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世界遗产知识

化工前沿论文

新型环保能源---太阳能

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西南大学化学化工学院，重庆400715

摘要:

在科技迅猛发展，国际竞争日趋激烈的今天，准备选择化工发展领域和把握其技术未来的发展趋势至关重要。

在研究我国化工发展战略时应以化工创新作为发展动力，用高新技术对传统化工进行技术改造。

新型环保能源有海水温差能、地热能、海洋动力能、太阳能、风能、地热能、潮汐能、核能。

Newtypeofenvironmentalprotectionenergy-solarenergy

Abstract:

intherapiddevelopmentofscienceandtechnology,theincreasinglyfierceinternationalcompetitiontoday,readytoselectthefieldofchemicalindustryandthefuturedevelopmentofitstechnologytograspthekey.Inthestudyofchemicaldevelopmentstrategyinourcountry,weshouldtakethechemicalindustryinnovationasthedrivingforcefordevelopment.Thenewenvironmentalprotectionenergyhasseawatertemperaturedifferenceenergy,geothermalenergy,oceanpowerenergy,solarenergy,windenergy,geothermalenergy,tidalenergy,nuclearenergy.

一、简介

1.太阳能定义:

太阳的热辐射能（参见热能传播的三种方式:

辐射），主要表现就是常说的太阳光线。

在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。

自地球上生命诞生以来，就主要以太阳提供的热辐射能生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为制作食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。

在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。

太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，太阳能发电是一种新兴的可再生能源。

广义上的太阳能也包括地球上的风能、化学能、水能等。

2.技术原理:

太阳能是由太阳内部氢原子发生氢氦聚变释放出巨大核能而产生的，来自太阳的辐射能量。

人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。

植物通过光合作用释放氧气、吸收二氧化碳，并把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。

煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代演变形成的一次能源。

地球本身蕴藏的能量通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源。

与原子核反应有关的能源正是核能。

原子核的结构发生变化时能释放出大量的能量，称为原子核能，简称核能，俗称原子能。

它则来自于地壳中储存的铀、钚等发生裂变反应时的核裂变能资源，以及海洋中贮藏的氘、氚、锂等发生聚变反应时的核聚变能资源。

这些物质在发生原子核反应时释放出能量。

目前核能最大的用途是发电。

此外，还可以用作其它类型的动力源、热源等。

二、概况

目前，太阳能的利用还不是很普及，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题，但是太阳能电池在为人造卫星提供能源方面得到了应用。

太阳能是太阳内部或者表面的黑子连续不断的核聚变反应过程产生的能量。

地球轨道上的平均太阳辐射强度为1,369w/㎡。

地球赤道的周长为40,000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173,000TW。

在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw/㎡，相当于有102,000TW的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外），虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。

太阳能的这些特点会使它清立太阳能工程图在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。

尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤，每秒照射到地球的能量则为499,400,00,000焦。

地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。

它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。

为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。

三、具体分类

太阳能光伏

光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，太阳能利用由几乎全部以半导体物料（例如硅）制成的固体光伏电池组成。

由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。

简单的光伏电池可为手表以及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋提供照明以及交通信号灯和监控系统，并入电网供电。

光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电能。

近年，天台及建筑物表面均可使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。

据调研显示由于产能过剩导致全球5大制造商利润缩水，2012年光伏组件安装量将有所减少，这是10余年来首次出现下降。

据彭博6位分析师的平均预测全球家庭与商业机构将安装24.8GW的光伏组件。

这相当于约20座核反应堆的发电量，但与去年新增27.7GW的光伏装机量相比下降10%。

据彭博新能源财经估计，自1999年以来年均安装量已增长61%。

太阳能光热

现代的太阳热能科技将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸气和电力。

除了运用适当的科技来收集太阳能外，建筑物亦可利用太阳的光和热能，方法是在设计时加入合适的装备，例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。

四、开发利用

太阳能利用主要是光热利用，太阳能发电，光化利用，光生物利用。

新能源未来太阳能的大规模利用是用来发电。

利用太阳能发电的方式有多种。

目前已实用的主要有以下两种。

①光—热—电转换。

即利用太阳辐射所产生的热能发电。

一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。

前一过程为光—热转换，后一过程为热—电转换。

②光—电转换。

其基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。

太阳能电池

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。

只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。

在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，photo光线，voltaics电力，缩写为PV），简称光伏。

以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。

太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式（以下表示为a-）两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。

按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形，而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形（a-Si:

H,a-Si:

H:

F,a-SixGel-x:

