有机太阳能电池能量转化效率的提高思路_木丽萍
第31卷,第5期 光谱学与光谱分析Vol 131,No 15,pp1161-1167
2011年5月 Spectro sco py and Spectr al Analysis
M ay ,2011
有机太阳能电池能量转化效率的提高思路
木丽萍1,2,袁 丹2,环 敏1,陈志坚2*,肖立新2,曲 波2,龚旗煌2*
11大理学院,云南大理 671003
21北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室,北京 100871
摘 要 能源问题是目前最为关注的焦点之一,随着社会的进步和工业的发展,地球上已探明可使用的化
学燃料能源,包括石油、天然气和煤等,日趋枯竭。太阳能的利用已引起各国的重视。光伏器件是太阳能利用的最为重要的手段之一,有机太阳电池在此类器件中将承担极其重要的角色。但低的光电转换效率是阻碍其产业化的瓶颈。为此简要综述了提高有机太阳能电池能量转化效率的两个思路,并指出了有待解决的问题。
关键词 有机太阳电池;能量转换效率;光吸收;表面等离子激元
中图分类号:T N87313 文献标识码:A DOI :1013964/j 1issn 11000-0593(2011)05-1161-07
收稿日期:2010-05-10,修订日期:2010-08-20
基金项目:国家自然科学基金项目(10674011,60677002,10934001)和国家重点基础研究发展计划项目(2007CB307000,2009CB930504)资
助
作者简介:木丽萍,女,1963年生,云南大理学院副教授 *通讯联系人 e -mail:z jchen@pku 1edu 1cn;qhgong@pku 1edu 1cn
引 言
能源问题是目前最为关注的焦点之一,随着社会的进步和工业的发展,地球上已探明可使用的化学燃料能源,包括石油、天然气和煤等,日趋枯竭。据报道地球上探明的石油储量仅可持续使用约45年,天然气约61年,煤约216年。而我国能源更为紧缺,石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的1/15左右,煤炭相当于世界平均水平的1/2[1]。同时,在化学燃料能源的消耗过程中,排放大量温室气体和有毒气体,人类的生存环境遭到破坏性的污染。最近在华盛顿召开的一次学术会议上诺贝尔奖得主Smalley 列出今后50年中人类面临最大的10个问题,能源和环境均在其列,并且能源居于榜首[2]。要保障国民经济的持续发展,能源问题急待解决。占地球总能量99%以上的太阳能,取之不尽,用之不竭,而且洁净无污,日益成为绿色能源的首选[3,4]。地球每年接受来自太阳的能量为~3@1024焦耳/年,是全球年总能耗的上万倍。换言之,使用能量转化效率为10%的太阳能电池板覆盖全球面积的011%所提供的能量足可满足目前世界需求[2]。太阳能的利用已引起各国的重视。2006年6月美国提出的/阳光美国计划0。欧盟委员会于2007年11月22日通过了欧盟能源技术战略计划,推广包括风能、太阳能和生物能在内的/低碳能源0技术。日本在光伏技术领域,近年来一直是世界的先驱与模范,其光伏产业远超欧美。我国也提出了自己的能源计划,国家国务院新闻办2007年12月26
日发表了5中国的能源状况与政策6白皮书,将可再生能源开发利用的科学技术研究和产业化发展列为科技发展与高技术
产业发展的优先领域。提出到2010年使可再生能源消费量
达到能源消费总量的10%,到2020年达到15%的发展目标。
光伏器件(太阳能电池)是太阳能利用的最为重要的手段之一,它是基于半导体的光伏(pho tov oltage)效应实现将光能直接转化成电能的器件。自1954年美国贝尔实验室首次成功研制单晶硅太阳能电池,它的研究和开发得到了长足发展。特别是近几年,太阳能电池的研究已进入了第三代。第一代是单晶和多晶硅光伏电池,现在仍是太阳能电池产业的主流,市场占有率约94%。为了降低晶体硅的昂贵的材料成本,使用比较廉价的非晶硅、铜铟硒和碲化镉等薄膜材料为工作介质的第二代太阳能电池逐渐发展起来,市场占有率约516%[5,6]。目前太阳能电池的发电成本还比较高,其主要成本为材料和制备费。就我国技术水平,其光电转化成本预测为约5元/度,比煤电成本高十余倍。为了真正实现具有可竞争的成本/效率比值,需要对已有的技术有所突破,这促使第三代太阳能电池概念的诞生[7]。根据不同的理念,第三代太阳能电池可分为两类;第一类是研制具有极高能量转化效率的电池。第二类是在转化效率到达适中~15%~20%的情况下,尽量压低成本,发展廉价的材料,包括功能组分和封装,实现常温常压大批量生产。有机太阳能电池(Or ganic
photo vo ltaic devices,O PV s)在此类器件中将承担极其重要的角色。
OP Vs(包括有机小分子和聚合物材料)相对于无机太阳能电池具有很多的优点:有机材料廉价,容易合成,可根据需要对分子进行化学修饰。有机材料具有高的光吸收系数,可制备超薄(~100nm)太阳能电池。有机材料容易实现常温常压大面积成膜,比如旋涂、丝网印刷、喷墨打印、电化学成膜和自组装成膜等技术。可制备大面积柔性器件,以上优点已成为当今可再生能源中最有前途的一种[8],这些无可比拟的优点引起人们对它研究的浓厚兴趣。
1有机太阳电池的工作原理和结构
OP Vs急待解决的最大问题之一:如何在不大量增加成本的情况下,提高能量转化效率。OP V s的转化效率正比于: G p W G abs G e G s G c,G abs为光子吸收率,G e为激子产生率,G s为激子分离形成自由电荷载流子率,G c为自由电荷收集率。G abs和G s是限制转化效率的主要矛盾因素;在有机半导体中,光激发形成激子,即在库仑力作用下束缚在一起的电子-空穴对。激子的结合能约为012~110eV[9],因此激子不会自动解离形成自由移动的电子和空穴,只有在足够强的电场作用下,激子才能分离形成自由电荷载流子。在电子给体和受体的界面处,势能的骤变产生强局域电场(E=-g rad(U))[10]。所以只有传输到界面处的激子才能分离。在有机半导体材料中,电荷载流子与激子的传输能力取决于相邻分子的外轨道的重叠程度,相对于无机半导体中原子轨道的重叠,这种耦合非常微弱,所以有机半导体材料的电荷载流子的迁移率比无机半导体低几个量级。研究发现激子在有机材料中的扩散长度仅有5~10nm[11,12]。激子分离率随有机层厚度呈指数骤减,这要求O PV s的有机工作层的厚度小于或等于激子扩散长度,以保证激子的有效分离。同时,为了保证对太阳光的充分吸收,又要求有机工作层厚大于或等于1/A~100nm 或(A为有机工作材料的吸收系数)。这一对矛盾限制了OP Vs的能量转化效率。
如何解决这一对矛盾,提高OP Vs的能量转化效率?
