太阳能利用与薄膜材料

第一章太阳能及其应用

1.1太阳能的基本知识

太阳是一个由炽热气体构成的球体，主要组成是氢和氦，其中氢占80%左右，氦占19%左右,太阳能是指太阳内部进行着由氢聚变成氦的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，不断地向宇宙空间辐射能量。太阳内部的这种核聚变反应可以维持很长时间，据估计约有几十亿至几百亿年，相对于人类的有限生存时间而言，太阳能可以说是取之不尽，用之不竭的。整个太阳每秒钟释放出来的能量是无比巨大的，高达3.826×10的33次方尔格或37.3×10的6次方兆焦，相当于每秒钟燃烧1.28亿吨标准煤所放出的能量。太阳辐射到达地球陆地表面的能量，大约为17万亿千瓦，仅占到达地球大气外层表面总辐射量的10%。即使这样，它也相当目前全世界一年内能源总消耗量的3.5万倍。

与我们生活中常见的能源相比太阳能有如下优点：

第一，太阳能是人类可以利用的最丰富的能源，总量很大，据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%，可以说是取之不尽，用之不竭。我国陆地表面每年接受的太阳能就相当于1700亿吨标准煤。

第二，地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。

第三，太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡。

1.2太阳能的利用

太阳能开发利用是当今国际上一大热点，经过最近20多年的努力，太阳能技术有了长足进步，太阳能利用领域已由生活热水，建筑采暖等扩展到太阳能发电，工农业生产许多部门，人们已经强烈意识到，一个广泛利用太阳能和可再生能源的新时代——太阳能时代即将来到。

现在人们利用现代各种先进技术可以将太阳能转变为我们所需要的能量。例如：

太阳能转化为热能：热水器、开水器、干燥器，采暖和制冷，温室与太阳房，太阳灶和高温炉，海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具等。

太阳能转化为电能：晶体硅太阳能电池、薄膜太阳能电池等。

第二章

2.1太阳能集热器的分类太阳能集热器

太阳能集热器是把太阳辐射能转换成热能的设备，是吸收太阳辐射，转变为热能，并将它传给工作介质（流体）的一种特殊换热装置。在太阳能的热利用中，关键是将太阳的辐射能转换为热能。由于太阳能比较分散，必须设法把它集中起来，所以，集热器是各种利用太阳能装置的关键部分。

6.按集热板使用材料分别为：纯铜集热板、铜铝复合集热板、纯铝集热板

2.2太阳能集热器薄膜

无论哪种形式和结构的集热器，但都要有一个用来吸收太阳辐射的吸收器,吸收器表面热辐射性能对集热器的热性能起着重要作用。太阳能辐射能量主要集中在0.3～3μm的波长范围，其中95%以上都分布在波长小于2μm的光谱范围。而对于温度为几百K的物体其热辐射能主要集中在2~5.0μm的红外波谱范围。为了提高太阳集热器的热效率,我们要求吸收器表面在波长0.3~2.5μm太阳光谱范围内具有较高的吸收比(α)，同时在波长为2.5~5.0μm红外光谱范围内保持尽可能低的热发射比(ε)。换句话说，就是要使吸收表面在最大限度地吸收太阳辐射的同时，尽可能减小其辐射热损。获得这种吸收效果的表面的涂层称为选择性吸收涂层。显而易见,该涂层两个重要的性能参数α、ε对提高集热器的热效率起着至关重要的作用。因此，研究和应用光谱选择性吸收涂层是太阳能热利用中的重要

课题。

太阳能选择性吸收涂层一般都采用多层结构，主要有衬底、吸收层和减反射层或保护层。涂层制备工艺主要有电镀工艺、电化学工艺、薄膜工艺（物理气相沉积、化学气相沉积）。

（1)电镀涂层

黑铬涂层：黑铬涂层的吸收比α和发射比ε分别为0.93~0.97和0.07~0.15，α/ε为6~13，具有优良的光谱选择性。黑铬涂层的热稳定性和抗高温性能也很好，适用于高温条件，在300℃能长期稳定工作。此外，黑铬涂层还具有较好的耐候性和耐蚀性。但是，现在采用的电镀黑铬工艺，电流密度大(15~200A/dm2)，溶液导电性差，电镀时会产生大量的焦耳热，需要冷却和通风排气才能维持正常生产。另外，黑铬镀在非铜件上，需要先预镀铜，再镀光亮镍，最后镀黑铬，生产成本较高。

黑镍涂层：黑镍涂层的吸收比α可达0.93~0.96，热发射比ε为0.08~0.15，α/ε接近6~12，其吸收性能较好。黑镍涂层很薄，为了提高涂层与基体的结合力和耐蚀性，常采用中间涂层(如Ni，Cu，Cd)或双层镍涂层。由于黑镍涂层的热稳定性、耐蚀性较差，通常只适用于低温太阳能热利用。

黑钴涂层：黑钴涂层的主要成分是CoS，具有蜂窝型网状结构，其吸收比α可达0.94~0.96，发射比ε为0.12~0.14，α/ε为6.7~8。

(2)电化学涂层

铝阳极氧化涂层：铝及铝合金的阳极氧化可在硫酸介质中进行，但在太阳能热利用中，主要用磷酸介质。铝氧化涂层着色有多种工艺，其中电解着色工艺获得的涂层，具有牢固、稳定、耐晒优良特性，并且可进行大规模生产。

