2. 使用方便、无废弃物、无污染、无噪音； 3. 电池模板寿命长久，可达二十年以上 ； 4. 外型尺寸可随意变化，应用广泛(小至消费性产品—
重要的新能源(可Байду номын сангаас生能源)：
太阳能、风能、地热、潮汐、核能
获取一次能源：
光电转换装置及相关材料 热电转换装置及相关材料 风力发电机材料 核能利用装置及相关材料
能源的储存、输送与利用：
二次能源形式 ——电能、氢能、化学能
二次能源储存、输送与利用 ——电池、燃料电池、 氢气、化学物质
光电转换与太阳能电池材料 热电转换材料 储氢材料
少数载流子数量很少， 反向电流不大，PN结的 反向电阻很高，即PN结 处于截止状态。
光生伏特效应
在光的照射下，半导体p-n结的两端产生电位差 的现象。
太阳能电池 利用太阳光直接发电的光电半导体薄片, 只要一 照到光, 瞬间就可输出电压及电流，称为太阳 能光电池 (Solar cell)，简称为太阳能电池。
⑵离子注入法： 将硅膜作为衬底，杂质元素离子化后，用高压对 其进行加速，使离子有很高的能量能够注入硅膜 内。
纳米晶化学太阳能电池 纳米TiO2晶体化学能太阳能电池
电池主要包括： 镀有透明导电膜的玻璃基底 染料敏化的半导体材料 对电极 电解质等
负电极： 染料敏化半导体薄膜 （TiO2膜）
正电极： 镀铂的导电玻璃 电解质： I3-/I-
太阳能电池： 1、硅太阳能电池； 2、以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元
化合物为材料的电池； 3、功能高分子材料制备的大阳能电池； 4、纳米晶化学太阳能电池等。
硅太阳能电池
硅太阳能电池原理 硅太阳能电池材料
半导体主要结构：
本征半导体
P型半导体
本征激发和复合的过程
N型半导体
PN结的形成
内电场
内电场： 对多数载流子的 扩散运动起阻挡 作用； 对少数载流子运 动起推动作用 (漂移运动)。
PN结的单向导电性
PN结加正向电压时导通
加正向电压 (外、内电场的方向相反)
P区的空穴进入空间电荷区 抵消部分负电荷； N区的自由电子进入空间电 荷区抵消部分正电荷
空间电荷区变窄，内电场被削弱
多数载流子的扩散运动增强
2、多晶硅的制备
异种衬底接触结晶法原理图
将硅熔融后注入石英制的流槽中，使里侧涂敷碳膜的陶瓷衬底 与熔融硅液接触，同时使衬底移动，在衬底上形成0.1～0.2mm 厚的硅多晶膜。
p-n结的形成方法：
必须对单晶硅、非晶硅、多晶硅进行掺杂以形成 p-n结产成光生伏特效应。
掺杂方法:
⑴涂敷扩散法： 在硅膜上涂敷含有形成p-n结所需的杂质元素和硅 酸的有机溶剂，干燥后装入炉中加热到一定温度 使杂质元素扩散到硅膜之中。
太阳能电池原理：
空穴
电子
太阳能半导体晶片
N型区 P型区
N区
内电场
P区
晶片受光照时空穴往P型区移动，电子往N型区移动
晶片受光后电子从N区负电极流出负电 空穴从P区正电极流出正电
太阳能电池构造示意图
半导体(Si、GaAs等) 太阳能电池材料包括 表面涂层
电极等
材料要求： 1、能充分利用太阳能辐射，即半导体材料的禁带不
的透光性。
类型
金属氧化物：RuO2、钌和钛的混合氧化物、 锡和铟的混合氧化物
导电聚合物：聚苯胺、聚乙炔
太阳能电池材料的制备
硅太阳能电池的生产流程
1、非晶硅的制备
高频离子镀装置
在真空中用电子束轰击固态硅使之蒸发，将其引到等离子区 使其离子化，被离子化的硅离子在衬底和蒸发源之间所加电 压的作用下加速向衬底沉积，在衬底上形成非晶硅膜。
优点：成本廉价、工艺简单及性能稳定。其光电效率稳定 在10％以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～ 1/10。 寿命能达到20年以上。
不足：研究和开发刚刚起步。
染料敏化TiO2太阳能电池的手工制作
1.制作二氧化钛膜 (1)先把二氧化钛粉末放入研钵中与粘合剂进行研磨
(2)接着用玻璃棒缓慢地在导电玻璃上进行涂膜
能太宽； 2、有较高的光电转换效率； 3、材料本身对环境不造成污染； 4、材料便于工业化生产，性能稳定且经济。
1、硅半导体材料：
转换效率 10％～12％
多晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池
转换效率 14％～15％ 成本较高
转换效率 7％～9％
非晶硅太阳能电池
2、保护涂层（涂敷于硅膜表面）
作用： ⑴降低膜对光的反射，提高转换效率； ⑵保护膜以减少腐蚀等破坏，保护涂层应有的良好