最早出现的单纯由一种纯有机化合物夹在两电极之间制成的单质结器件,由于激子的扩散长度远远小于光吸收的厚度,使得产生的激子容易复合,因此光电转换效率很低(G[ 1%)。后来将p型半导体材料(电子给体Donor)和n型半导体材料(电子受体Accepto r)复合,即p-n异质结型太阳能电池[13-17],发现不同电子亲合力的两种材料的界面电子空穴对的解离非常有效1T ang[18]在1986年首次报道了结构为IT O/CuP c/P V(芘衍生物)/Ag的双层有机太阳电池就是单异质结,其转换效率接近1%,填充因子FF达到0165。然而,在双层结构中双层膜所能提供的界面面积非常有限,产生的光生载流子也有限,载流子需要在两层中传输一段距离才能到达电极进行收集,即便膜的有效厚度仅为20nm左右,仍有大量离界面较远的光生激子还没扩散到界面就发生了复合,且有机半导体的电阻又较大,电荷的收集率很难到达100%,从而限制了光电效率的提高。一种新的互穿网络(interpent rating netw or k)结构)))将电子给体材料与电子受体材料充分混合,复合体中给体与受体的接触面积最大化,给、受体之间形成了异质结界面,使得绝大多数激子能在界面附近形成,使其在复合前可以到达界面进行电荷分离,光伏效率进一步提高。这种异质结称为体相异质结(bulk-het-ero junction)。Yu等利用M EH-P PV与C60混合,制备体异质结光伏器件,电荷收集率为29%,能量转换效率达到了219%[19]。接着,人们制备了各种材料体系的体相异质结结构电池,研究发现,此结构的光敏层的形貌对电池性能起着关键作用,人们便通过改变各种工艺条件来优化光敏层的形貌。
以聚噻酚衍生物为电子给体和以C60衍生物为电子受体的体相异质结OP Vs是目前报道的转化效率最高的单单元结构体系,通过优化处理,如退火,其能量转化效率仅可达4%~5%[20-22]。即便是叠单元结构,比如2007年H eeg er研究组在Science上报道了聚苯二噻酚-苯并噻重氮(po ly[2, 6-(4,4-bis-(2-ethy lhexy l)-4H-cyclopenta[2,1-b;43,4-b.]d-i thio phene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]):碳60衍生物([6,6]-pheny-l C61but yr ic acid methyl ester)和聚噻酚(po-ly(s-hex y lthio phene)):碳70衍生物([6,6]-pheny-l C71bu-ty ric acid methyl ester)的叠单元太阳能电池,其效率也仅为617%[23],距进入实用阶段的10%[24]还存在较大差距,并且器件结构复杂。
2提高有机太阳能电池能量转化效率的两个思路
211通过功能分子的化学修饰或物理掺杂,改善材料对太阳光的吸收能力和电荷载流子的迁移率[25-28]
改善有机材料的吸收光子的波长范围。太阳光波长范围约为350~1500nm,波长大于700nm的光子能量还有很多。所以聚合物能带间隙应该在118eV以下,才能有效地捕获太阳能。因此,合成窄能隙聚合物是提高太阳能电池的能量转化效率的一个有效途径。
人们通过增加分子的共轭长度,以及引入各种推、拉电子基团来调整材料的能级结构,合成窄能隙聚合物,提高光敏层对太阳光的吸收。Co mpo se等[29]合成的聚合物聚[5,7-二(3-辛基-2-噻吩)-3,4-噻吩并二嗪](P B3OT P)(Scheme1),膜的能隙为1145eV,与P CBM混合的复合膜在太阳光300 ~900nm波长范围吸收很强,在600nm处有最大吸收。Sun 等[30]以噻吩为主要构筑单元,合成的系列x形寡聚物(Scheme2),研究发现该聚物与CBM混合物的紫外吸收随着寡聚物中噻吩段长度的增大发生红移并变宽。
但有机材料带隙缩小的程度往往小于HO M O能级提高的幅度,导致了更低的开路电压V o c。如上例[27]中V oc仅为0135V。窄化聚合物能隙的过程很大程度上也是同步降低聚合物L U M O和H OM O能级的过程,因此目前高能量转化效率聚合物太阳能电池都是在能隙相对比较宽的聚合物上得到的。
1162光谱学与光谱分析第31卷
单纯提高光敏层对太阳光的吸收,电池能量转化效率的提高并不显著。Colladet 等[31]所合成的系列噻吩对苯乙烯撑类聚合物(Scheme 3),乙烯键的引入降低了聚合物的能隙(在1155~2130eV 之间),噻吩和双键上不同取代基的推拉电子作用,使聚合物的吸收波段和能级可在较大范围内调节。但与PCBM 混合制备的本体异质结电池的能量转化效率不很高。研究发现,该类聚合物的载流子迁移率对电池性能
的影响更加显著。而载流子的迁移和物质分子量、化学结构、链长以及侧链的体积有关[32]。Zhang 等[33]合成的基于芴和噻吩片段的窄能隙聚合物(Scheme 4),数均分子量为40000,有合适的L U M O 和HO M O 能级(分别是-314和-510eV ),吸收波长拓展到了近红外区域,还有较高的载流子迁移率,由其制备的本体异质结电池,开路电压为0159V,能量转化效率为212%,
有很好的综合性能。
1163
第5期 光谱学与光谱分析
共轭聚合物与C60或C60衍生物掺杂的太阳能电池是最为普遍和效率最高的电池类型,尽管取得了一定进展,但掺杂过程中,共轭聚合物与C60或C60衍生物的兼容性一直是个难题,会出现相分离及C60或C60衍生物的团簇现象,减少给/受体的有效接触面积,载流子传输通道可能存在不连续等陷阱,影响电荷的传输,降低光电转换效率。两极聚合物(double cable po lymer)是采用受电子物质和给电子物质通过共价键连在同一分子上,电池的微态可控制,能形成微米或纳米级均匀分布的各自连续两相,使电子和空穴传输得到兼容[34]。Ramos等[35]把C60挂接在末端含乙炔基的寡聚对苯撑乙烯上然后再聚合,用此材料制备的电池器件填充因子0129,开路电压0183V,短路电流密度0142mA#cm-2,与原来聚合物和C60构成的电池性能[36-38]比较,各项性能如开路电压和短路电流值都有所提高。近年来,这种以共价键将C60直接连接到共轭聚合物中的设计思路引起越来越多科学家的注意,但如何解决增加C60含量与聚合物溶解性之间矛盾,避免两者之间的相互干扰和提高光电转换效率仍是关键。科学家们还在PP V支链上接上三苯胺[39],主链上接环庚三烯酮[40]以及三(环氧乙烷)T EO-PP V[37]等形成两极聚合物。还有富勒稀吡咯烷-双噻吩[41],PT A Q[42],PP V-b-Ps[32]等各种两极聚合物材料。
无机纳米材料电子迁移率高,并可利用量子尺寸效应来调控吸收光谱,使其在整个可见光范围都有吸收。Janssen 等[43]2004年用ZnO与M DM O-P PV制备了能量转换效率达116%的共混型太阳能电池。研究发现,在ZnO与M D M O-PP V的界面之间,电子和空穴能实现高速有效的分离,加之ZnO高的电子迁移率,电池能达到较高的效率。除了Z nO,还有T iO2[44],CdSe[45],CdT e[46],PbS[26]等都可作为电子受体与有机给体复合。这些体系大大拓宽了人们对O PV s材料结构设计的思路,从而使得有机太阳能电池各种材料的性能得到不断的改善。
