太陽能材料的研究和發(fā)展

1、本文由983232貢獻(xiàn)pdf 文檔可能在 WAF端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇 TXT或下載源文件到本機(jī)查看。er s i Ad a ceM alaiI v n dnula 1dsyM罌rFrm o Av nea r l oufd aed M tisea縫翡 的趼沈輝 梁宗存李戩洪1引言隨著人類社會(huì)的不斷 發(fā)展，人與 自然的矛盾也愈來愈突出。目前全世界范圍面臨的最為突出自題是環(huán)境與能源即勺換的緣故 從物理角度來講，黑色意味著光線的幾乎全部的吸 收、被吸收的光能即轉(zhuǎn)化為熱能。因此為了最大限度地實(shí)現(xiàn)太 陽能 的光熱轉(zhuǎn)換，似平用黑色的涂層材料就可滿足 了，但實(shí)際 情 況并非如此。這主要是材料本身還有

2、一個(gè)熱輻射問題。從量子物理 的理論可知，黑體輻射的波長(zhǎng)范圍大約在210 之 D1 u1 1間.黑體輻射的強(qiáng)度分布只與溫度平 波長(zhǎng)有關(guān)，輻射強(qiáng)度 的 峰 值 對(duì)應(yīng) 的波 長(zhǎng)在1 m D附近。由此可見，太陽光譜的波長(zhǎng)分布范圍基本上 與熱輻射不重 疊。 因此要實(shí)現(xiàn)最佳的太 陽能熱轉(zhuǎn)換，所采 用的材料必須滿足 以下兩個(gè)條件：在太陽光譜內(nèi)吸收光線程 度高，即有盡量高 吸收率d;在熱輻射波長(zhǎng)范匿內(nèi)有盡可能低的輻射 損失，環(huán)境惡化千能源短缺。這個(gè)問題當(dāng)然要通過各國(guó)政府采取正確13的對(duì)策來處理發(fā)展新材料廈相應(yīng)的技術(shù)，將是解決這一題最為有效的方法。事實(shí)上近年來人們對(duì)太陽能材料的研制和利用，已顯示了積極 有效的作

3、 用。這一新型二能材 料的發(fā)展.既 力 可解塊人類面臨 的能源短缺，叉不造成甄境污染 。盡管太陽能材料的成本還較高和性能還有峙進(jìn)一步提高但隨著材料學(xué) 的不斷進(jìn)步，太陽能材料愈來愈顯示了誘人的發(fā)展前景?？梢灶A(yù)見，在下個(gè)世紀(jì)，太陽能材料將扮演更為重要的角色就象 半導(dǎo)體等功能材料的發(fā)展帶來電信和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展即有盡可能低 的發(fā)射率。一般來說，對(duì)同一波長(zhǎng)而言，材料的吸收率和發(fā)射率有同樣的數(shù)值，即吸收率高貝相應(yīng)的發(fā)射率也高但吸收率d與反射率Y廈透身率t 滿足如下關(guān)系 a + v + tl =。對(duì)干不透 明材料由于t ，貝S d+ v I而對(duì)于黑 =0 -樣，太陽能材料廈相關(guān)技術(shù)也將帶來太陽能器件

4、的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，使人類在環(huán)境保護(hù)和能 源利用兩方面的午 諧達(dá)到更 加完 亡善的境界太陽能是人類取之不盡，用之不竭的可再生能源，也是清 潔能源，不產(chǎn)生任何 的環(huán)境污染。為了充分 有效地 利抖 太陽 J能，人們發(fā)展了多砷太陽能材料。按性能和用途太體上可分為光熱轉(zhuǎn)換材料，光 電轉(zhuǎn)換材料，光化學(xué)能轉(zhuǎn)換材料和光能調(diào)控色物體來說， Y D ，則q L根據(jù)以上討論，可知最有效的太 陽能光熱轉(zhuǎn)換材料是在太陽光譜范圍內(nèi)，即V2 5 有u1 v 0即卩）;而在A 2 m，即熱輻射波長(zhǎng)范圍內(nèi)，有 D v 1即 或 D ）。一般將具備這一特性的溶層材料稚為選擇性吸收材料。如不完全滿足以上條件，如在熱輻射變色材料等。由此

5、而形成太陽能光熱利 用，光電利用，光化學(xué)能利用和太陽能光能調(diào)控等相應(yīng)技術(shù)從 目前世界范匿內(nèi)經(jīng)濟(jì)渡長(zhǎng)范圍內(nèi)有較大 的值，則盡管在太陽光譜a ，仍有很大1熱輻射損失這類材料通常稱為非選擇性涂層材料。所有選 擇性吸 收涂層的構(gòu)造基本上分為兩個(gè)部份：紅外反射底層（銅鋁等高紅外反射比金屬）和太陽光譜吸收層（金屬化合發(fā)展?fàn)顩r來看，太陽能材料廈相應(yīng)利 用技術(shù)是發(fā)展最1和最有 央發(fā)展前景的高社技產(chǎn)業(yè)之一。隨著科學(xué)技術(shù)白不斷進(jìn)步將不 勺斷地出現(xiàn)更為經(jīng)濟(jì)，性 能更好的新型太 E能材料。日物或金屬復(fù)臺(tái)材料）。吸收涂層在太陽光波峰值波長(zhǎng) . 0 5 m ）耐近產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸 收，在紅外波段則 自由透過，并借助于2 太陽

