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20世纪70年代美国有一个异想天开的 计划，就是在同步人造卫星上装两个 16km2的电池板和聚光系统，将所获电能 用微波传到地面。由于在大气层外阳光强度 比地面高1.4倍，又不受气候影响，据估计， 由此得到的电能成本可与常规电能相比。但 是，除了材料和技术问题以外，是否造成环 境污染还需要论证。
尽管太阳能利用成本较高，在某些 日照时间长、居民分散度大的地区建立 太阳能电站还是有意义的，因此发达国 家都在积极开发太阳能，如美国“百万 屋顶计划”，德国 “十万屋顶”计划及 日本 “1600个屋顶” 太阳能电池系统 等。我国西部地区日照好、居民分散， 适合发展太阳能。
1958年3月17日，美国首次在“先锋一 号卫星”上用单晶硅太阳能电池提供电源。 但功率小得可怜，只能供一个5毫瓦的无线电 辅助发射机的用电。以后，全世界数以千计 的卫星上几乎都装太阳能电池，功率也逐步 增加，有的高达几十到上百千瓦。我国1990 年9月3日发射的气象卫星上，也采用了半导 体太阳能电池。
新能源材料
上海理工大学材料学院 2011.09
新能源材料
办公地点：材料楼302室
Tel： 55271689
E-mail:
教材：
zhtang@
新能源材料，天津大学出版社
参考书与参考文献
《新能源概论 》——王革华编，化学工业出版社
《新能源与可再生能源概论》——苏亚新编，化学工业出 版社
太阳能电池
研制高效、长寿、廉价的光伏转换材料 已成为目前能源新材料领域的重要课题。 当前非晶硅薄膜的最高转换效率为 12.7％ ，理论上可达24％，缺点是稳定 性较差；多晶硅为17.7％；单晶硅为28.7 ％，G a As及G a I n P可高达25％~30％。 据报道，美研制出氮化镓铟高效太阳能电池 可吸收50%以上能量。

太阳能电池
以材料区分，太阳电池有晶硅电池，非晶硅 薄膜电池，铜钢硒 （CIS）电池，碲化镉（CdTe）电池，砷化稼电池等，而以晶硅 电池为主导。
由于硅是地球上储量第二大元素，作为半导体材料，人们对它研究 得最多、技术最成熟，而且晶硅性能稳定、无毒，因此成为太阳 电池研究开发、生产和应用中的主体材料。
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第5讲能源材料
建筑光伏集成系统既适用于居民住宅，也适 用商业、工业和公共建筑，高速公路音障等，既 可集成到屋顶，也可集成到外墙上；既可集成到 新设计的建筑上，也可集成到现有的建筑上。光 伏建筑集成近年来发展很快，许多国家相继制定 了本国的光伏屋顶计划。建筑自身能耗占世界总 能耗的1／3，是未来太阳能光伏发电的最大市场。 光伏系统和建筑结合将根本改变太阳能光伏发电 PPT文档在演模板 世界能源中的从属地位，前景光第明5讲能。源材料
子—空穴对。这样，光能就以产生电子—空穴对的形式
转变为电能、如果半导体内存在P—n结，在n区与p区之
间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和n
型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。
如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，
就能产生一定的电压和电流输出功率。
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第5讲能源材料
定性，可用于单层玻璃窗，适合在气温较高的
地区使用。氧化物薄膜的不同厚度可以获得蓝
色、银色、古铜色和金色等绚丽色彩。不同厚
度的金属膜可以获得不同的透射比与反射比。
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第5讲能源材料
（2）低发射膜
双层玻璃窗的热量损失由玻璃的高发射比 （0.84）引起，具有发射比0.04一0.10的低发射 膜的双层玻璃窗，其传热系数可由普通双层玻璃 窗的2.6W／m’K降至1.4W／m’L可见光透射比可 达0.80。典型的是SnO2／Ag／SnO，或TiO2／Ag ／TiO2。