目前我们国家,如中科院化学所、中科院理化所、中科院半导体所、中科院等离子体所、长春应化所、华南理工大学、南开大学、复旦大学、北京交通大学、吉林大学、清华大学、北京大学等科研单位都做出了非常优秀的工作。如中科院李永舫教授研究组[47-51]从聚噻吩的侧基改性入手,将双键通过噻吩或苯环引入到聚噻吩类材料中,利用侧基双键和噻吩主链的共轭作用,减小聚噻吩的能隙,太阳光吸收范围得到拓展,得到了一些综合性能优良的体相异质结给体材料。香港浸会大学(H ong Ko ng Baptist U niver sity)的研究组报道了铂多炔基化合物,通过分子改性,降低材料的能级带隙(1185eV),使得材料吸收光谱和太阳发射光谱更好地重叠,提高对太阳光的吸收能力,从而改善O PV s的能量转化效率(411%,未经退火处理)[25]。最近,本研究小组使用红外光敏剂掺杂,改善器件对近红外光照射的响应,提高红外波段的光电流[52]。
212在OPVs中引进介观光学结构,利用其对电磁波的调制和场的局域增强等效应,提高对太阳光的吸收,改善
透明电极到工作介质层的透光率。减少电子给体和受
体之间几何距离,增加给体和受体的界面,使激子更
有效地分离,减少串电阻和增加支电阻,提高光电转
化效率[53-55]
自从Ebbesen等发现由于表面等离子激元和光场相互耦合作用,平行光照射亚波长小孔阵列金属薄膜出现了异常的透射增强效应[56],立即引起人们对介观光学研究的浓厚兴趣。金属/介质表面等离子激元(SP,Surface plasmo ns),即光场和金属表面的自由电子的相互作用而产生的电子集体振荡,可以对光场的分布和传输进行调制,产生众多奇异的光学现象和效应,如光学透射异常增强、亚波长波导、全光调制器、荧光增强、拉曼增强效应等等。此研究已成为现代光学领域中热点之一。随着纳米技术的进步,微纳结构的制备工艺越来越简便,成本越来越低,使得介观光学结构在光电功能器件中的应用成为可能。澳大利亚研究人员M A Green (U niver sity of South W ales)在硅太阳能电池表面制备一层银纳米颗粒,研究了表面等离子激元对器件性能的改善[57],在入射光的激励下,银纳米颗粒表面形成局域表面等离子激元(lo cal sur face plasmo ns,L SP)。在银颗粒的LSP共振波长附近,入射光发生强烈的散射和吸收。另外,SP在纵向上为隐失波,在介质层内有一定穿透深度,有利于电荷载流子克服电极/半导体间肖特基势垒,增大太阳能电池的短路电流。德国科学家D rr等[58]在染料敏华电池中将T iO2层制作为纳米多孔结构,则T iO2层可以同时作为波导结构层和光吸收层。当满足激发T iO2层波导模式的条件时,多孔层的吸收光强在某些角度得到增加,从而直接观察到燃料敏化电池的短路电流的增加。在他们的实验中,通过这种结构产生的光强比直接照射产生光强增加19倍左右,这是符合变换矩阵的理论计算的。美国科学家M o rfa等[59]在以P3HT和P CBM为给受体的有机太阳能电池中,在IT O阳极与缓冲层P EDOT B PSS之间蒸镀一层A g颗粒,并研究其大小对器件性能的影响。他们指出与无银颗粒相比,银颗粒使短路电流有所增加,银颗粒大小在1~3nm时,短路电流较大。对外量子效率的研究发现,只有在1~2nm范围内的颗粒对器件的外量子效率有贡献,颗粒太大时,外量子效率反而减小。与没有银纳米颗粒相比,器件的响应波长发生红移,从而有利于吸收波长较长的光谱。韩国科学家在通过简单快速的脉冲-电流电沉积方法在P EDOT和有效层(P3H T/PCBM)中加入13nm均匀大小的Ag纳米粒子,可以增加总的能量转换效率从3105%~3169%,效率的增加主要是由于在金属纳米层附近由于表面等离子激元增强导致共轭聚合物吸收的增强。他们还指出用这种电沉积方法制作金属纳米层,能够简单的控制金属纳米粒子的密度和大小。Hag glund等[60]用电子书曝光制备可以控制形状的金纳米颗粒,过程为先在玻璃基板上镀上一层50nm厚的T iO2薄膜,再吸附一层染料,在此基础上,蒸镀一层A l2O3膜,目的是防止染料激发出的电子被局域在上面的银颗粒上。电子束曝光系统制备一层椭球状Au颗粒,长轴短轴和高分别为120,40,20nm,中心到中心的间距在长轴和短轴方向分别为200和100nm。通过测量表明吸收峰和入射光的偏振有很大关系,沿着Au椭球颗粒的长轴方向的光吸收相对沿着椭球短轴方向的偏振光吸收有一个红移,从只有dy e和只有A u的T iO2膜的电导图可
1164光谱学与光谱分析第31卷
知,染料电池中起作用的确实是染料吸收电子转移给T iO 2,而不是直接T iO 2吸收光产生的。M a [61]利用激光干涉刻蚀技术制造出了周期为450nm 颗粒直径为100nm 的金膜周期结构,另外还证明了通过对周期性纳米金颗粒膜加热会减小纳米点和得到更好的纳米点可运用于太阳能电池。
普林斯顿大学Fo rr est 教授在叠单元结构的有机太阳能电池中间引入纳米银团簇层,增强光吸收,提高器件性能。纳米银团簇层不仅可以做双层电池的复合中心,还可以在纳米束的表面产生等离激元(SPP )而增加吸收,SPP 增强范围在A g 层10nm 的范围。实验表明在5nm Ag 层附近10nm 的有机电介质范围有入射光场的增强,其中纳米粒子空间,形状,还有有复介电常数的电介质在决定增强强度都很重要,他们并在理论上分析了金属纳米颗粒的表面等离子激元的共振吸收增强等效应和金属颗粒的尺度和形貌的依赖关系[11]。Heidel 等[62]将红荧烯材料制作的光吸收天线用于基于酞菁铜和C 60的小分子有机太阳能电池中,通过表面等离子激元极化和辐射实现能量转换并将天线吸收的光耦合进太阳能电池中,极大地增强了吸收峰之间的谱隙吸收。以上几个例子,均是使用局域表面等离子激元的场增强效应,也可以利用非局域表面等离子激元效应。比如,可直接使用具有介观光学结构金属薄膜作为电极,通过表面等离子激元的共振耦合增加光吸收[53],在满足动量守恒条件下,光波和表面等离子激元波发生强烈耦合,表面等离子波可沿金属/介质表面传播百微米量级的路程,极大地增加工作介质对入射太阳光的有效吸收长度。M oulin 等[63]研究了硅太阳能电池中作为背电极的银纳米颗粒电极分布状态对光强吸收的影响,指出不管纳米银颗粒是彼此分离的还是连结在一起,都能在长波段减少反射,另外还指出,作为背电极的银纳米颗粒应该有电介质包裹以减少光学损失。美国科学家Lag emaat 等[64]实现利用乳胶刻蚀技术制作的有纳米孔结构的透明银电极,当纳米孔直径为92nm 时产生表面等离子激元增强导致的内量子效率的极大增强,从而导致光电转换的增加,而且这样的纳米孔结构的透明电极有很大的可能用于替代I T O 透明电极,来应对地球上稀缺的铟资源问题。Haug 等[65]也报道他们研究不同电介质环境对银层的表面等离子激元共振的影响,他们测量了空气,氧化锌,和无定形硅这三种材料和银层接触面的光谱反射率,得到由于介质和金属表面等离子激元共振产生的吸收在能量低于119eV 时最容易发生,另外还指出对于硅太阳能电池,在硅层和银反射层之间加上一层氧化锌缓冲层可以减少吸收损失。
作者也作了一些相关的基础研究工作,在平面介观光学
结构的有机光电器件中,利用相应的边界条件,求解麦克斯韦方程组,得到器件中的表面等离子激元的色散关系和不同模式的能量分布。在实验上观察到不同结构的金属二维薄膜对光吸收和光致发光的增强效应。分析了不同因素对增强效应的贡献。研究表明适当的复合微纳结构有希望应用于光伏器件,增加光的俘获效率,也可用于有机电致发光器件提高量子效率[66]。