6、能光熱轉(zhuǎn)換我們知道，太 陽主要以 電磁 輻射的形式結(jié)地球帶來光與熱。太陽輻射波長(zhǎng)主要分布在02 25 m 5范圍 內(nèi)。從光熱效底層的高紅外反射特性構(gòu)成選擇性涂層。實(shí)際上利用的選擇性涂層材料，多是將超細(xì)金屬顆粒分散在金屬氧化物的基體上形成黑色吸收津?qū)?。這通常采 用電化學(xué)，真空蒸發(fā)和磁控濺射等工藝來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)來講，太陽光譜中的紅外波段直接產(chǎn)生熟效應(yīng)，而絕大部份光能不能直接產(chǎn)生熱量。我們感覺在強(qiáng)烈的陽光下的溫暖和炎熱，主要是我們的衣服和皮膚吸收太陽光線，從而產(chǎn)生光熱轉(zhuǎn)在太陽能熱水器上得到廣泛應(yīng)用的太陽 能吸熱涂屜主要 有：磁控濺 射涂層，選擇性 陽極氧化涂層等。從 使用和經(jīng)濟(jì)角 度考慮，除了吸熱性能外

7、，還要產(chǎn)業(yè)論壇新蠟料產(chǎn)業(yè)2 0年0 1 月刊蒡求使用壽命要長(zhǎng)，生長(zhǎng)成本要1等。我國(guó)從8年代開始加快 了氐D太陽能的能量密度低 （0 W ）約1 o / ,而且不穩(wěn)定不連續(xù)。適應(yīng)用太 陽能 電池及相應(yīng)儲(chǔ)存技術(shù)可太面積采集、儲(chǔ)存太陽能,于人們工作和 日常生活需要。目前太陽能 電池，占主導(dǎo)市場(chǎng)的是單晶硅電池。估計(jì) 不久的將來，多晶硅薄膜電池和 非晶硅薄膜電池會(huì)逐步占領(lǐng)市場(chǎng)，并有可能最終取代單晶硅的主導(dǎo)地在太陽能吸熱材料 方面的研 究/象清華大學(xué)，北 京太陽能研究所等單位 先后研制出一系列優(yōu) 良的選擇性涂層材料 。所研制 的 黑鉆選擇性吸收涂層具有 良好的光譜選擇性，適臺(tái)應(yīng)用在工作溫度較高 的真空集熱

8、管上。研制成功的用于全玻璃真空管上鉛鋁太陽光譜選擇性吸 氨，。近來國(guó)內(nèi)外在制備工藝上主要利 用電化學(xué)和磁控濺射方法，所研位。近年來，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，不斷有新材料、新 工藝出 現(xiàn)。 象硒銦錮 電池成本低，性能穩(wěn)定也是具有很好 發(fā)展前景 的。此外作為 近年來太陽能電池發(fā)展的最新成果，納米晶太 陽化學(xué)能 電池更展現(xiàn) 了太 陽能 電池的一個(gè) 新的發(fā)展 方向。制的選擇性吸收涂層材料 向多層化，梯度化發(fā)展。如倍受重視的氮化鋁選擇性吸收涂層是新一代的吸熱涂層的代表。 從 目前 已達(dá) 到的水平來看，光熱轉(zhuǎn)換材料的性能還可進(jìn)一步提畝-這不僅需要人們不斷探索新的材料體系和制備工藝，還可在津?qū)拥牟Ａw板表面上做

9、 文章。如德國(guó)某研究所，利用全息照相技對(duì)太陽能 電池的發(fā)展進(jìn)程簡(jiǎn)單地回廄可讓我們進(jìn)一步了解材料科學(xué)對(duì)太陽能利用的至關(guān)重要的作用，并對(duì)材料研究提出更高的要求。開發(fā)太陽能電池必須面臨的問題，就是氐生產(chǎn)成本和提高材料和相關(guān)的光 電轉(zhuǎn)換效率。高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅成熟的加工處理工藝基礎(chǔ)上的。目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)單晶硅主要采用提 拉法和區(qū)熔兩種工藝。通過現(xiàn)代先進(jìn)的電池工藝，開發(fā)的單晶硅電池可分為平面單晶硅高效電池和刻槽埋柵電極單晶硅 電池。為了達(dá)到高效率的目的，在平面單晶硅中米用表面積構(gòu)化，用光刻腐蝕工藝制成倒金字塔結(jié)構(gòu)(表面開口尺寸為術(shù)，在平板蓋板表面上進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)處理，以增加太陽光透射率，減