H等）、ⅢV族（GaAs,InP等）、ⅡⅥ族（Cds系）和磷化锌（Zn3p2）等。

太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：

硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。

1.硅太阳能电池

硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。

单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。

在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%（截止2011，为18%）。

在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。

多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%（截止2011，为17%）。

因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据主要地位。

非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。

但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。

如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

2.多晶体薄膜电池

多晶体薄膜电池硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。

砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。

但是GaAs材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。

铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。

具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。

唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。

3.有机聚合物电池

以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。

由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。

但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。

能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。

4.纳米晶电池

纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。

其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10．寿命能达到20年以上。

此类电池的研究和开发刚刚起步，不久的将来会逐步走上市场。

5．有机薄膜电池

有机薄膜太阳能电池，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。

大家对有机太阳能电池不熟悉，这是情理中的事。

如今量产的太阳能电池里，95%以上是硅基的，而剩下的不到5%也是由其它无机材料制成的。

6.染料敏化电池

染料敏化太阳能电池，是将一种色素附着在TiO2粒子上，然后浸泡在一种电解液中。

色素受到光的照射，生成自由电子和空穴。

自由电子被TiO2吸收，从电极流出进入外电路，再经过用电器，流入电解液，最后回到色素。

染料敏化太阳能电池的制造成本很低，这使它具有很强的竞争力。

它的能量转换效率为12%左右。

7．塑料电池

塑料太阳能电池以可循环使用的塑料薄膜为原料，能通过“卷对卷印刷”技术大规模生产，其成本低廉、环保。

但目前塑料太阳能电池尚不成熟，预计在未来5年到10年，基于塑料等有机材料的太阳能电池制造技术将走向成熟并大规模投入使用。

8.光纤太阳能电池

光纤太阳能电池（Fiber-basedsolarcell或者Fibercell）由美国WakeForestUniversity纳米与分子研究中心首先提出，并在美国《Applied PhysicsLetters》（doi:

10.1063/1.3263947）和《PhysicalReviewB》（DOI:

10.1103/PhysRevB.84.085206,2011）上报道了这种电池的最新成果。

目前，它利用特有的光纤结构，并结合有机吸收层，达到了超出平面电池的吸收效率，并已被证明能够很好的应用到超光强的聚光型电站中。

9.透明太阳能电池

据美国物理学家组织网近日报道，美国能源部布鲁克海文国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们研发出了一种可吸收光线并将其大面积转化成为电能的新型透明薄膜。

这种薄膜以半导体和富勒烯为原料，具有微蜂窝结构。

相关研究发表在最新一期的《材料化学》杂志上，论文称该技术可被用于开发透明的太阳能电池板，甚至还可以用这种材料制成可以发电的窗户。

　这种材料由掺杂碳富勒烯的半导体聚合物组成。

在严格控制的条件下，该材料可通过自组装方式由一个微米尺度的六边形结构展开为一个数毫米大小布满微蜂窝结构的平面。

负责该研究的美国布鲁克海文国家实验室多功能纳米材料中心的物理化学家米尔恰·卡特莱特说，虽然这种蜂窝状薄膜的制作采用了与传统高分子材料（如聚苯乙烯）类似的工艺，但以半导体和富勒烯为原料，并使其能够吸收光线产生电荷这还是第一次。

据介绍，该材料之所以还能在外观上保持透明是因为聚合物链只与六边形的边缘紧密相连，而其余部分的结构则较为简单，以连接点为中心向外越来越薄。

这种结构具有连接作用，同时具有较强的吸收光线的能力，也有利于传导电流，而其他部分相对较薄也更为透明，主要起透光的作用。

研究人员通过一种十分独特的方式来编织这种蜂窝状薄膜：

首先在包含聚合物以及富勒烯在内的溶液中加入一层极薄的微米尺度的小水滴。

这些水滴在接触到聚合物溶液后就会自组装成大型阵列，而当溶剂完全蒸发后，就会形成一块大面积的六边形蜂窝状平面。

此外，研究人员发现聚合物的形成与溶剂的蒸发速度紧密相关，这相应地又会决定最终材料的电荷传输速度。

溶剂蒸发得越慢，聚合物的结构就越紧凑，电荷传输速度也就越快。

“这是一种成本低廉而效益显著的制备方法，很有潜力从实验室应用到大规模商业化生产之中。

”卡特莱特说。

通过扫描探针式电子显微镜和荧光共焦扫描显微镜，研究人员证实了新材料蜂窝结构的均匀性，并对其不同部位（边缘、中心、节点）的光学性质和电荷产生情况进行了测试。

卡特莱特表示：

“我们的工作让人们对蜂窝结构的光学特征有了更深的了解。

下一步我们计划将这种材料应用于透明且可卷曲的柔性太阳能电池以及其他设备的制造当中，以推动这种蜂窝薄膜尽快进入实用阶段。

”  

目前，全球太阳能电池市场竞争激烈，欧洲和日本领先的格局已被打破。

尽管主要的销售市场在欧洲，但太阳能电池的生产重镇已经转移到亚洲。

2010年，在光伏市场带动下，全球光伏电池产量持续增长，达到21GW，比2009年增长了一倍。

　　在世界光伏市场的强力拉动下，中国太阳能电池制造业通过引进、消化、吸收和再创新，获得了长足的发展。

中国太阳能电池产业的发展大致可分为三个阶段。

第一阶段为1984年以后的研究开发时期；之后迎来了2001年以后的产业形成时期，第二阶段也是尚德等太阳能电池厂商开始创业的时期；2005年至今的第三阶段是中国太阳能电池产业的快速发展时期。

　　得益于国家对太阳能等新能源产业的政策、资金支持，2010年太阳能电池产业增长迅速，在世界10大太阳能电池生产商中有4家是中国企业。

　　中国已在太阳能电池生产制造方面取得重要地位，也将成为使用太阳能的大市场。

近年来国家陆续出台了太阳能屋顶计划、金太阳工程等诸多补贴扶持政策，在政策的支持下中国有望像美国一样，启动一个巨大的市场。