3 存在问题与发展趋势
利用介观光学结构和表面等离子激元共振耦合和场增强效应,提高O PV s 的能量转化效率的研究是近几年才开始的,相关的工作报道还不太多,但是人们对此课题的关注与日俱增。此研究领域充满了机遇和挑战。很多问题有待于解决,比如:
(1)目前对O PV s 中表面等离子激元,及其与光场的相互作用和对OP Vs 性能影响的机理还不完全清楚。比如,局域和非局域表面等离子激元对激子的传输、激子的分离和电荷载流子在有机介质中传输的影响,不同金属/介质微纳异质结构的形貌,如周期性、尺度大小和对称性等,对表面等离子激元行为的影响,如何从理论上设计最佳介观光学结构,最大程度上提高O PV s 的性能等问题,还需要进一步研究。
(2)表面等离子激元共振增强光吸收,对照明光的入射角和波长有较强的选择性。光波和表面等离子激元波的强烈耦合只发生在满足动量守恒条件下,即K sp,
M etal/Me dium
+mK =
X c
sin H , m =0,?1,?2,,K
sp
为SP 波的波失,K 为光栅的波矢,H 为光波的辐射角度,
所以介观光学结构对吸收增强只能对一定的波长和一定的入射角有效,但是太阳光从近紫外到红外具有非常宽的光谱分布,同时太阳能电池往往工作在不同的阳光入射角下。这要求人们设计和制备对宽谱带都有良好响应的微纳结构,以便有效地提高OP Vs 性能。
(3)OP Vs 中介观结构制备方法单一并且工艺复杂;在O PV s 中实现有机/金属、金属/空气两种模式的SP P 的交叉耦合,以及光吸收增强,必须在金属阴极中引入介观光学微结构,目前文献中的制备方法多为光刻、离子刻蚀、加热团簇、电化学腐蚀等等,很多不能有效地应用于有机薄膜,需要发展更多和更简便的制备方法。
References
[1] ZH ANG Zheng -hua,LI Ling -lan,YE Chu -pin g,et a(张正华,李陵岚,叶楚平,等).S olar Battery(有机太阳电池与塑料太阳电池).
Beijing:Chem ical Indu stry Press(北京:化学工业出版社),2006.
[2] M ichael Gratz el.Chemistry Letters ,2005,34(1):8.
[3] H UANG Chun -hui,LI Fu -you,HU ANG Yan -yi(黄春辉,李富友,黄岩谊).Ultrathin Films for Opticsand Electronics(光电功能超薄
膜).Beijing:Pek ing U nivers ity Press(北京:北京大学出版社),2001.
[4] LEI Yong -quan(雷永泉).New Energy M aterials(新能源材料).Tianjin :T ian jin U niver sity Press(天津:天津大学出版社),2000.
1165
第5期 光谱学与光谱分析
1166光谱学与光谱分析第31卷
[5]S ean E S hah een.M RS Bulletin,2005,30:10.
[6]LI Jun-feng,WANG S-i cheng,ZH ANG M in-ji,et al(李俊峰,王斯成,张敏吉,等).Chinese Solar PV Report2007(中国光伏发展报
告#2007).Beijing:Chin a Entironmental S cien ce Pres s(北京:中国环境科学出版社),2007.
[7]Brow n A S,Green M A.Phys ica E,2002,14(1-2):31.
[8]Brabec C J,Sariciftci N S,H umm elen J C.Adv.Fu nct.M ater.,2001,11(1):15.
[9]S charber M C,Wuh lbacher D,Koppe M,et al.Adv M ater,2006,18(6):789.
[10]Gun es S,Neugebauer H,S ariciftci N S.Chem.Rev.,2007,107:1324.
[11]Xue J G,U chida S,Rand B P,et al.Journal of Applied Physics,2004,96:7519.
[12]Peumans P,Yakimov A,Forres t S R.J ou rnal of Ap plied Physics,2003,93:3693.
[13]H UANG Song-yu,DENG H u-i hua,L AN M in-bo,et al(黄颂羽,邓慧华,蓝闽波,等).C hinese Journ al of Chemical Physics(化学物理
学报),1997,10(2):150.
[14]H UANG Bo-sh eng(黄宝圣).Journal of Chemical Education(化学教育),2002,23(7):7.
[15]DENG Xian-yu,YU Gang,CAO Yon g(邓先宇,俞钢,曹镛).Research&Prog ress of SSE Solid State Electr onics(固体电子学研究
与进展),2002,22(3):249.
[16]Brabec C J,Sariciftci N S,H umm elen J C.Adv.Fu nct M ater,2001,11:15.
[17]SU M eng-chan,YI L-i xin,WANG Yang,et al(苏梦蟾,衣立新,汪洋,等).Sp ectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析),
2008,28(4):740.
[18]T ang C W,Vanslyk e S A.Appl.Phys.Lett.,1986,48(2):183.
[19]Yu G,Gao G,H um melen J C,et al.Science,1995,270(5243):1789.
[20]M ariano Camp oy-Quiles,T oby Ferencz i,T iziano Agos tinelli,et al.Nature M aterials,2008,7:158.
[21]Youngk yoo Kim,Steffan Cook,Sachetan M Tuladhar,et al.Nature M ater,2006,5:197.
[22]T racey M Clarke,Amy M Ballan tyn e,Jen ny Nelson,et al.Adv.Funct.M ater,2008,18:4029.
[23]J in Youn g Kim,Kw angh ee Lee,Nelson E C oates,et al.S cience,2007,317(5835):222.
[24]C oakley Kevin M,M cGehee M ichael D.Chem.M ater.,2004,16(23):4533.
[25]Ren qiang Yang,Renyu T ian,Jin gai Yan,et al.M acr om olecu les,2005,38:244.