铝阳极氧化涂层是一种多孔膜，孔隙率达22%，电解着色时金属易沉积在微孔中。用于电解着色的金属盐类有：镍盐、锡盐、钴盐和铜盐等。

铝阳极氧化涂层，耐蚀、耐磨和耐光照等性能也相当好，在太阳能热水器中已得到广泛应用。

CuO转化涂层：以阳极氧化法制取的CuO转化涂层，NaOH电解液的浓度为1mol/L，电流密度为2mA/cm2，温度为50~57℃。涂层的吸收比可达0.88~0.95，法向发射比为0.15~0.30。这种CuO涂层有一层黑色绒面，保护不好，会导致吸收比的降低。

(3)真空磁控溅射镀膜

该工艺采用真空磁控溅射镀膜的方法，获得多层薄膜，通过多层膜的光学干涉效应获得选择性涂层。目前国外公司采用电子束蒸发的方法将钛和石英在电子射线枪的作用下汽化，汽化物在加入氮和氧后发生化学反应生成氮氧化钛，最后在金属（铜）带上沉积冷凝而成涂层。该膜层生产过程中不会产生污染，且自动化生产程度高。该膜层具有明显太阳光谱选择性，吸收率αs=0.91~0.96，ε＜0.1。

多年来人们一直致力于研究开发性能好、寿命长、工艺简单、成本低廉的选择性吸收涂层材料，并取得了丰硕成果。其中包括金属氧化物、硫化物、碳化物、氮化物以及近几年来出现的金属陶瓷等诸多复合材料。制备工艺由简单的涂复、金属氧化处理、化学转换、电化学沉积发展到真空蒸镀、磁控溅射等近代薄膜物理方法。

第三章

3.1太阳能电池的原理太阳能电池

太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光伏效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”

太阳能电池的工作原理是基于P-N结的光伏效应：当N型半导体与P型半导体通过适当的方法组合到一起时,在二者的交界处就形成了P-N结。由于多

数载流子的扩散，形成了空间电荷区，并形成一个不断增强的从n型半导体指向p型半导体的内建电场，导致多数载流子反向漂移。达到平衡后，扩散产生的电流和漂移产生的电流相等。如果光照在p–n结上，而且光能大于p–n结的禁带宽度，则在p–n结附近将产生电子-空穴对。由于内建电场的存在，产生的非平衡电子载流子将向空间电荷区两端漂移，产生光生电势，破坏了原来的平衡。如果将p-n

根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：硅太阳能电池；化合物太阳能电池，如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等；功能高分子材料制备的太阳能电池；纳米晶太阳能电池等。不论以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料一般的要求有：半导体材料的禁带不能太宽；要有较高的光电转换效率：材料本身对环境不造成污染；材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是目前在太阳能电池领域硅太阳能电池占主导地位的主要原因。

1，有关高效率，低成本晶体硅太阳能电池开发

硅太阳能电池可分为晶体硅太阳能电池和薄膜硅太阳能电池，晶体硅太阳能电池主要是指单晶硅和多晶硅太阳能电池。规模化生产中，单晶硅太阳能电池具有转换效率最高、技术最为成熟、可靠性高等优点。澳大利亚新南威尔士大学硅太阳电池及硅发光实验室副主任赵建华研发的PERL（钝化发射极、背面点扩散）太阳能电池转换效率高达24.7%。

多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能电池相近，但是从制作成本上

太阳能利用与薄膜材料.doc下载

来讲，比单晶硅太阳能电池要低得多。多晶硅太阳能电池的光电转化效率相比单晶硅太阳能电池要低。我国尚德太阳能电力将开始量产转换效率18.8％的单晶硅型、17.2％的多晶硅型太阳能电池单元。

2，新型薄膜电池开发

薄膜太阳能电池是最富前途的下一代太阳能电池技术，它节省了硅原料的使用和硅片制造工艺。与目前常见的硅片太阳能电池相比，硅薄膜太阳能电池用硅量仅为前者的1%左右，可使每瓦太阳能电池成本从2.5美元降至1.2美元。此外，这种高科技新产品可与建筑物屋顶、墙体材料如玻璃幕墙融为一体，既可并网发电又能节约建筑材料、美化环境。目前正在研发中和已有产品出售的薄膜太阳能电池主要有以下几种：

（1）非晶硅薄膜电池：是薄膜太阳能电池中最成熟的产品之一。由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速发展，但由于其光学带隙为1.7eV,使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。

（2）多晶硅硅薄膜电池：其转换效率高于非晶硅薄膜太阳能电池，又无效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，但由于控制薄膜中硅晶粒大小的技术没有解决，尚未能制成有实用价值的太阳能电池。

（3）有机染料敏化电池：它是一种光电化学电池。

（4）铜铟锡（CIS）和锑化镉（CdTe）：两种化合物多晶薄膜太阳能电池，中试转换效率已经超过10％。但是，由于元素镉的有毒性及其对环境的污染，这种太阳能电池技术均不具备长远的产业化生命力。

（5）铜-铟-硒（及其合金）电池：据美国Miasole公司称，他们研制的样品转换效率可达19.5％，试销产品的转换效率可达9％。但由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展必然受到限制。

（6）砷化镓III-V化合物薄膜电池：在250℃的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约30％，且能耐高温，特别适合做高温聚光太阳能电池。但生产成本高，产量受限，目前主要作空间电源用。

近年来，另一种新型硅基薄膜材料——纳米硅薄膜由于其优良的性能引起了人们广泛的关注。理论上其最大转换率为44%，如能产业化，则高于单晶硅电池。

久久建筑网m.kkreddy.com提供大量：建筑图纸、施工方案、工程书籍、建筑论文、合同表格、标准规范、CAD图纸等内容。