能源
新材料
文明社会
生物技术
信息技术
能源、新材料、生物技术和信息技术是文明社会的四 大支柱。
能源是推动社会发展和经济进步的主要物质基础。 2
能源的分类
一次能源是指自然界中以原有形式存在的、未经加工转换的能量资 源。又称天然能源。
一次能源包括化石燃料（如原煤、石油、原油、天然气等）、核燃 料、生物质能、水能、风能、太阳能、地热能、海洋能、潮汐能 等。一次能源又分为可再生能源和不可再生能源，前者指能够重 复产生的天然能源，如太阳能、风能、水能、生物质能等，这些 能源均来自太阳，可以重复产生；后者用一点少一点，主要是各 类化石燃料、核燃料。20世纪70年代出现能源危机以来，各国都 重视非再生能源的节约，并加速对再生能源的研究与开发。
内部实现核能转换为为热能。释放出的热能由一回路系统冷
却剂带出，用以产生蒸汽。整个闭路系统被称为核蒸汽供应
系统，也叫核岛，相当于常规火电厂的锅炉系统。另一部分
由蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电的二回系统，与常规火电
厂的汽轮机发电机系统基本相同，也称作常规岛。
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核能发电示意图
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3、原子核能的价值
1千克铀235的原子核所释放出来的热量，大约相当 于2800吨标准煤燃烧时所放出的热量。
400kg标准煤/人*年 ✓ 现代化生产和生活所需最低能源消费量：
1200~1600kg标准煤/人*年 ✓ 高层次现代化生活所需最低能源消费量：
2000~3000kg标准煤/人*年 ※1kg标准煤=29307.6kJ=7000kcal
1kg标准油=41868kJ=10000kcal 1kg标准煤=0.7kg标准油
核反应是原子核与原子核或原子核与基本粒子相互作用 时释放的能量的过程。核反应有两种： 一是核裂变反应，是重原子分裂成两个或多个较轻原子核的 反应。如，原子弹爆炸。 二是核聚变反应，是轻原子核聚合成较重的原子核。如，氢 弹爆炸。

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36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉oCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
谢谢！

使用过程无排 放污染
绿色电池能源 转换过程不受 热力学卡诺循 环限制
绿色新能源的特点与优势
全球主要经济体的新能源发展和减排目标
经济体 欧盟 美国 日本 中国
新能源规划和碳减排目标
未来10年至少投资500亿欧元用于清洁能源的研发； 2020年实现清洁能源占能源结构20%；2020年将其 温室气体排放量在1990 年基础上减少20%，到2050 年实现温室气体减排80%。
550 ppm 2010
从左图大气CO2浓 度随年代的变化及其在 全球的分布图可以看出：
很明显，近20年来， CO2的浓度上升迅速非 常 迅 速 ， 2010 年 接 近 550ppm。
而且，主要分布在 美国和中国所在的北半 球高纬度60-80度处。
CO2大量排放带来的最直接危害就是产生温室效应！
化石能源及其现状
表3 全球各国CO2排放量比较排行
二氧化碳是化石能源的最终排放形态
2020年 原油需求控制在4.5亿吨，至少进口2.5亿吨，
对外依存度65%. 汽车保有量应控制在1亿辆(现 有2400万辆)
2004年，产量500万辆，到2010年汽车年产量达到
800到1000万辆
在北京、上海等大城市，空气污染的60% 来自汽车排放 二氧化碳的全球排放量中，中国居第二
。
常见新能源
• 太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，人类通过光热转换技术，
光电转换技术和光化转化技术实现了热发电、蓄热、光伏发电和光化学发 电等利用形式。目前太阳能的开发还存在转换效率、成本和使用寿命等系 列问题。
• 氢能以质量轻、传热高、清洁和来源广等特点展示着诱人的开发前景。氢
560-770
燃料油

晶体硅太阳能电池材料 非晶硅太阳能电池材料 化合物太阳能电池材料
单晶硅 多晶硅
硅薄膜
多晶薄膜太阳能电池材料
敏化纳米晶太阳能电池材料
有机化合物太阳能电池材料
塑料太阳能电池材料
姜洪舟
目前大量应用的是硅太阳能电池，单 晶硅太阳电池的光电转换效率较高，但材 料价格较贵；多晶硅太阳电池光电转换效 率不高（最高仅为 13%）；化合物GaAs 的转换效率可达20% ~ 28%，有的多层复 合太阳能电池高达40% 。另外，薄膜技术 能大大降低材料消耗，这是一个发展方向。 还有一些固溶体，主要有GaAlAs、 GaInP、InGaAs、CuInS、 CuInGaSe2、 SiGe、SiC等，其物理性能随固溶体的组 成比例而变化。可以利用这一特点调整参 数，以满足太阳能电池的要求。
姜洪舟
姜洪舟
姜洪舟
姜洪舟
引入籽晶
放肩与转肩
姜洪舟
调整直径
拉 成 硅 锭
等 径 生 长
拉制单晶硅的过程
姜洪舟
制备太阳能电池片一般用厚度为200 ~
350μm且掺杂硼的p型导电硅片，其电阻 率一般控制为0.005 ~ 0.03m·Ω。
姜洪舟
制作方法是：浓硫酸预清洗，后用酸或碱溶 液腐蚀，再用高纯度的去离子水清洗。清洗后的 硅片放在有控制气氛的高温扩散炉（石英管制成） 中扩散制成pn结，随后在保护正面扩散层的情况 下腐蚀掉背面的扩散层，之后真空蒸镀两个电极 （先镀30 ~100μm的铝膜再镀 2 ~ 5μm的银膜）， 上表面电极的栅线状可保证硅片有较大的吸光面 积。随后电极表面还要钎焊Sn-Al-Ag合金料以便 后续组装。然后，腐蚀掉硅片侧面的扩散层和焊 渣，以防局部短路。最后，在上表面真空蒸镀 SiO2或TiO2的减反射膜。