[26]Gis ela L Schulz,Xiw en Chen,S teven H oldcroft.Appl.Phys.Lett,2009,94:023302.
[27]W ong W Y,Wang X Z,H e Z.Nature M aterials,2007,6:521.
[28]M cDonald S A,Kons tantatos G,Zhang S G,et al.Nature M atierials,2005,4:138.
[29]Campos L M,Tontch eva A,Gunes S,et al.C hem.M ater.,2005,17:4031.
[30]S un X B,Zhou Y H,W u W C,et al.Phys.Chem.B,2006,110(15):7720.
[31]C olladet K,Fourier S,Cleij T J,et al.M acro molecules,2007,40(1):65.
[32]S chilinsky P,As aw apirom U,S cherf U,et al.Ch em.M ater.,2005,17(8):2175.
[33]Zhang F,M ammo W,Andersson L M,et al.Adv.M ater.,2006,18(16):2169.
[34]Boer B De,S talmach U,M elzer C,et al.S ynthetic M etals,2001,121(1-3):1541.
[35]Ram os A M,Rispen s M T,van Dur en J K J,et al.J.Am.Ch em.Soc.,2001,123:6714.
[36]Roman L S,Andersson M R,Yohan nes T,et al.Adv.M ater.,1997,9:1164.
[37]M attoussi H,Rubn er M F,Zhou F,et al.Appl.Phys.Lett.,2000,77:1540.
[38]S haheen S E,Brabec C J,Sariciftci N S,et al.Appl.Phy s.Lett.,2001,78:841.
[39]W an g H aiqiao,Duan Lian,Qiu Yon g,et al.Appl.Polym.S ci.,2002,83:2195.
[40]T akagi K,Nishik aw a Y,Ku nisada H,et al.Chem.Lett.,2001,787:1244.
[41]C ravino A,Zerz a G,Neugeb auer H,et al.Syn th etic M etals,2001,121(1-3):1555.
[42]Lu zzati S,Scharb er M,Catellani M,et al.Synth.M et.,2003,139(3):731.
[43]Beek W J E,Wienk M M,Jan ssen R A J.Adv.M ater.,2004,16:1009.
[44]Arango A C,Carter S A,Brock P J.Appl.Ph ys.L ett.,1999,74(12):1698.
[45]H uynh W U,Dittm er J J,Alivisatos A P.S cien ce,2002,295:2425.
[46]Kum ar S,Nan n T J.M ater.Res.,2004,19(7):1990.
[47]Zhou E J,Tan Z,Yang C H,et al.M acrom ol.Rapid Commu n.,2006,27(10):793.
[48]H ou J H,H uo L J,H e C,et al.M acromolecules,2006,39(2):594.
[49]Zhou E J,Tan Z,Yang Y,et al.M acromolecules,2007,40(6):1831.
[50]H ou J H,T an Z,H e Y J,et al.M acromolecules,2006,39(14):4657.
[51]T an Z,Hou J H,H e Y J,et al.M acromolecules,2007,40(6):1868.
[52]Lu J S,Zheng Y,Chen Z J,et al.Applied Physics Letters,2007,91:201107.
[53]Yang Fan,Richard R Lu nt,Stephen R Forr est.Applied Physics Letter s,2008,92:053310.
[54]Roman L S,Ingan as O,Granlun d T,et al.Advan ced M aterials,2000,12:189.
[55] Kristofer T vingstedt,Nils -Kris ter Perss on ,Olle Ingan ?s.Applied Phys ics Letters,2007,91:113514.[56] E bbes en T W ,Lezec H J,Gh aemi H F,et al.Nature,1998,391:667.
[57] Pillai S,Catchpole K R,Tru pke T ,et al.Journal of Applied Phys ics,2007,101:093105.[58] Durr M ,M eng es B,Knoll W ,et al.Applied Phys ics Letters,2007,91:021113.
[59] An th ony J M orfa,Kathy L.Row len ,T homas H Reilly.Applied Ph ysics Letters,2008,92:013504.[60] Carl hagglund,M ichael Zach,Bengt Kasem o.Applied Phy sics Letters,2008,92:013113.[61] M a F,H ong M H ,Tan L S.Applied Physics A -M aterials Science &Proces sing,2008,93:907.[62] H eidel T D,M apel J K,Singh M ,et al.Applied Physics L etters,2007,91:093506.[63] M ou lin E,S ukmanow ski J,Luo P,et al.J ournal of Non -Crys talline Solids ,2008,354:2488.[64] Reilly T H,van de Lagem aat J ,T en ent R C,et al.Applied Phys ics Letters,2008,92:243304.[65] H aug F J,Soderstrom T,Cubero O,et al.Journal of Applied Ph ysics,2008,104:064509.[66] W an g Ziyao,Chen Zhijian,Lan Zhihao,et al.Applied Phys ics Letters,2007,90:151119.
Improvement of the Power Conversion Efficiency in Organic Solar Cells
M U L-i ping 1,2,YU A N Dan 2,H U A N M in 1,CH EN Zh-i jian 2*,XIA O L-i x in 2,Q U Bo 2,G ON G Q-i huang 2*1.Dali Co lleg e,D ali 671003,China
2.Stat e K ey L abor ator y fo r A rtificial M icr ostructures and M esoscopic Phy sics,Depa rtment of P hy sics,P eking U niver sity,Beijing 100871,China Abstract Energ y is mo st impor tant issue in the wo rld now because the chemical energ y (oil,natur al gas,coal et al)is on the edg e o f depleting.M any Co untr ies are now pay ing att entio n to the use of sun po wer.Pho tovo ltaic device is the most impo rtant way to make use of sun ener gy.Or ganic so lar cell is one pro mising kind of pho tovo ltaic dev ice,though it .s lo w po wer conver sion eff iciency ham pers its commercializatio n.T his paper briefly rev iewed two w ays to impro ve the pow er conver sion ef ficiency of org anic sola r cells and po inted o ut the unso lved problems.