10、少太陽能的反射損失，從而使太陽能的熱利 用效率得到了進(jìn)一步提咼。從技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)來看，最簡(jiǎn)單也最實(shí)際 的途徑就是把 太陽能轉(zhuǎn) 換成熱能加以利用。事實(shí)上太陽能光熱轉(zhuǎn)換是目前世 界范圍內(nèi)太陽能 利用的一種最普及最主要 的形式。我國(guó)已成為世界上生產(chǎn)太陽能熱水器最 多的國(guó)家，時(shí)也是世界上最大的太陽能熱水器市場(chǎng)?？?預(yù)見，太 陽能熱水器將是不可取代的 太陽能利 用形式。1 1 帕再進(jìn)行發(fā)射區(qū)鈍化和分區(qū)摻雜處理。 所迭到的光電轉(zhuǎn)0X0換效率可達(dá)到2 魄左右。對(duì)刻槽埋柵電極單晶硅 電池，則利用單 晶 硅的各向異性，通過化學(xué)腐蝕方法在電池表面形成大小不同的金字塔錐體/再加上立 埋柵電極等措施 也可將轉(zhuǎn)換效率

11、提高 惜3太陽能光電轉(zhuǎn)換太陽能光電轉(zhuǎn)換主要是半導(dǎo)體材料為基石，利用光照產(chǎn)出生電子一 空定對(duì)，在P結(jié)上可以產(chǎn)生光電流和光電壓的現(xiàn)象 (N光到2% 0左右?，F(xiàn)在單晶硅的電池工藝已近成熟，提高轉(zhuǎn)換效率主要是靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。近斯國(guó)外有關(guān)單位又通過表面納米構(gòu)造減反射處理 使單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率已達(dá)2虢左右?？偟膩砜磫尉Ч桦姵匦视锌赡苓€會(huì)提高到接近2鼉5伏效應(yīng)），從而實(shí)現(xiàn)太 陽能光 電轉(zhuǎn)換的 目的。通常所用的半導(dǎo) 體 材料為硅、銘和 1【V I 一化臺(tái)物等。一般對(duì)太陽能電池材料有如下一些要求：要充分利用太陽能輻射，即半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬，否貝 太陽能輻射利 用率太低；有較高的光電

12、轉(zhuǎn)換效率；材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染；材料便于工業(yè)化生產(chǎn) 且材料 性能穩(wěn)定。能達(dá)到這幾條 要求的主要有錯(cuò) 硅、砷化稼、硫化銅 銻化鎘等。特 別象錯(cuò)、硅、砷化稼等的禁帶寬度相當(dāng)干近紅外線的光子，對(duì)這樣的半導(dǎo)體/太陽光譜的大部分，包括各種可見光都可以用來產(chǎn)生電子一穴對(duì)但考慮到只有禁帶寬 空左右。但由于單晶硅生產(chǎn)工藝復(fù)雜廈相應(yīng)的繁瑣的電池工藝，致使單晶硅電池成本居高不下，困此要大規(guī)模推f/ 陽能電池靠單 - /晶硅是不可能做到的。近年來，多晶硅薄膜電池 由于成本較 低，且轉(zhuǎn)變效率也較高（51 而得到了迅速發(fā)展。目前制備多晶硅薄膜多栗用快1 8速熱化學(xué)氣相沉積（丁 V ）和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 R

13、CD （E V） PCD工藝 化學(xué)氣相沉積主要是以三氯氫硅 （1 C ，四 S H I氯化硅（I 1或硅烷（i 等為原料，在真空石英管反應(yīng)室C ） S 1）內(nèi)沉稠而成薄膜厚度可得到精確控制，襯底材料一 般選用度在05 .電子伏特的半導(dǎo)體才有較高的光 電轉(zhuǎn)換效率，因 .一15此硅 砷化稼等是理想的電池材料而銻化鎘由于鎘是有毒元紊，其應(yīng)用受到一定限制。再從原料資源、生產(chǎn)工藝和性能穩(wěn)S s0 S等。近些年來 一種以冶金級(jí)硅粉制作的顆粒1 1皿1硅帶為襯底的多晶硅 薄膜 電池 引人注目，這為發(fā)展低價(jià) 長(zhǎng)壽 電 池找到了一條新路子。制備 多晶硅薄膜電池的關(guān)鍵就是再結(jié)定性等方面綜臺(tái)考慮，硅是最臺(tái)適最理想的

14、太陽能 電 池材料，這也是為什么太陽能電池主要 硅材料為主 原因 太陽能光 電 利用是近些年發(fā)展最快，最具活力的研究領(lǐng)域。從太陽能的特點(diǎn)和使用方便性而言，太 陽能電池的 出現(xiàn)和發(fā)展是標(biāo)志人類用太陽能達(dá)到的個(gè)新的發(fā)展階段。眾所周知，在地球表面晶工藝，現(xiàn)在幾乎所有制備單晶硅高效電池的技術(shù)部用于制備多晶硅薄膜 電池的工藝上 多晶硅薄膜電池將最終取代單晶硅電池，而作為 市場(chǎng) 的主導(dǎo)產(chǎn)品?，F(xiàn)在非晶硅 電池研究也取得 了突破性進(jìn)展。美國(guó)聯(lián)合太陽能系統(tǒng)公司以不銹鋼板作襯底，采用單層，雙層、三層本征非Avne Maei lnutya 0/Ojd a cd t 1 s d s rd t ra s ol um o

