材料科學前沿讀書報告

1、材料科學前沿讀書報告專業(yè)：材料工程專業(yè)班級：SJ1162班學號：201130184004姓名：楊艷鴿專題名稱：太陽能相關材料的發(fā)展現狀及前景評語：分數：批閱人：日期：題 目：太陽能相關材料的發(fā)展現狀及前景摘要本文總結了國內外參考文獻中關于太陽能相關材料的歷史及前沿，列舉了不 同類型的太陽能材料的實例，對部分相關材料的特色和發(fā)展狀況做了概括性分 析，發(fā)現了一些問題，最后就這些問題提出一些建議并對太陽能材料的前景作了 展望。關鍵詞：太陽能材料前沿Abstract:Title: The development status and future of solar energy related mat

2、erialsAbstract:This paper summarizes the history and front of on solar energy related materials by referring to the domestic and foreign bibliographies, lists the different types of solar material examples, introduces part of the relevant material about the characteristics and the development in the

3、 concise analysis, found some problems, and finally puts forward some proposals on these issues and point out that the prospect of solar materials is prospected.Keywords: solar energy materials front第1章前言近年來，隨著化石燃料的匱乏和污染的加重，綠色可再生新能源得到迅猛發(fā) 展，尤其是近兩年來，隨著國際石油價格大幅波動以及京都議定書的生效， 新能源發(fā)展得到世界許多國家的廣泛關注，成為國際能源領域的

4、熱點。而太陽能 在越來越多領域的應用必然性地帶動了其相關材料行業(yè)的崛起。因此，本文講對 太陽能材料的發(fā)展現狀及前景進行考察和總結。1.1利用太陽能資源的利弊太陽能區(qū)別于化石燃料等不可再生資源，是一種非常好的可再生綠色能源。 除具有資源普遍、儲量巨大、無害清潔這些特點之外，它還是一種一種用之不竭 的資源。但目前太陽能還存在一些暫時很難克服的缺點。它分布分散，總量大但能 流密度低；不穩(wěn)定，受自然條件影響大；效率低且成本高，經濟性還不能與常規(guī) 能源相競爭。這些缺點（尤其經濟性差）在很大程度上制約著太陽能利用的進一 步發(fā)展和大規(guī)模應用。1. 2太陽能的利用歷史與現狀據記載，人類利用太陽能已有3000多

5、年的歷史。將太陽能作為一種能源和 動力加以利用，只有300多年的歷史。真正將太陽能作為“近期急需的補充能 源”，“未來能源結構的基礎”，則是近來的事。20世紀70年代以來，太陽能 科技突飛猛進，太陽能利用日新月異。而進入80年代后，世界石油價格大幅回 落，而太陽能產品價格居高不下，缺乏競爭力；太陽能技術沒有重大突破，提高 效率和降低成本的目標沒有實現，以致動搖了一些人開發(fā)利用太陽能的信心；核 電發(fā)展較快，對太陽能的發(fā)展起到了一定的抑制作用。1992年至今，由于化石 燃料對環(huán)境的污染日益嚴重，太陽能這一綠色能源又重新被人們重視起來?？傊?， 20世紀取得的太陽能科技進步仍比以往任何一個世紀都快。太

6、陽能已經在越來越多的領域得到應用，已經從軍事、航天領域進入工業(yè)、 商業(yè)、農業(yè)、通信、家用電器及共用設施等部門，尤其可以分散地在邊遠地區(qū)使 用。其專業(yè)研究方面可以概括為是兩個:光利用與熱利用。光利用即將太陽能 轉化為電能，在實際中表現為光電池的應用，如為照明、小型電器或交通工具等 供電、光伏發(fā)電等；熱利用即將太陽能轉化為熱能，主要用于建筑用能（熱水、取暖、空調）以及太陽能熱發(fā)電等。第2章主題部分2. 1太陽能相關材料的發(fā)展現狀太陽能相關材料主要即光電池所采用的材料。目前國際上已經從晶體硅、薄 膜太陽能電池開發(fā)進入了有機分子電池、生物分子篩選乃至于合成生物學與光合 作用生物技術開發(fā)的生物能源的太陽

7、能技術新領域。14,直2.1.1太陽能相關材料的分類根據所用材料的不同，太陽能電池可分為:以非晶硅、多晶硅和單晶硅為材 料的硅太陽能電池;以III-V族化合物半導體如GaAs、InP等多元化合物為材料 的太陽能電池;以銅鋼硒（CuInSe2簡寫為CIS）為材料生產的太陽能電池;以 其他材料生產的太陽能電池;太陽能相關材料也相應地分為以上四類。，據國外幾個著名實驗室對各種光電池的綜合評價1，其中以GaAs光電池的 轉換效率最高，折疊式有機半導體的使用最方便，以硅太陽能電池生產最為普遍。 現階段太陽能以光電效應工作的薄膜式太陽能電池為主，而以化學效應工作的濕 式太陽能電池為新生種類。其中薄膜材料指

8、用硅、硫化鎘、神化鎵等薄膜為基體的材料。而薄膜太陽能 又分為：非晶硅、微晶硅、化合物半導體II-VI族CdS、CdTe （碲化鎘）、CuInSe2、 染料敏化太陽能電池、有機導電高分子、CIGS （銅鋼硒化物）等。薄膜太陽能具 有很多有點：由于其所使用的半導體原料遠較一般太陽能電池為少，且可以使用 在價格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當基板來制造，因此 可解決太陽能電池價格高昂的問題；轉化率高，目前轉換效率最高以可達13%； 具有可撓性可以制作成非平面構造使其應用范圍更大等。，2.1.2太陽能相關材料的前沿進展由于太陽能電池的發(fā)展有連個趨勢1： 一方面不斷擴大新的領域應用形式，