Keywords O rg anic so lar cells;Pow er conver sion efficiency;Light abso rbing ;Surface plasmon
(Received M ay 10,2010;accepted Aug.20,2010)
*Co rr esponding author
敬告读者)))5光谱学与光谱分析6已全文上网
从2008年第7期开始在5光谱学与光谱分析6网站(w w https://www.360docs.net/doc/a6904887.html,)/在线期刊0栏内发布5光谱学与光谱分析6期刊全文,读者可方便地免费下载摘要和PDF 全文,欢迎浏览、检索本刊当期的全部内容;并陆续刊出自2004年以后出版的各期摘要和PDF 全文内容。2009年起5光谱学与光谱分析6每期出版日期改为每月1日。
光谱学与光谱分析期刊社
1167
第5期 光谱学与光谱分析
苏科初中物理九下《18.4能量转化的基本规律》word教案 (3)
四、能量转化的基本规律 学习要求 1．知道能量守恒定律。能举出日常生活中能量守恒的实例。有用能量转化与守恒的分析物理现象的意识。 2.初步了解在现实生活中能量的转化与转移有一定的方向性。 3.讨论和分析两个具体的永动机设计方案，说明永动机是不可能的。 学习指导 1．能量守恒定律：能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化或转移的过程中，其总量保持不变。能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。一切有能量转化或转移的场合，大到宇宙、小到原子核内部，也不论是生物、化学还是物理、地质现象，都遵守能量守恒定律。自然界中能的总量保持不变，但是对于某一物体可能改变。 2．能量转化和转移的方向性：热量只能从高温物体转移到低温物体，不能相反，具有方向性，否则就要消耗其他的能。不是什么能源都可以利用，能源的利用是有条件的，也是有代价的，有的东西能成为能源，有的则不能。虽然能量在转化和转移的过程中是守恒的，但具有方向性，因此我们一定要节约能源。 典型范例 例题市场经济的今天，一些厂商一改过去“酒香不怕巷子深”的做法，纷纷对产品进行广告宣传。可是有些厂商在广告上弄虚作假，夸大其词，欺骗消费者。如某品牌电热水器这样写道：“我厂电热水器功率只有55W，烧开一瓶水只需5min，节钱省电，最适合普通家庭使用。”这则广告可信吗？ 精析：电热水器烧开水，是电能转化为热能被水吸收的过程。方法一：根据题意求出电热水器所产生的热能，再利用热量公式，算出这些热量能够烧开多少质量的水，与事实进行比较，判断信息是否可信；方法二：先求出电热电热水器所产生的热能，再估算出烧开一瓶水所需要的热量，两者进行比较，判断信息是否可信，判断的依据是能量守恒定律。 全解：方法一：电热水器产生的热能为W=Pt=55W×5×60s=1.65×104J。 假设一般情况下烧开水是把水从20℃加热到100℃，则这些热量可以烧开的水的质量m＝ Q c△t ＝ W c△t ＝ 1.65×104J 4.2×103J/（kg·℃×（100℃-20℃）） ＝0.049kg。
太阳能电池物理学习题答案
1.电子空穴对的产生以及复合：太阳能电池通过吸收光子提供一电子-空穴对的最小的激发能量Eg，把电子从价带碰撞进入导带，这样就产生了电子-空穴对。电子-空穴对能够在半导体中产生，也可以复合在半导体中消失。辐射复合是电子-空穴对产生的反过程（即一个电子从导带到价带中未被占领的状态跃迁，同时释放能量。 2.P_N结伏安特性曲线： 3.异质结：在电子和空穴的分离过程中，电子流向左方N型半导体，空穴流向右方P型半导体。此时，电子的电化学势能以及电子的费米能级朝右方衰减，此时，也存在着向错误方向的传输，即电子流向右方p型层，和空穴流向左方n 行层，于总电流相关的电科电流减少。而要解决这一问题需要一种结构。吸收半 导体位于中间，两侧分别拥有大的能隙，并且具有不同的电子亲和能。这种结构 叫做异质结。 4.非晶硅薄膜太阳能电池：一.优点：制作工艺简单，在制备非晶硅薄膜的同时就 能制作pin结构。可连续大面积自动化批量生产。非晶硅太阳能电池衬底材料可 以是玻璃，不锈钢等，因而成本低。可以设计成各种形式，利用集成型结构，可 获得更高的输出电压和光电转换效率。薄膜材料是用硅烷SiH4等的辉光放电分 解得到的，原材料价格低。缺点：初始光电转换效率较低，稳定性较差。二.a-Si 太阳能电池效率低的原因：1）a-Si材料的带隙较宽，实际可利用主要光谱域是 0.35-0.7Um波长，相对的较窄。2）电池开路电压与预期相差较大。迁移边存 在高密度的尾态。材料多缺陷，载流子扩散长度很短。3）a-Si材料隙态密度较高，载流子复合几率较大，二级管理向因子通常大于二，与n=1的理想情况相差较大。4）电池P区和N区的电阻率较高。TCO/p-a-si或者n-a-si接触电阻较高，甚至存在界面壁垒，带来附加的能量损失。 结构：非晶硅太阳能电池是以玻璃，不锈钢及特种塑料为衬底的电池，结构如图所示。为了焦山串联电阻，通常用激光器将TCO膜，非晶硅（a-Si）和铝电极膜分别切割成条状。非晶硅薄膜的制备：把硅烷(SiH4)等原料气体导入真空度保持在10～1000P 的反应室中，由于射频(RF) 电场的作用，产生辉光放电，原料气体被分解，在玻璃或者不锈钢等衬底上形成非晶硅薄膜材料。 5.影响太阳能转化效率的因素：能隙——半导体能隙在1eV到1.5eV之间对太阳能电池是适合的 6.光生伏打效应：当太阳光或其他光照射到太阳电池上的时候，电池吸收光能，产生电子-空穴对，在电池内建电场的作用下光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的累积，即产生光生电压，这就是光生伏打效应。
能量转化效率专题
能量转化效率专题 一、能量转化效率计算（公式：能量转化效率=有效利用的能量÷总能量） 1、炉子的效率： 例题：用天然气灶烧水，燃烧0.5m 3 的天然气，使100kg 的水从20℃升高到70℃.已知水的比 热容c=4.2×103J/（kg ·℃）,天然气的热值q=7.0×107J/m 3 。求： (1)0.5m 3 天然气完全燃烧放出的热量Q 放。 （2）水吸收的热量Q 吸。 （3）燃气灶的效率η。 2、太阳能热水器的效率： 例题：某太阳能热水器的水箱接受太阳热辐射2.4×107 J,如果这些热量使水箱内50L 温度30℃的水，温度上升到57℃，求太阳能热水器的效率。 3、汽车的效率： 例题：泰安五岳专用汽车有限公司是一家大型的特种专用汽车生产基地。该厂某型号专用车在 车型测试中，在一段平直的公路上匀速行驶5.6km ，受到的阻力是3.0×103 N ，消耗燃油1.5×10－3m 3（假设燃油完全燃烧）。若燃油的密度ρ＝0.8×103kg/m 3，热值q ＝4×107 J/kg ，求： （1）专用车牵引力所做的功。 （2）已知热机效率η＝W Q （式中W 为热机在某段时间内对外所做的功，Q 为它在这段时间内所消耗的燃油完全燃烧所产生的热量），则该专用车的热机效率是多少？ 4、电热水器的效率： 例题：标有“220V,1000W ”的电水壶内装有2kg 的水，正常工作10min ，使水温升高了50℃，求：（1）水吸收的热量是多少J ？ （2）电水壶消耗了多少J 的电能？ （3）此电水壶的效率是多少？