矿物燃烧导致的空气污染和温室效应严重破坏 生态环境，危机人类的生存！
节约能源、提高效率、使用新能源、保护环境 刻不容缓！
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新能源与新能源材料
人 类
➢ 太阳能 ➢ 风能
需
➢ 海洋能
要 ➢ 氢能
新
➢ 生物质能
能 源
➢ 地热 ➢ 核能
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太阳能
• 地球每年接受太阳的总能量为1.8×1018kWh，相当 于全球能耗的1.2万倍，无污染，是永久性能源。
• 能源是社会经济建设和提高人民生活
水平的重要物质基础之一。
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能源的分类
一
级
能
源 二级 能源
太
阳
第一类能源
辐
（来自地球以外） 射
能
煤，石油，油页岩，天然气，草 木燃料，沼气和其它由于光和作 用而固定下来的太阳能。 风，流水，海流，波浪海洋热能 ，直接太阳能
宇宙射线，流星和其它星际物质带进地球 大气的能量
后生成二氧化碳和水，不
污染空气，不危害人类健
康，并可以大大减少垃圾
的数量。
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地热能
• 从直接利用地热的规模 来说，最常用的是地热水淋 浴，占总利用量的1/3以上， 其次是地热水养殖和种植约 占20%，地热采暖约占13%， 地热能工业利用约占2%。 利用地热能，占地很少，无 废渣、粉尘污染，用后的弃 （尾）水既可综合利用，又 可回注到地下储层，达到增 加压力、保护储层、保护地 热资源的双重目的。
治疗等等。
• 核聚变装置对材料要求十分苛刻，
如耐中子辐射、耐高温和抗氢脆等
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能源材料
• 广义上讲，在使用能源的过程中发挥作 用的材料都是能源材料。
• 新能源材料： 1）新型二次电池材料； 2）太阳电池材料； 3）燃料电池材料； 4）其他材料：超导材料，核材料

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镁系储氢合金
• 在300-400℃和较高氢压下，Mg2Ni与氢生成 Mg2NiH4，含氢量为3.65wt％，理论储氢量可达6% ，但其稳定性强，释氢困难。
• 用Ca和A1取代部分Mg形成Mg2-xMxNi，氢比物离解速 度比Mg2Ni增大40％以上，活化容易，具有良好的 储氢性能，性质稳定。
• 利用过渡元素(M)置换Mg2Ni中的部分Ni，形成 Mg2Ni1-xMx合金(M＝V、Cr、Mn、Fe、Zn等)，也可 改善吸/释氢的速度，具有实用价值。
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储氢合金的应用
• 氢储存是储氢合金最基本的应用。 • 金属氢化物储氢密度高，采用Mg2Ni制成的储氢容器
与高压(20MPa)钢瓶和深冷液化储氢装置相比， 在储氢量相等的情况下，三者质量比为1：1.4：
1.2，体积比为1：4：1.3； 储氢合金储氢无需高压或低温设施，节省能源； 氢以金属氢化物形式存在储氢合金中，安全可靠
氢气纯化工厂
氢气纯化装置
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• 某些储氢合金的氢化物同氘、 氚化物相比，同一温度下吸释 氘氚的热力学和动力学特性有 较大差别，可用于氢同位素的 分离。
• TiNi合金吸收D2的速率为H2的 1/10 ， 将 含 7%D2 的 H2 导 入 到 TiNi合金中，每通过一次可使 D2 浓 缩 50% ， 通 过 多 次 压 缩 和 吸收，氘的浓度可迅速提高， 同时回收大量高纯H2。
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• 储氢合金电极替代NiCd电池中的Cd负极，组成镍-氢 化物电池，不但具有高能量密度，而且耐过充，放 电能力强，无重金属Cd对人体和环境的危害。
• 富勒烯(C60)和碳纳米管(CNT) 对氢气具有较强的吸附作用。
富勒烯C60
单层碳纳米管的吸氢量比活性