1、 化工前沿論文 新型環保能源-太陽能 xxxx西南大學化學化工學院，重慶 400715 摘要: 在科技迅猛發展，國際競爭日趨激烈的今天，準備選擇化工發展領域和把握其技術未來的發展趨勢至關重要。在研究我國化工發展戰略時應以化工創新作為發展動力，用高新技術對傳統化工進行技術改造。新型環保能源有海水溫差能、地熱能、海洋動力能、太陽能、風能、地熱能、潮汐能、核能。New type of environmental protection energy - solar energyAbstract: in the rapid development of science and technology, t

2、he increasingly fierce international competition today, ready to select the field of chemical industry and the future development of its technology to grasp the key. In the study of chemical development strategy in our country, we should take the chemical industry innovation as the driving force for

3、 development.The new environmental protection energy has sea water temperature difference energy, geothermal energy, ocean power energy, solar energy, wind energy, geothermal energy, tidal energy, nuclear energy.一、簡介1.太陽能定義:太陽的熱輻射能（參見熱能傳播的三種方式:輻射），主要表現就是常說的太陽光線。在現代一般用作發電或者為熱水器提供能源。自地球上生命誕生以來，就主要以太陽提

4、供的熱輻射能生存，而自古人類也懂得以陽光曬干物件，并作為制作食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。在化石燃料日趨減少的情況下，太陽能已成為人類使用能源的重要組成部分，并不斷得到發展。太陽能的利用有光熱轉換和光電轉換兩種方式，太陽能發電是一種新興的可再生能源。廣義上的太陽能也包括地球上的風能、化學能、水能等。2.技術原理:太陽能是由太陽內部氫原子發生氫氦聚變釋放出巨大核能而產生的，來自太陽的輻射能量。人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。植物通過光合作用釋放氧氣、吸收二氧化碳，并把太陽能轉變成化學能在植物體內貯存下來。煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動植物經過漫長的地質年代演變形

5、成的一次能源。地球本身蘊藏的能量通常指與地球內部的熱能有關的能源和與原子核反應有關的能源。與原子核反應有關的能源正是核能。原子核的結構發生變化時能釋放出大量的能量，稱為原子核能，簡稱核能，俗稱原子能。它則來自于地殼中儲存的鈾、钚等發生裂變反應時的核裂變能資源，以及海洋中貯藏的氘、氚、鋰等發生聚變反應時的核聚變能資源。這些物質在發生原子核反應時釋放出能量。目前核能最大的用途是發電。此外，還可以用作其它類型的動力源、熱源等。 二、概況 目前，太陽能的利用還不是很普及，利用太陽能發電還存在成本高、轉換效率低的問題，但是太陽能電池在為人造衛星提供能源方面得到了應用。太陽能是太陽內部或者表面的黑子連續不

6、斷的核聚變反應過程產生的能量。地球軌道上的平均太陽輻射強度為1,369w/。地球赤道的周長為40,000km，從而可計算出，地球獲得的能量可達173,000TW。在海平面上的標準峰值強度為1kw/m2，地球表面某一點24h的年平均輻射強度為0.20kw/，相當于有102,000TW 的能量，人類依賴這些能量維持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地熱能資源除外），雖然太陽能資源總量相當于現在人類所利用的能源的一萬多倍，但太陽能的能量密度低，而且它因地而異，因時而變，這是開發利用太陽能面臨的主要問題。太陽能的這些特點會使它 清立太陽能工程圖在整個綜合能源體系中的作用受到一定的限制。盡管太陽輻

7、射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的22億分之一，但已高達173,000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當于500萬噸煤，每秒照射到地球的能量則為499,400,00,000焦。地球上的風能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質能都是來源于太陽；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說也是遠古以來貯存下來的太陽能，所以廣義的太陽能所包括的范圍非常大，狹義的太陽能則限于太陽輻射能的光熱、光電和光化學的直接轉換。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環境無任何污染。為人類創造了一種新的生活形態，使社會及人類進入一個節約能源減少污染的