5、电动机车的效率： 电动自行车以其轻便、经济、环保倍受消费者青 睐。某型号电动自行车的主要技术参数如表所示。在某平直路段上，电动自行车以额定功率匀速行驶时，受到的平均阻力为40N 。若自行车以7m/s 的速度行驶了1min 则， ①此时自行车克服阻力做了多少功？ ②消耗了多少J 的电能？ ③电动自行车的效率多大？ 巩固练习： 1、天然气在我市广泛使用，已知天然气的热值为4×107 J ／m 3 。，完全燃烧0.05m 3 天然气可以放出多少J 的热量，这些热量若只有42％被水吸收，则可以使常温下5kg 的水温度上升多少℃。 [水的比热容为4.2×103 J/(kg ·℃)] 2、小红家里原来用液化石油气烧水，每天用60℃的热水100kg 。她参加“探究性学习”活动后，在老师和同学的帮助下，制造了一台简易的太阳能热水器。 （1）若用这台热水器每天可将100kg 的水从20℃加热到60℃，这些水吸收的热量是多少？ （2）若液化石油气燃烧放出的热量有70%被水吸收，她家改用太阳能热水器后平均每天可节约液化石油气多少kg ？（液化石油气的热值是8.0×107 J/kg ） （3）请你说出太阳能热水器的优点。（至少说出一条） 3、太阳能热水器是直接利用太阳能给水加热的装置，下表是小明家的太阳能热水器某天在阳光 照射下的相关信息：其中太阳辐射功率是指1h 内投射到1m 2 面积上的太阳能 求：（1）水在10h 内吸收的热量； （2）太阳能热水器的能量转化效率。 4、如图所示为小艳家新买的一辆小汽车．周末，爸爸开车带着小艳出去游玩，途中，这辆汽车在1h 的时间内，在水平路面上匀速行驶了72km ，消耗汽油6kg ．若已知该汽车发动机的功率（即 牵引力的功率）为23kW ，汽油的热值为4.6×107 J/kg ，g=10N/kg ．则 （1）该汽车克服阻力做的功是多少； （2）该汽车的牵引力是多少N （3）该汽车发动机的效率是多少。 5、随着“西气东输”，天然气进入扬州市民家庭，小明家已经开始使用天然气了。小明家原来
四、 能量转化的基本规律
[第十八章四、能量转化的基本规律] 一、选择题 1．下列关于能量的转化和守恒的说法中，错误的是() A．高山上滚下的石块越来越快，说明重力势能转化为动能 B．酒精燃烧时，将化学能转化为内能 C．发电机发电时，将机械能转化为电能 D．人们对太阳能的开发和利用，说明能量可以凭空产生 2．近年来，我国沿海地区利用潮汐现象建成了潮汐能发电站，其原理就是利用海水的流动来推动发电机工作．从能量转化的角度来讲，潮汐能发电是将() A．海水的机械能转化成电能 B．海水的化学能转化成电能 C．电能转化成海水的势能 D．电能转化成海水的机械能 3．单摆在振动过程中，摆动幅度越来越小．在这个过程中() A．能量逐渐消失 B．动能转化为势能 C．机械能守恒 D．总能量守恒，机械能转化为其他形式的能 4．下列关于能量转化或转移过程的说法中正确的是() A．摩擦生热的过程是不可逆过程 B．所有能量守恒的过程都能自发地发生 C．空调既能制热又能制冷，说明热传递不存在方向性 D．任何能量间的转化和转移都必须遵守守恒定律，任何两种能量间都可以自发地相互转化 5．下列有关能或能源的讨论中，你认为错误的是链接例2易错警示() A．人类社会面临能源危机，总有一天能量会被消耗殆尽 B．煤、石油、天然气的储量有限，人类将面临能源危机 C．很多传统能源已走向枯竭，但我们可以开发新的能源 D．太阳能、风能、水能、潮汐能是取之不尽的
二、填空题 6．指出下列现象中能量的转化或转移情况： (1)气体膨胀做功：___________________________________________________________； (2)植物进行光合作用：________________________________________________________； (3)燃料燃烧：_____________________________________________________； (4)风吹动帆船前行：______________________________________________________. 7．在公路上疾驶的汽车急刹车时，车轮停止转动，此时轮胎表面温度会急剧升高产生冒烟现象，并在地面上留下黑色痕迹，在此过程中是__________能向________能转化．8．原子核是由质子和________构成的．电动机将______能转化为其他形式的能．电能可以使电灯发光，同时产生内能散失到空气中，但这些内能却无法自动地转化为电能，这说明能量的转化或转移是有________的． 9．一种冷暖两用型空调，铭牌标注：输入功率1 kW，制冷能力为1.2×104 kJ/h，制热能力为1.3×104 kJ/h.这样，该空调在制热时，每消耗1 J电能，将放出3 J的热量，是指标错误吗？答：________；能量守恒吗？答：________． 10．如图17－K－1所示是某科技馆的一台“永动机”，由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有形状记忆合金制成的叶片，进入热水后因叶片伸展“划水”而转动，离开热水后形状记忆合金迅速复原．关于该“永动机”，下列说法正确的是() 图17－K－1 A．科技发展制造出了永动机 B．转动会使水温升得更高 C．记忆合金是一种新型化合物 D．水的内能转化为转轮的机械能
电力能量转换效率测量方法 (应用指南)
是德科技 能量转换效率测量方法 应用指南
什么是能量转换效率？ 效率是对为完成特定任务而投入的时间和精力的有效性评估。如果此任务是将一种形式的能量转换为另一种能量，那么转换效率指的是能量转换的实施效果。对于电力转换过程而言，效率的测量方式为输出功率（单位为瓦特）除以输入功率（单位为瓦特），用百分比表示。在电力电子学中，使用希腊字母（η）来表示效率。参见图 1。 理想的电力转换过程的效率为 100%。但是，达到 100% 的效率是不可能的，因为所有真实的电子器件均会以热能的形式损失部分能量。部分输入功率用于能量转换过程本身，因此输入功率不会完全转换为输出功率。因此，效率必定小于 100% 。 Power out (W) Efficiency(%)x100 Power in (W) =η=图 1. 效率（η）是用输出功率（单位为瓦特）除以输入功率（单位为瓦特）所得结果的百分比。 能量转换效率为什么重要？ 显而易见，能量转换效率越高，损耗的能量就越少。能量损耗会产生诸多成本：资金，因为我们为消耗的能源付费；时间，因为我们必须更频繁地为电池供电设备充电；产品尺寸，因为能量损耗所产生的热量必须得到恰当消散；以及环境污染，因为需要产生更多能量来补偿损耗的能量。为降低与能量转换过程相关的成本，工程师投入大量精力以期尽量提高转换过程的效率。国际标准对交流电源供电的家用电器的功耗水平进行了限制。例如，在美国，美国能源部（DOE ）规定了能源效率标准，要求产品必须符合这些标准。此外，“能源之星”计划还督促各厂商自愿遵循比 DOE 标准更为严苛的标准。此类计划突出了合理设计能量转换过程的重要性，此类设计能够减少能耗和提高效率。另外，HEV/EV （混合动力电动汽车/电动汽车）市场的快速发展，以及车辆电气化程度的日益提高，推动着对提高能量转换技术效率的需求不断高涨。所有这些发展趋势，促使您需要合理测量和管理自身设计的功耗情况。
太阳能原理