15、f Adva neeMa e idsr n u ti For昌硅薄膜結(jié)構(gòu)，使非晶硅電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 91 蕊，估計(jì)不久 將會(huì)達(dá)到1%目標(biāo)?？梢灶A(yù) 見，由于更低的生產(chǎn)成本和較高 5 的的轉(zhuǎn)換效率，非晶硅 電池也將是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之反向時(shí)，則產(chǎn)生與上述相反 的過程，即電子和離子從著色的電致變色層內(nèi)抽 出而使其退色與電致變色系統(tǒng)相 比，氣致變色系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和調(diào)光范圍寬（5的特點(diǎn)。氧化鎢薄膜也是性能優(yōu) 良的氣致變色5 7神材料。氣致變色系統(tǒng)主要 由雙層薄膜構(gòu)成，即在平板玻璃上 先沉積氧化鎢，然后沉淀一層催化劑層，催化劑層與另一平板玻璃保持一定間隙。著色時(shí)充含有微 量氫氣的惰性氣體即可，退

16、色則充氧氣或空氣就可實(shí)現(xiàn)。變色原理是基于氧化還原反應(yīng)和氧化鎢的變價(jià)特性。有很好的市場(chǎng)發(fā)展 前景。硒銦銅多晶薄膜 電池的效 率穩(wěn)定在1砩左右，其成本較硅材料 電池都低，并且易于規(guī)模 生產(chǎn) 硒銦銅電池 由很薄的四層 材 料構(gòu)成，其中每一層都只有紙張厚 度白12 。在太陽光照射 勺/0下，由中間兩層發(fā) 電，上下兩層將 電導(dǎo)出。幾百平方米面積的這種電池重量只有5 左右但這種電池所用材料由于硒、銦 0都是比較稀有的元素，因此這類電池發(fā)展將受到一定限制 不管是 硅材料 電池，還是硒銦銅電池， 由于制備TE_ 資源 ；n問題 成本 柯 能降得很低 最近受到國(guó)內(nèi)外科學(xué)家高度重視的納米昌二氧化鈦乂化學(xué)能電池顯示

17、了更好的發(fā)展前景這種新型電池以納米多孔二氧化鈦為半導(dǎo)體電極、蹦睦渡金屬以及0等有捫化臺(tái)物作染料，并選用適當(dāng)?shù)难趸?S還原電解質(zhì)。其光電轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到1 嘴以上，制備威本僅為硅太陽能電池的1/511壽命能達(dá)到2 年以上。這類太陽能化學(xué)能電池的研制和./00開發(fā)，必將對(duì)人類太陽能利用起 巨大的促進(jìn)作用 從太陽能 電池的發(fā)展歷史來 看，材料研 究起決 定性 的作 用，每一新材料 的出現(xiàn)，都給太 陽能 電池及太 陽能光 電 利用帶 來一次變革。隨著新材料，新工藝的不斷 出現(xiàn)，太陽能 電池的 效率及穩(wěn)定性等將會(huì)得到進(jìn)一步提高最近穗國(guó)夫和費(fèi)太陽能系統(tǒng)研究所研制氣致變色系統(tǒng)有突破性進(jìn)展，所推出的樣品為帶有

18、兩個(gè)變色單元的房門，每個(gè)變 色單 元的面積 為80 x 00 ,其變色退色過程在幾秒鐘之內(nèi)0 0一 即完成，并且在變色3 。歡后性能仍保持穩(wěn)定，其樣品在9 年 0 07德國(guó)漢諾威博覽會(huì)上倍受注目估計(jì)不久這一變色系統(tǒng)將不斷成熟，不斷完善。電致變色，氣致變色這類太陽能調(diào)控變色材料具有很 好的 研究前景 和廣闊的應(yīng)用范 圍，如可用于交通工具的門窗，建筑物的門窗以及作為顯示器件等。至今為此，這類材 料變色機(jī)理和制備工藝還有待進(jìn)一步 研究，特別是變色系統(tǒng)有待于進(jìn)一步簡(jiǎn)化、優(yōu)化，相信 不久 的 將來，這類材料將很快進(jìn)人實(shí)用化階段，使人們 利用太陽能 的形式 向智能化發(fā)展。5結(jié)束語4太陽光調(diào)控變色以上就與太

19、陽能材料的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了撬述?？偟膩砜?， 太陽光調(diào)控變色材料，如電致變色和氣致變色材料也是太陽能材料家族的重要成員 這類材料的出現(xiàn)，標(biāo)致人類利 用太 陽能的水 平的進(jìn)一步提高 電致變色材料 在國(guó)外已有很長(zhǎng)的研究歷史。在近些年，由于真空技術(shù)和薄膜工藝技術(shù)的進(jìn)步， 電致變色材料也成 了太陽能材料的一個(gè)研究熱點(diǎn)?，F(xiàn) 已清楚，許多金屬氧化物都是優(yōu) 良 的 電致變色材料，如氧化 鎢、氧化鎳、氧化鉬等，但性能最好的當(dāng)屬氧化鎢目前氧化鎢薄膜的制備工藝主要有真空蒸發(fā)，磺控濺射和濕化學(xué)法等電致變色材料可用于建筑物太陽光調(diào)太陽能利 用的水平，最終取決于太陽能材料的發(fā)展水平。新材料、新工藝的出現(xiàn) 可進(jìn)一步提高人類利