8、時代。三、具體分類太陽能光伏光伏板組件是一種暴露在陽光下便會產生直流電的發電裝置， 太陽能利用由幾乎全部以半導體物料（例如硅）制成的固體光伏電池組成。由于沒有活動的部分，故可以長時間操作而不會導致任何損耗。簡單的光伏電池可為手表以及計算機提供能源，較復雜的光伏系統可為房屋提供照明以及交通信號燈和監控系統，并入電網供電。光伏板組件可以制成不同形狀，而組件又可連接，以產生更多電能。近年，天臺及建筑物表面均可使用光伏板組件，甚至被用作窗戶、天窗或遮蔽裝置的一部分，這些光伏設施通常被稱為附設于建筑物的光伏系統。據調研顯示由于產能過剩導致全球5大制造商利潤縮水，2012年光伏組件安裝量將有所減少，這是1

9、0余年來首次出現下降。據彭博6位分析師的平均預測全球家庭與商業機構將安裝24.8GW的光伏組件。這相當于約20座核反應堆的發電量，但與去年新增27.7GW的光伏裝機量相比下降10%。據彭博新能源財經估計，自1999年以來年均安裝量已增長61%。太陽能光熱現代的太陽熱能科技將陽光聚合，并運用其能量產生熱水、蒸氣和電力。除了運用適當的科技來收集太陽能外，建筑物亦可利用太陽的光和熱能，方法是在設計時加入合適的裝備，例如巨型的向南窗戶或使用能吸收及慢慢釋放太陽熱力的建筑材料。四、開發利用 太陽能利用主要是光熱利用，太陽能發電，光化利用，光生物利用。 新能源未來太陽能的大規模利用是用來發電。利用太陽能發

10、電的方式有多種。目前已實用的主要有以下兩種。光熱電轉換。即利用太陽輻射所產生的熱能發電。一般是用太陽能集熱器將所吸收的熱能轉換為工質的蒸汽，然后由蒸汽驅動氣輪機帶動發電機發電。前一過程為光熱轉換，后一過程為熱電轉換。光電轉換。其基本原理是利用光生伏打效應將太陽輻射能直接轉換為電能，它的基本裝置是太陽能電池。太陽能電池 太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。只要被光照到，瞬間就可輸出電壓及電流。在物理學上稱為太陽能光伏(Photovoltaic，photo 光線，voltaics 電力，縮寫為PV)，簡稱光伏。以光電效應工作的薄膜式太陽能電池為主流，而以光化學效應工作

11、的濕式太陽能電池則還處于萌芽階段。 太陽能電池按結晶狀態可分為結晶系薄膜式和非結晶系薄膜式（以下表示為a-）兩大類，而前者又分為單結晶形和多結晶形。按材料可分為硅薄膜形、化合物半導體薄膜形和有機膜形，而化合物半導體薄膜形又分為非結晶形（a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等）、V族（GaAs,InP等）、族（Cds系）和磷化鋅 (Zn 3 p 2 ）等。太陽能電池根據所用材料的不同，太陽能電池還可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機太陽能電池、塑料太陽能電池，其中硅太陽能電池是目前發展最成熟的，在應用中居主導地

12、位。1. 硅太陽能電池 硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。單晶硅太陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟。在實驗室里最高的轉換效率為24.7%，規模生產時的效率為15%（截止2011，為18%）。在大規模應用和工業生產中仍占據主導地位，但由于單晶硅成本價格高，大幅度降低其成本很困難，為了節省硅材料，發展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產品。多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實驗室最高轉換效率為18%，工業規模生產的轉換效率為10%（截止2011，為17%）。因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能

13、電池市場上占據主要地位。非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，轉換效率較高，便于大規模生產，有極大的潛力。但受制于其材料引發的光電效率衰退效應，穩定性不高，直接影響了它的實際應用。如果能進一步解決穩定性問題及提高轉換率問題，那么，非晶硅太陽能電池無疑是太陽能電池的主要發展產品之一。2. 多晶體薄膜電池多晶體薄膜電池硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規模生產，但由于鎘有劇毒，會對環境造成嚴重的污染，因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代產品。砷化鎵（GaAs）III-V化合物電池的轉換效率可達28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光學帶

14、隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強，對熱不敏感，適合于制造高效單結電池。但是GaAs材料的價格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。銅銦硒薄膜電池（簡稱CIS）適合光電轉換，不存在光致衰退問題，轉換效率和多晶硅一樣。具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等優點，將成為今后發展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發展又必然受到限制。3. 有機聚合物電池以有機聚合物代替無機材料是剛剛開始的一個太陽能電池制造的研究方向。由于有機材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本低等優勢，從而對大規模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義。但以有機

