新能源材料论文

摘要

本文根据制作材料的种类和状态的不同将太阳能电池分为以下几种：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池、薄膜型太阳能电池、有机太阳能电池和染料敏化纳米晶太阳能电池，并对每种太阳能电池进行了简要的介绍。对于不同材料的太阳能电池的优缺点进行了比较和分析，从而为以后改进与发展提供依据。采用图表的方式，介绍了目前世界各国不同太阳能电池的实际生产量。由于在材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1％。预期今后10年内太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。提高转换效率和降低成本仍然是太阳能电池发展的大趋势。概括介绍了几种新的技术探索方向，为今后的科学研究指明了方向。

关键词太阳能电池工作原理单晶硅多晶硅化合物有机物薄膜纳米晶

引言

当今世界，随着人类对传统资源如煤矿等的过度开采和利用，引发了一些环境污染问题，也引起了社会各界人士的广泛关注，如今，能源问题已成为全球关注的重大问题。各大国在经济竞争的同时，也在竞争着对新能源的开发及利用。因而，为了使人类更加合理地利用自然资源，同时也为了国家的可持续发展，新能源材料的研发已经成为国家科技战略的基本内容。

新能源是指传统能源之外的各种能源形式，主要包括太阳能、地热能、风能、海洋能以及由可再生能源衍生出的生物燃料和氢所产生的能量。

新能源材料是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。新能源材料主要包括：太阳能电池材料、镍氢电池材料、锂离子电池材料、反应堆核能材料。

一.材料介绍

1、光伏材料

太阳能光伏材料是目前我国正大力发展的新能源材料。

光伏材料是能将太阳能直接转换成电能的材料。光伏材料又称太阳电池材料，只有半导体材料具有这种功能。可做太阳电池材料的材料有单晶硅、非晶硅、多晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等。其中单晶硅、多晶硅、非晶硅材料已实现批量生产。我国财政部现已出台十大措施助力光伏产业发展，其中一条是"金太阳工程"。该工程的重点内容将是以国家财政补贴的形式，支持国内光伏市场的启动，计划在近2-3年的时间内，在全国建立500兆瓦的光伏发电示范项目。除此之外，光伏电站和光伏并网发电等项目，都将成为“金太阳”工程补贴的重点。

目前我国国内著名的太阳能公司有无锡尚德，江西赛维LDK，保定天威英利，晶澳太阳能，浙江昱辉。

然而太阳能光伏产业依然面临着挑战：如何进一步降低材料成本和提高转换效率，使太阳电池的电力价格与火力发电的电力价格竞争，从而为更广泛更大规模的应用创造条件。

2、反应堆核能材料

反应堆核能材料以铀、氘、氚为代表。

其中铀是高能量的核燃料，１千克铀可供利用的能量相当于燃烧2050吨优质煤。虽然陆地上铀的储藏量并不丰富，且分布不均匀，只有少数国家拥有，然而在海

水中，却含有丰富的铀矿资源。海水中溶解的铀有45亿吨，然而海水中含铀的浓度很低，1000吨海水只含有3克铀。要从海水中提取铀，需要处理大量海水，技术工艺十分复杂。其中海水提铀的主要方法是吸附法、共沉法、气泡分离法以及藻类生物浓缩法等。

氘和氚都是氢的同位素。它们的原子核在一定的条件下，互相碰撞聚合成较重的原子核 --氦核，同时释放巨大的核能。氘-氚反应时能放出1780万电子伏特的能量。然而氘 -氚的核聚变反应，需要在上千万度乃至上亿度的高温条件下进行。这样的反应，已经在氢弹上得以实现。但是用于生产目的的受控热核聚变在技术上还有许多难题，需待科学家们去解决。