20、 用太 陽能的水平。象 太陽能 電池和太陽能調(diào)控材 料和系統(tǒng)，正在和 即將形成一個(gè) 大 規(guī)模的高科技產(chǎn)業(yè) 從科學(xué)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展來看，這部是具有重大意義的a歐美有百萬屋頂發(fā)電計(jì)劃并在制定太空發(fā)電戰(zhàn)略，我國(guó)正在西部地區(qū)實(shí)施陽光發(fā) 電工程。如能利用太陽能 電池發(fā)展太陽能電動(dòng)汽車，不僅能節(jié)省大量礦物燃料，而且能從根本上改善環(huán)境污染狀況。從發(fā)展經(jīng)濟(jì)、提高 產(chǎn)品檔次和開發(fā)新產(chǎn)品來看，太陽能 材料及相應(yīng)技術(shù)產(chǎn)品也是有廣闊發(fā)展前景 的。象 太 陽能電視 ，冰箱及 太陽能加工技術(shù) ，都具有廣闊的市場(chǎng)，將 給我國(guó)經(jīng)濟(jì)帶來活力和新的經(jīng) 濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn) 。太 陽能利用 日益與建 筑結(jié)合在一起，建筑材料也有 向功 能化發(fā)展 的趨

21、勢(shì) 而太陽能 利用就是一個(gè)重要的結(jié)臺(tái)對(duì) 象 如能結(jié) 臺(tái)太陽能利用特點(diǎn)，可控變色材料，透光調(diào)節(jié)范圍1 0 這對(duì)于夏季防止室 內(nèi)熱 O5%0 過和降低室內(nèi)空調(diào) 電能消耗具有重要作 用，是一種 很好的光能調(diào) 控 節(jié)能材料 。但 電 致變色系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般 需要五層 薄膜結(jié)構(gòu)，即分別在兩平板玻璃 內(nèi)表面積透明導(dǎo)電層電極在 每一 電極上沉積氧化 鎢變色系置于膜層中間的為離子導(dǎo)體膜 或 電解液。 電致變色的工作原理為，在外加 電壓的作用下，通 過透明導(dǎo)電層提供的 電子和存貯在一邊的電致變色層的并經(jīng)離子導(dǎo)體層以快 離子方式傳輸?shù)恼x 子共同注人另一邊的電致變色層，并使其發(fā)生氧化還原的電化學(xué)反應(yīng)而著色

22、。當(dāng)旄壓 電壓開發(fā)更 多的新產(chǎn)品。象 電 致變色，氣致變色材料就是值得開發(fā)的高科技新型建材產(chǎn)品 通過 利用這些太陽能建材， 使人們將 建筑 物與太陽能利用得到完善的結(jié)臺(tái)。國(guó)外已建有多種太陽能住宅，我們只要從中吸取相關(guān)技術(shù)推廣應(yīng)用就 可很好地造福于人類和大 自然 。1 本文由 sunp_lsj 貢獻(xiàn)doc 文檔可能在 WAF端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇 TXT或下載源文件到本機(jī)查看。太陽能材料的研究和發(fā)展 引言 隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，人與自然的 矛盾也愈來愈突出。目前全世界范圍面臨 的最為突出的問題是環(huán)境與能源， 即環(huán)境惡化和能源短缺。這個(gè)問題當(dāng)然要通過各國(guó)政府采取正確的對(duì)策來處理，發(fā)展新材

23、料及相應(yīng)的技術(shù).將是解決這一問題最為有效的方法。事實(shí)上近年來人們對(duì)太陽能材料的研制和利用，已顯示了積極有效的作用。這一新型功能材料的發(fā)展，既可解決人類面臨的能源短缺，又不造成環(huán)境污染。盡管太陽能材料的成本還較高和性能還有待進(jìn)一步提高，但隨著材料 科學(xué)的不斷進(jìn)步，太陽能材料愈來愈顯示了誘人的發(fā)展前景?？梢灶A(yù)見，在 下 個(gè)世紀(jì)，太陽能材料將扮演更為重要的角色。就象半導(dǎo)體等功能材料的 發(fā)展帶來電信和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展一樣，太陽能材料及相關(guān)技術(shù)也將帶來太陽能器 件的產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展， 使人類在環(huán)境保護(hù)和能源利用兩方面 的和諧達(dá)到更加完善的 境界。大陽能是人類取之不盡，用之不竭的可再生 能源，也是清潔能

24、源，不產(chǎn)生任何的 環(huán)境污染。為了充分有效地利用太陽 能，人們發(fā)展了多種太陽能材料。按性能和用途大體上可分為光熱轉(zhuǎn)換材料，光電轉(zhuǎn)換材料，光化學(xué)能轉(zhuǎn)換材料和光能調(diào)控變色材料等。由此而形成太陽能光熱利用，光電利用，光化學(xué)能利用和太陽能光能調(diào)控等相應(yīng)技術(shù)。從目前世界范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r來看，太陽能材料及相應(yīng)利用技術(shù)是發(fā)展最快和最有發(fā)展前景的高科技產(chǎn)業(yè)之一。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，將不斷地出現(xiàn)更為經(jīng)濟(jì)，性能更好的新型太陽能材料。本文主要綜述和評(píng)估 近年來國(guó)內(nèi)外太陽能材料的發(fā)展?fàn)顩r，主要涉及光熱轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)換及變色 材料 的最新研究動(dòng)態(tài)和發(fā)展前景，并對(duì)國(guó)內(nèi)發(fā)展大陽能材料及相應(yīng)技術(shù)，提出一些看 法。 2 太陽