9、 應用空間;另一方面就是朝最優(yōu)化方面突破。因此其相關材料也正分別朝著廣度 和深度兩方面進行發(fā)展。人們已經將太陽能電池設計成不同形式或可變形的結構，并且可以將其應用 在更多類型的空間和領域。10例如，近年來應用于建筑采光及供電系統的地毯式 太陽能；北京市針對市內面積緊缺的問題，將太陽能“垂蓮”設置在水上進 行光伏供電皿】11。人們對于太陽能相關材料進行著不斷的優(yōu)化。1991年，自然雜志報道了 瑞士科學家模擬植物光合作用，發(fā)明出世界上第一塊染料敏化太陽能電池。2008 年我國華東師范大學科研人員利用納米材料成功“再造”“葉綠體”，其實質是優(yōu) 化了的染料敏化太陽能電池。相似葉綠體將光能轉化成化學能，

10、這種電池可將光 能轉化成電能。它具有“三明治”式的結構mi 中空玻璃夾著層納米“夾心”， 光電轉化即發(fā)生在這幾十微米的復合薄膜中。只要改進該納米“夾心”中的“作 料”(一種納米熒光材料制成的量子點)，就能不斷提高電池的光電轉化率。2010 年，在當年的美國科學學會上我國科學家為這片葉子貼上了 “中國制造”的標 簽。遺憾的是，這些成果都沒有進入實用領域，不是因為造價太昂貴，就是因為 不穩(wěn)定易銹蝕。幾乎同時，美國科學家也在進行這項研究，并且部分地解決了這一問題。該 發(fā)明來源于1972年日本學者藤島昭和他的導師共同在科學雜志上發(fā)表的后 來被奉為光催化概念的經典之作的一篇論文；繼承于1998年美國科羅

11、拉多州國 家可再生能源實驗室的約翰特納(John Turner)博士研制出的世界上第一片 人造葉子。2011年，麻省理工學院(MIT)的丹尼爾諾塞拉(Daniel Nocera) 博士的團隊研發(fā)了 “人造葉子”，它能像樹葉那樣進行光合作用，在太陽光照射 下將水分解成氧氣和氫氣，這些氣體儲存起來可用于發(fā)電。一片人造葉子被放入 3.7升水中，在陽光下可以迅速地產生相當于一個發(fā)展中國家的家庭一天的能源 需求。由于這一發(fā)明價格低廉且效率很高，因此被美國時代周刊列為2011 年50大最佳發(fā)明之一13，其應用潛能可想而知。同傳統太陽能電池板一樣，人 工葉子的基礎材料依然是硅，只不過運用的是三結非晶硅。雖然

12、在轉換效率上不 如傳統的晶體硅，但這種非晶硅價格低廉、耗能少，更利于推廣。同時，疊層的 設計將非晶硅分子用磷酸鹽加以固定，使它們就像是捆在一架車上的幾匹馬，不 但保證了分解水時所需要的能量，還使其更加具有穩(wěn)定性。更令學界關注的是 “穿”在硅外面的催化劑。清華大學材料與科學工程系的林紅在接受中國青年報 采訪時解釋說，催化劑使硅板不再像普通太陽能電池那樣依靠電線工作，反應速 度和強度大大提高。鐐、鉆等元素作為催化劑的加入不但解決了穩(wěn)定性的問題， 還因為廉價而有了投入商業(yè)用途的可能。目前，人造葉子遇到的最大挑戰(zhàn)是如何 捕捉氧氣和氫氣并存儲它們，以備在沒有陽光時使用。第3章總結及展望在面臨能源危機及嚴

13、重污染的今天，開發(fā)太陽能資源無疑具有著重大意義， 并且已經成為必然的趨勢。而太陽能雖然具有資源普遍、儲量巨大、無害清潔這 些優(yōu)點，但目前太陽能還存在一些暫時很難克服的缺點。它分布分散，總量大但 能流密度低；不穩(wěn)定，受自然條件影響大；效率低且成本高，經濟性還不能與常 規(guī)能源相競爭。這些缺點（尤其經濟性差）在很大程度上制約著太陽能利用的進 一步發(fā)展和大規(guī)模應用?？偨Y以上提到的各種太陽能相關材料，可以發(fā)現仍然存 在一些問題。常規(guī)材料，如單純用單晶硅、多晶硅以及薄膜材料等，雖然資源儲 備量極大，但常因為技術限制、造假高昂等不能得到很好的應用。而新生的“人 造葉子”技術遇到的挑戰(zhàn)是如何捕捉氧氣和氫氣并存

14、儲它們，以備在沒有陽光時 使用。但我們可以清楚地看到在這不超過一百年內太陽能技術所取得的巨大進步， 并且一直在發(fā)生著日新月異的變化。我國雖相對其他國家起步較晚，技術相對落 后，但我們只要堅持將以材料為中心的技術革新作為核心，同時國家不斷完善相 關政策，對其進行扶持和引導，以保證太陽能研究的穩(wěn)步前進，我相信在不遠的 將來，中國一定能成為太陽能行業(yè)的領頭羊。太陽能也必將成為支撐世界的重要 能源之一。參考文獻程軍.低碳能源一太陽能的利用及前景J .山西電子技術，2010 (4) :009403 .張愛民等.我國太陽能發(fā)展現狀及展望J .盧天化科技，2009 (4) .405 407.鐵生年，李星，李

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