3、镍氢电池材料

镍氢电池由氢氧化镍正极、储氢合金负极、电解液等组成。

储氢合金负极材料主要包括AB5型稀土镍系储氢合金、AB2型储氢合金、Laves 相合金。

镍氢电池是现代电子产品中使用最为广泛的绿色环保电池之一，具有单体容量大、放电特性平稳、通用性强、发热量小等优点。缺点是体积大、自身重量大。

镍氢电池标称电压1.2V，在充足电的情况下可达1.35V，与普通AA类碱性电池电压相近，基本上可以通用，镍氢电池的放电特性非常好，放电曲线也非常平滑，到电力快要消耗完时，电压突然跌落，这一点接近于镍铬电池，但是瞬间放电电流不如镍铬电池。另外，镍氢电池采用无汞设计，这对于环境保护具有重大意义。

同镍铬电池一样，镍氢电池也采用化学物质的可逆反应来实现充电与放电过程。所以在充放电过程中，电池内部会产生大量气体，电池内部的压力相对较大，因此，镍氢电池都设计有排气用的排气孔，防止因内部压力过大发生爆炸。目前我们所接触到的GP系列电池，之所以看不到排气孔，是因为电池顶部安装有一个圆形的塑料片，用来防止异物堵塞排气孔和防止正极帽同负极的外壳短路。

4、锂离子电池材料

目前锂离子电池的负极材料以碳质材料为主，包括中间性炭微球和改性天然石墨等，锂离子电池正极材料主要为LiCo02，同时LiMn204，LiFePO4和锂镍钴锰氧化物等新型正极材料也在开发和应用过程中。

锂离子电池的优点有：工作电压高；比能量高；循环寿命长；自放电小；记忆效应小；对环境无污染。

我们平时所使用的手机电池、笔记本电池都是锂离子电池，锂离子电池产业在我国也发展得十分繁荣。

新能源材料的研发是全球科研的趋势，作为当代大学生，应当抓住这个机遇，积极投身新能源事业，通过提高新能源的技术工艺，克服生产难关，来达到绿色、环保、和

谐的科技创新之路。

二.太阳能电池的种类及发展方向

根据材料的种类和状态的不同，太阳能电池主要有以下几种：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池、薄膜型太阳能电池、有机太阳能电池和染料敏化纳米晶太阳能电池，下面分别予以个别简单介绍。

单晶硅太阳能电池

单晶硅太阳能电池是开发得最早的一种太阳能电池。硅的禁带宽度为1.leV，是间接迁移型半导体，本来不是制作太阳能电池的最合适材料。但是由于硅蕴藏量非常丰富，已广泛应用于微电子工业，有很完善的技术基础，有利干太阳能电池的开发应用。单晶硅太阳能电池具有比较高的转换效率，规模生产的电池组件的效率可以达到12—16%。

与其他种类的太阳能电池相比，单晶硅电池的转换效率为最高。作为原料的高纯单晶硅片多是从电子工业半导体器件加工中退出的产品，以往在市场上可大量地以较便宜的价格得到。最新的动向是向超薄、高效发展，不久可有100μm左右甚至更薄的单晶硅太阳能电池问世。德国的研究已经证实40μm厚的单晶硅电池的效率达到20％。

单晶硅太阳能电池以半导体材料制成大面积P—N结进行工作，单晶硅太阳能电池一般采用同质P—N结的结构，即在面积约10cm2的P型硅片上用扩散法制出一层很薄的经过重掺杂的N型层。在N型层上面制作金属栅线，形成正面接触电极；在背面制作金属膜，作为欧姆接触电极。为减少光的反射损失，在整个表面覆盖一层膜，即减反射膜。

当阳光从电池表面入射到内部时，入射光分别被各区的价带电子吸收并激发到导带，产生电子一空穴对。势垒的作用将电子扫人N区，而将孔穴扫入P区。各区产生的光载流子在内建电场的作用下，反方向越过势垒，形成光生电流，实现光一电转换过程。如图1所示为P—N结光电转换的原理图。

图1 P—N结光电转换的原理图

单晶硅太阳能电池的实验室实现的转换效率达到24．7％，为澳大利亚新南威尔士大学创造并保持，是目前除了GaAs以外效率最高的太阳能电池产品。与GaAs不同，