25、能光熱轉(zhuǎn)換 我們知道，太陽主要以電磁輻射的形 式給地球帶來光與熱。太陽輻射波長(zhǎng)主要分布在0 .卩m范圍內(nèi)。從光熱效應(yīng)來講，太陽光譜中的紅外波段直接產(chǎn)生 熱。 由此可見，太陽光譜的波 長(zhǎng)分布范圍基本上與熱輻射不重疊。因此要實(shí)現(xiàn)最佳的 太陽能熱轉(zhuǎn)換，所 采用的材料必須滿足以下兩個(gè)條件：在太陽光譜內(nèi)吸收光線程度高，即有盡量高的吸收率 a ； 在熱輻射波長(zhǎng)范圍內(nèi)有盡可能低的輻射損失， 即 有盡可能低的發(fā)射率 。一般來說，對(duì)同一波長(zhǎng)而言，材料的吸收率和發(fā) 射 率有同樣的數(shù)值，即吸收率高則相應(yīng)的發(fā)射率也高。但吸收率 a 與反射 率Y及 透射率t滿足如下關(guān)系：a+Y+ t=l。對(duì)于不透明材料由于t=0, 則

26、a +Y =1。而 對(duì)于黑色物體來說，Y0,則al。根據(jù)以上討論，可知 最有效的太陽能光熱 轉(zhuǎn)換材料是在太陽光譜范圍內(nèi)，即入v 2.5卩m有a 1 （即0）;而在 入 2卩m即熱輻射波長(zhǎng)范圍內(nèi)，有0（即Yl或a0）。一般將具備這一 特性的涂層材料稱為選擇性吸收材料。如 不完全滿足以上條件，如在熱輻射波長(zhǎng) 范圍內(nèi)。 有較大的值，則盡管在 太陽光譜a -1,仍有很大的熱輻射損失。這 類材料通常稱為非選擇性涂層 材料。 所有選擇性吸收涂層的構(gòu)造基本上分為兩個(gè) 部份：紅外反射底層（銅、鋁等高紅外反射比金屬）和太陽光譜吸收層（金屬化 合物或金屬復(fù) 合材料）。吸收涂層在太陽光波峰值波長(zhǎng)（卩 m附近產(chǎn)生強(qiáng)烈

27、 的吸收，在 紅外波段則自由透過，并借助于底層的高紅外反射特性構(gòu)成選擇性涂 層。 實(shí)際上利用的選擇性涂層材料， 多是將超細(xì)金屬顆粒分散在金屬氧化物的基 體上形成黑色吸收涂層。 這通常采用電化學(xué)， 真空蒸發(fā)和磁控濺射等工藝 來實(shí)現(xiàn)。在太陽能熱水器上得到廣泛應(yīng)用的太陽能吸熱涂層主要有： 磁控濺射涂 層，選擇 性陽極氧化涂層等。從使用和經(jīng)濟(jì)角度考慮，對(duì)光熱轉(zhuǎn)換材料的 基本要求，除了 吸熱性能外，還要求使用壽命要長(zhǎng)，生產(chǎn)成本要低等。我 國(guó)從 80 年代開始加快 了在太陽能吸熱材料方面在研究，象清華大學(xué)，北 京太陽能研究所等單位先后研 制出一系列優(yōu)良的選擇性涂層材料。 所研制 的黑鈷選擇性吸收涂層具有良

28、好的光 譜選擇性，適合應(yīng)用在工作溫度較高 的真空集熱管上。研制成功的用于全玻璃真 空管上鋁 -氮/ 鋁太陽光譜選擇 性吸收涂層也具有很好的性能參數(shù)。 近來國(guó)內(nèi)外在 制備工藝上主要利用電 化學(xué)和磁控濺射方法， 所研制的選擇性吸收涂層材料向多 層化，梯度化發(fā) 展。如倍受重視的氮化鋁選擇性吸收涂層是新一代有吸熱涂層的 代表。從 目前已達(dá)到的水平來看，光熱轉(zhuǎn)換材料的性能還可進(jìn)一步提高，這不僅 需 要人們不斷探索新的材料體系和制備工藝， 還可在涂層的玻璃蓋板表面上 做文 章。 如德國(guó)某研究所， 利用全息照相技術(shù)， 在平板蓋板表面上進(jìn)行 納米結(jié)構(gòu)處理， 以增加太陽光透射率，減少太陽能的反射損失，從而使太

29、陽能的熱利用效率得到 了進(jìn)一步提高。從技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)來看，最簡(jiǎn)單 也最實(shí)際的途徑就是把太陽能 轉(zhuǎn)換成熱能加以利用。 事實(shí)上太陽能光熱轉(zhuǎn) 換是目前世界范圍內(nèi)太陽能利用的一 種最普及最主要的形式。我國(guó)已成為 世界上生產(chǎn)太陽能熱水器最多的國(guó)家，同時(shí) 也是世界上最大的太陽能熱水 器市場(chǎng)?？梢灶A(yù)見，太陽能熱水器將是不可取代的 太陽能利用形式。與國(guó) 內(nèi)其它省區(qū)相比，盡管廣東地區(qū)有著豐富的太陽能資源， 但太陽能熱水器 的利用和普及還有相當(dāng)?shù)牟罹?。就環(huán)保這一點(diǎn)來考慮，在廣東省 大力推廣 太陽能熱水器利用就大有必要。這除了政府應(yīng)推出相應(yīng)政策外，對(duì)熱水本身也是提出了更高的要求， 特別是光熱轉(zhuǎn)換材料的性能更需進(jìn)一