15、材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機材料特別是硅電池相比。能否發展成為具有實用意義的產品，還有待于進一步研究探索。4. 納米晶電池納米TiO2晶體化學能太陽能電池是新近發展的，優點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩定的性能。其光電效率穩定在10%以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/51/10壽命能達到20年以上。此類電池的研究和開發剛剛起步，不久的將來會逐步走上市場。5有機薄膜電池有機薄膜太陽能電池，就是由有機材料構成核心部分的太陽能電池。大家對有機太陽能電池不熟悉，這是情理中的事。如今量產的太陽能電池里，95%以上是硅基的，而剩下的不到5%也是由其它無機材

16、料制成的。6.染料敏化電池染料敏化太陽能電池，是將一種色素附著在TiO2粒子上，然后浸泡在一種電解液中。色素受到光的照射，生成自由電子和空穴。自由電子被TiO2吸收，從電極流出進入外電路，再經過用電器，流入電解液，最后回到色素。染料敏化太陽能電池的制造成本很低，這使它具有很強的競爭力。它的能量轉換效率為12%左右。7塑料電池塑料太陽能電池以可循環使用的塑料薄膜為原料，能通過“卷對卷印刷”技術大規模生產，其成本低廉、環保。但目前塑料太陽能電池尚不成熟，預計在未來5年到10年，基于塑料等有機材料的太陽能電池制造技術將走向成熟并大規模投入使用。8.光纖太陽能電池光纖太陽能電池（Fiber-based

17、 solar cell 或者Fiber cell）由美國Wake Forest University納米與分子研究中心首先提出，并在美國Applied Physics Letters（doi:10.1063/1.3263947）和Physical Review B（DOI: 10.1103/PhysRevB.84.085206,2011）上報道了這種電池的最新成果。目前，它利用特有的光纖結構，并結合有機吸收層，達到了超出平面電池的吸收效率，并已被證明能夠很好的應用到超光強的聚光型電站中。 9.透明太陽能電池 據美國物理學家組織網近日報道，美國能源部布魯克海文國家實驗室和洛斯阿拉莫斯國

18、家實驗室的科學家們研發出了一種可吸收光線并將其大面積轉化成為電能的新型透明薄膜。這種薄膜以半導體和富勒烯為原料，具有微蜂窩結構。相關研究發表在最新一期的材料化學雜志上，論文稱該技術可被用于開發透明的太陽能電池板，甚至還可以用這種材料制成可以發電的窗戶。這種材料由摻雜碳富勒烯的半導體聚合物組成。在嚴格控制的條件下，該材料可通過自組裝方式由一個微米尺度的六邊形結構展開為一個數毫米大小布滿微蜂窩結構的平面。負責該研究的美國布魯克海文國家實驗室多功能納米材料中心的物理化學家米爾恰·卡特萊特說，雖然這種蜂窩狀薄膜的制作采用了與傳統高分子材料（如聚苯乙烯）類似的工藝，但以半導體和富勒烯為原料，并

19、使其能夠吸收光線產生電荷這還是第一次。據介紹，該材料之所以還能在外觀上保持透明是因為聚合物鏈只與六邊形的邊緣緊密相連，而其余部分的結構則較為簡單，以連接點為中心向外越來越薄。這種結構具有連接作用，同時具有較強的吸收光線的能力，也有利于傳導電流，而其他部分相對較薄也更為透明，主要起透光的作用。研究人員通過一種十分獨特的方式來編織這種蜂窩狀薄膜：首先在包含聚合物以及富勒烯在內的溶液中加入一層極薄的微米尺度的小水滴。這些水滴在接觸到聚合物溶液后就會自組裝成大型陣列，而當溶劑完全蒸發后，就會形成一塊大面積的六邊形蜂窩狀平面。此外，研究人員發現聚合物的形成與溶劑的蒸發速度緊密相關，這相應地又會決定最終材料的電荷傳輸速度。溶劑蒸發得越慢，聚合物的結構就越緊湊，電荷傳輸速度也就越快。“這是一種成本低廉而效益顯著的制備方法，很有潛力從實驗室應用到大規