能源转换与储存材料PPT课件
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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
12:27
1
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
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
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。
10
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。
重要的新能源(可再生能源)：
太阳能、风能、地热、潮汐、核能
12:27
2
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
12:27
3
❖光电转换与太阳能电池材料 ❖热电转换材料 ❖储氢材料
12:27
4
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。
12:27
5
硅太阳能电池
硅太阳能电池原理 硅太阳能电池材料
12:27
12:27
11
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
12:27晶片受光照时空穴往P型区移动，电子往N型区移动 12
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
12:27
13
太阳能电池构造示意图
12:27
14
12:27
15
半导体(Si、GaAs等) 太阳能电池材料包括 表面涂层
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。
12:27
22
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
12:27
23
负电极： 染料敏化半导体薄膜 （TiO2膜）
12:27
29
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。
12:27
30
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。
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12:2硅7 多晶膜。
21
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。
正电极： 镀铂的导电玻璃 电解质： I3-/I-
12:27
24
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12：:27 研究和开发刚刚起步。
25
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
6
半导体主要结构：
本征半导体
P型半导体
本1征2:27激发和复合的过程
N型半导体
7
PN结百度文库形成
内电场
12:27
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)。
8
PN结的单向导电性
PN结加正向电压时导通
12:27
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；
转换效率 7％～9％
非晶硅太阳能电池
17
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
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
12:27
18
太阳能电池材料的制备
硅太阳能电池的生产流程
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
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
9
PN结加反向电压时截止
12:27
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
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
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。
12:27
16
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
12:27
12:27
31
5、组装电池
12:27
19
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。
12:27
20
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
12:27
26
(2)接着用玻璃棒缓慢地在导电玻璃上进行涂膜
12:27
27
(3)把二氧化钛膜放在酒精灯上烧结10～15分钟，然 后冷却
12:27
28
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
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
12:27
1
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
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
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。
10
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。
重要的新能源(可再生能源)：
太阳能、风能、地热、潮汐、核能
12:27
2
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
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❖光电转换与太阳能电池材料 ❖热电转换材料 ❖储氢材料
12:27
4
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。
12:27
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硅太阳能电池
硅太阳能电池原理 硅太阳能电池材料
12:27
12:27
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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
12:27晶片受光照时空穴往P型区移动，电子往N型区移动 12
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
12:27
13
太阳能电池构造示意图
12:27
14
12:27
15
半导体(Si、GaAs等) 太阳能电池材料包括 表面涂层
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。
12:27
22
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
12:27
23
负电极： 染料敏化半导体薄膜 （TiO2膜）
12:27
29
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。
12:27
30
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。
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12:2硅7 多晶膜。
21
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。
正电极： 镀铂的导电玻璃 电解质： I3-/I-
12:27
24
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12：:27 研究和开发刚刚起步。
25
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
6
半导体主要结构：
本征半导体
P型半导体
本1征2:27激发和复合的过程
N型半导体
7
PN结百度文库形成
内电场
12:27
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)。
8
PN结的单向导电性
PN结加正向电压时导通
12:27
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；
转换效率 7％～9％
非晶硅太阳能电池
17
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
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
12:27
18
太阳能电池材料的制备
硅太阳能电池的生产流程
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
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
9
PN结加反向电压时截止
12:27
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
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
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。
12:27
16
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
12:27
12:27
31
5、组装电池
12:27
19
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。
12:27
20
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
12:27
26
(2)接着用玻璃棒缓慢地在导电玻璃上进行涂膜
12:27
27
(3)把二氧化钛膜放在酒精灯上烧结10～15分钟，然 后冷却
12:27
28
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