30、步發(fā)展提 高，以使太陽能熱水器的性能， 壽命和使用效果更能得到人們普遍認(rèn)可 3 太 陽能光電轉(zhuǎn)換 太陽能光電轉(zhuǎn)換主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，利用光照產(chǎn)生 電子- 空穴對(duì)，在 PN 結(jié)上可以產(chǎn)生光電流和光電壓的現(xiàn)象(光伏效應(yīng)) ，從 而實(shí)現(xiàn)太陽能光電轉(zhuǎn)換的 目的。通常所用的半導(dǎo)體材料為硅、鍺和 Ill V 化合物等。一般對(duì)太陽能電池 材料有如下一些要求：要充分利用太陽能輻 射，即半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬， 否則太陽能輻射利用率大低；有較高 的光電轉(zhuǎn)換效率；材料本身對(duì)環(huán)境不造成污 染；材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材 料性能穩(wěn)定。能達(dá)到這幾條要求的主要有鍺、硅、 砷化鎵、硫化銅，銻化 鎘等。特別象鍺、硅、砷化

31、鎵等的禁帶寬度相當(dāng)于近紅外 線的光子，對(duì)這 樣的半導(dǎo)體，太陽光譜的大部份，包括各種可見光都可以用來產(chǎn)生電子- 空穴對(duì)。 但考慮到只有禁帶寬度在 電子伏特的半導(dǎo)體才有較高 的光電轉(zhuǎn) 換效率，因此硅、砷化鎵等是理想的電池材料。而銻化鎘由于鎘是有毒 元 素，其應(yīng)用受到一定限制。再從原料資源、生產(chǎn)工藝和性能穩(wěn)定性等方面綜 合 考慮，硅是最合適最理想的太陽能電池材料，這也是為什么太陽能電池 主要以硅 材料為主的原因。太陽能光電利用是近些年發(fā)展最快，最具活力 的研究領(lǐng)域。從 太陽能的特點(diǎn)和使用方便性而言， 太陽能電池的出現(xiàn)和發(fā) 展是標(biāo)志人類利用太陽 能達(dá)到的一個(gè)新的發(fā)展階段。眾所周知，在地球表 面太陽能的

32、能量密度低 ( l000w/m2) 而且不穩(wěn)定不連續(xù)。 ， 用太陽能電 池及相應(yīng)儲(chǔ)存技術(shù)可大面積采集、 儲(chǔ)存大陽能，以適應(yīng)于人們工作和日常 生活需要。目前大陽能電池，占主導(dǎo)市場(chǎng) 的是單晶硅電池。估計(jì)不久的將 來多晶硅薄膜電池和非晶硅薄膜電池會(huì)逐步占 領(lǐng)市場(chǎng)，并有可能最終取 代單晶硅的主導(dǎo)地位。近年來，隨著材料科學(xué)的發(fā)展， 不斷有新材料、新 工藝出現(xiàn)。象硒銦錮電池成本低性能穩(wěn)定也是具有很好發(fā)展前景的。此外作為近年來太陽能電池發(fā)展的最新成果，納米晶太陽化學(xué) 能電池更 展現(xiàn)了太陽能電池的一個(gè)新的發(fā)展方向。對(duì)太陽能電池的發(fā)展進(jìn) 程簡(jiǎn)單地回顧， 可讓我們進(jìn)一步了解材料科學(xué)對(duì)太陽能利用的至關(guān)重要的 作用，

33、 并對(duì)材料研究提 出更高的要求。開發(fā)太陽能電池必須面臨的問題， 就是降低生產(chǎn)成本和提高光電 轉(zhuǎn)換效率。 高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì) 量單晶硅材料和相關(guān)的成熟的加工處 理工藝基礎(chǔ)上的。目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)單 晶硅主要采用提拉法和區(qū)治兩種工藝。通過 現(xiàn)代先進(jìn)的電池工藝， 開發(fā)的 單晶硅電池可分為干面單晶硅高效電池和刻槽埋柵 電極單晶硅電池。為了 達(dá)到高效率的目的，在平面單晶硅中采用表面積構(gòu)化，用 光刻展過工藝制 成倒金字塔結(jié)構(gòu)（表面開口尺寸為 io x io卩m再進(jìn)行發(fā)射區(qū) 鈍化和分區(qū) 摻雜處理。所達(dá)到的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到 20 左右。對(duì)刻槽埋柵電 極單晶 硅電池，則利用單晶硅的各向異性， 通過化學(xué)腐

34、蝕方法在電池表面形成大 小 不同的金字塔錐體， 再加上刻槽埋柵電極等措施， 也可將轉(zhuǎn)換效手提高到 2o 左右?，F(xiàn)在單昌硅的電池工藝已近成熟，提高轉(zhuǎn)換效率主要是靠單晶 硅表面微結(jié) 構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。近期國(guó)外有關(guān)單位又通過表面納米構(gòu) 造減反射處理，使 單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到 23 左右。總的來看單晶硅 電池效率有可能還會(huì)提 高到接近 25 左右。 但由于單晶硅生產(chǎn)工藝復(fù)雜及 相應(yīng)的繁瑣的電池工藝，致 使單晶硅電池成本居高不下。 因此要大規(guī)模推 廣太陽能電池靠單晶硅是不可能做 到的。近年來，多晶硅薄膜電池由于成 本較低且轉(zhuǎn)變效率也較高（ i 5 i 8） 而得到了迅速發(fā)展。目前制備多品硅薄膜多

35、采用快速熱化學(xué)氣相沉積( RTCVD) 和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉 積(PECVD工藝?；瘜W(xué)氣相沉積主要是以三氯氫硅(SiHCI3 )、四氯化硅(SiCI4 )或硅烷(SiH4)等為原料，在真空石英管反應(yīng)室 內(nèi)沉積而成。薄膜 厚度可得到精確控制，襯底材料一般選用 si 、 SiO2 及 Si3N4 等。近些年 來，一種以冶金級(jí)硅粉制作的顆粒硅帶為襯底的多晶硅薄膜電池引人 注目， 這為發(fā)展低價(jià)、 長(zhǎng)壽電池找到了一條新路子。 制備多晶硅薄膜電池的關(guān)鍵 就 是再結(jié)晶工藝， 現(xiàn)在幾乎所有制備單晶硅高效電池的技術(shù)都用于制備多晶 硅薄 膜電池的工藝上。多晶硅薄膜電池將最終取代單晶硅電池，而作為市 場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)

36、 品?，F(xiàn)在非晶硅電池研究也取得了突破性進(jìn)展。美國(guó)聯(lián)合大陽 能系統(tǒng)公司以不銹 鋼板作襯底，采用單層、雙層、三層本征非晶硅薄膜結(jié) 構(gòu)，使非晶硅電池轉(zhuǎn)換效 率達(dá)到 913，估計(jì)不久將會(huì)達(dá)到 15 的目標(biāo)。 可以預(yù)見，由于更低的生產(chǎn)成 本和較高的轉(zhuǎn)換效率，非晶硅電池也將是太 陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一，有很 好的市場(chǎng)發(fā)展前景。 硒銦銅多晶薄膜 電池的效率穩(wěn)定在 15 左右，其成本較硅材料電池都低，并且 易于大規(guī)模 生產(chǎn)。硒銦銅電地由很薄的四層材料構(gòu)成，其中每一層都只有紙張厚 度的 1/20 。在太陽光照射下， 由中間兩層發(fā)電， 上下兩層將電導(dǎo)出。 幾百平方 米 面積的這種電池重量只有 50kg 左右。

37、但這種電池所用材料由于硒、銦都是 比 較稀有的元素，因此這類電池發(fā)展將受到一定限制。不管是硅材料電池， 還是硒 銦銦電池，由于制備工藝和資源問題，成本不可能降得很低。最近 受到國(guó)內(nèi)外科 學(xué)家高度重視的納米晶二氧化鈦(TiO2)化學(xué)能電池，顯示 了更好的發(fā)展前景。 這種新型電池以納米多孔二氧化鈦為半導(dǎo)體電極、 以 過渡金屬 Ru 以及 Os 等有機(jī) 化合物作染料， 并選用適當(dāng)?shù)难趸?-還原電解 質(zhì)。其光電轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到 10 以 上，制備成本僅為硅太陽能電池的 1/5-l/l0 ，壽命能達(dá)到 20 年以上。這類太陽 能化學(xué)能電池的研制和開發(fā)， 必將對(duì)人類太陽能利用起巨大的促進(jìn)作用。 從太陽 能電

38、池的發(fā)展歷史來看， 材料研究起決定性的作用，每一新材料的出現(xiàn)，都給太 陽能電池及太陽能 光電利用帶來一次變革。隨著新材料，新工藝的不斷出現(xiàn)，太陽能電池的效率及穩(wěn)定性等將會(huì)得到進(jìn)一步提高。 4 太陽光調(diào)控變色 太陽光調(diào)控變色材料， 如電致變色和氣致變色材料也是太陽能材料家族的 重要成 員。這類材料的出現(xiàn)， 標(biāo)致人類利用太陽能的水平的進(jìn)一步提高。 電 致變色材料在國(guó)外已有很長(zhǎng)的研究歷史。在近些年，由于真空技術(shù)和薄膜工 藝 技術(shù)的進(jìn)步，電致變色材料也成了大陽能材料的一個(gè)研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)已清 楚，許多 金屬氧化物都是優(yōu)良的電致變色材料，如氧化鎢、氧化鎳、氧化 鋁等，但性能最 好的當(dāng)屬氧化鎢。目前氧化鎢薄膜的制備工藝主要有真空 蒸發(fā)磁控濺射和濕化 學(xué)法等。電致變色材料可用于建筑物太陽光調(diào)控變 色材料，透光調(diào)節(jié)范圍為 10 50，這對(duì)于夏季防止室內(nèi)過熱和降低室內(nèi) 空調(diào)電能消耗具有重要作用，是一 種很好的光能調(diào)控節(jié)能材料。但電