太阳能原理 太阳能是指太阳光的辐射能量。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源利用方式。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。 利用太阳能的方法主要有： * 使用太阳电池，通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能 * 使用太阳能热水器，利用太阳光的热量加热水 * 利用太阳光的热量加热水，并利用热水发电 * 利用太阳能进行海水淡化 太阳能原理很复杂，一般可以用半导体来实现光电转换。而且现在的转换效率越来越高。现在，太阳能的利用还不很普及，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题，但是太阳电池在为人造卫星提供能源方面得到了应用。 目前，全球最大的屋顶太阳能面板系统位于德国南部比兹塔特（Buerstadt），面积为四万平方米，每年的发电量为450万千瓦。 利用太阳能原理发电的系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。各部分的作用为： （一）太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本； （二）太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项； （三）蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。
初中物理专题复习能量转化中的效率计算
初中物理专题复习能量转化中的效率计算 能量可以从一种形式转化为另一种形式，要实现这种能量的转化需要一定的设备，由于设备本身的限制，不可能将一种能量全部转化为另一种能量，这就出现了设备的效率问题。笔者发现，2011年各地中考以设备的效率为载体，围绕有用的能量和总能量涉及的相关知识设置考点，试题的综合性较强，覆盖初中物理的力、热、电、能量等知识。 1．锅炉的效率 例1．（2011鞍山）某中学为学生供应开水，用锅炉将200kg的水从25℃加热到100℃，燃烧了6kg 的无烟煤。水的比热容是4.2×103J／（kg·℃），无烟煤的热值是3.4×l07J／kg。求： （1）锅炉内的水吸收的热量是多少? （2）无烟煤完全燃烧放出的热量是多少? （3）此锅炉的效率是多少? 解析：试题以锅炉为载体，考查了吸热升温公式和燃料燃烧放热公式。要求锅炉的效率，需要清楚锅炉将燃料燃烧放出的热量转化为水的内能，因此水温度升高吸收的热量是有用的能量，无烟煤完全燃烧放出的热量是总能量。 答案：（1） （2） （3）锅炉的效率
2．柴油抽水机的效率 例2．（2011荆门）今年我省出现大面积干旱，造成农田缺水，严重影响农作物生长，为缓解旱情，很多地方采用柴油抽水机从江湖中引水灌溉。某柴油抽水机把湖水抬升4.5m流入沟渠，再去灌溉农田。已知在2h内抬升了1600m3的水，此柴油抽水机的效率为40%，柴油的热值为4.5×107J/kg，g取10N/kg，求：（1）此柴油抽水机2h做了多少有用功？℃ （2）此柴油抽水机工作2h消耗了多少柴油？ （3）此柴油抽水机的总功率为多少千瓦？ 解析：柴油抽水机将柴油完全燃烧产生的能量通过克服重力做功转化为水的重力势能。试题以此为载体，考查了质量、密度、重力、热值、功和功率等知识。 （1）虽然抽水机是将水连续地分批抽上去，我们可以想象成抽水机将全部1600m3的水一次性地在2h 内缓慢抬升4.5m，这就是等效法的应用。这样利用计算出水的质量，再用计算重力，然后用就可以计算出有用功。 （2）要计算柴油的质量，需要先计算柴油燃烧放出的热量。这就要利用柴油抽水机的效率为40%这个数据。教学中发现很多同学常犯一个错误，就是利用柴油抽水机做的有用功去乘以效率。避免错误的方法 是想清楚柴油燃烧放出的热量是总的能量，总的能量要比有用的能量数值大。应该根据，得到 。 （3）柴油抽水机的总功率应该用总能量除以时间计算，总能量就是柴油燃烧放出的热量，时间是2h，要注意把单位化成秒。 答案：（1）
184能量转化的基本规律
四能量转化的基本规律 【设计意图】 本节内容是对本章及以前所学物理知识从能量的观点进行了一次综合、深化和再认 识?教材首先分析自然界中各种能量之间的转化，揭示它们之间的本质联系：能量，并分析 一系列熟知的能量转化的事例，指出能量的转化与守恒. 最后阐述了能的转化与守恒定律的普遍性和重要性. 能量守恒定律是一个实验规律，列举能量转化的实例，是学生理解和掌握能量守恒的基 础，因此在教学过程中要充分利用学生已知知识，对这些实例中的能的转化进行具体分析. 在教学过程中，强调定律的两个方面：转化与守恒.另外还要强调该定律的普遍性和重要性，可列举19世纪的自然科学史对学生进行教育. “能量转移和转化的方向性”是本节教学的一个难点. 教学时借助学生熟悉的生活实例介绍，并帮助他们初步了解有关知识?教材中是以“水往低处流（黄果树瀑布）”“热水中的冰块”等引入“自发过程”及其方向性问题的，其中功热转换过程、热传导过程以及气体自由膨胀过程的方向性问题，在教学中应通俗且不违背科学地解释有关问题。 【教学目标】 一、知识与技能 1?通过实例认识能量可以从一个物体转移到另一个物体，不同形式的能量可以互相转化. 2?知道能量守恒定律，能举出日常生活中能量守恒的实例. 3初步了解在现实生活中能量的转化与转移有一定的方向性. 4、认识到日常生活中合理利用能源与节约能源的重要性。 二、过程与方法 1?能在观察物理现象或物理学习过程中发现一些问题。有初步的提出问题的能力。 2?通过参与科学探究活动，初步认识科学研究方法的重要性。有对信息的有效性作出判断的意识。3?学习从物理现象和实验中归纳简单的科学规律，尝试应用已知的科学规律去解释某些具体问题。有初步的分析概括能力。 三、情感态度与价值观 1.能保持对自然界的好奇，初步领略自然现象中的美妙与和谐，对大自然有亲近、热爱、和谐相处的情感。 2.具有对科学的求知欲，乐于探索自然现象和日常生活中的物理学道理。 3.养成实事求是、尊重自然规律的科学态度，不迷信权威，具有判断大众传媒是否符合科学规律的初步意识。 【重点难点】 1、能量转化与守恒 2、能量的转移与转化有一定的方向性 【教学器材】 演示用玻璃毛细管一套、适量红墨水、烧杯两只、水、少量棉花。 【课前准备】上网查询有关历史上的永动机方案，能大概说明它不能永动的原因。 【教学过程】
各种形式的能量之间相互转化的实例
各种形式的能量之间相互转化的实例 1．光能→内能：晒东西会晒烫 2．光能→机械能：太阳帆、用强光照射物体使之膨胀做功 3．光能→电能：太阳能电池 4．光能→化学能：光合作用 5．机械能→内能：摩擦生热、钻木取火、内燃机的汽缸的压缩冲程、自行车骑久拉车胎发热、跑步可以使身体变暖、打气筒打气气筒变热 6．机械能→光能：（暂时想不起来直接转换的）一个手摇发电机接导线连上小灯泡，就是机械能转化成光能、打火石、一种自行车，前轮上有个灯，当骑起来后靠灯和车圈的摩擦灯会亮。这就是机械能转化为了光能 7．机械能→电能：水坝发电、风车发电 8．机械能→化学能：（暂时想不起来直接转换的）在一个存在二氧化硫、三氧化硫和氧气的密闭容器中，用外力压缩容器，化学平衡向生成二氧化硫和氧气的方向移动。机械能转化为二氧化硫和氧气的化学能 这个反应由机械能转化为化学能但是中间有环节-就是压缩气体时气体的内能增加从而为反应提供能量从而促使反映行，还要注意了，发生这个反映的正常情况是400-500度的高温而且还要有无氧化二钒作为催化剂。 9．电能→内能：电热炉 10．电能→光能：电灯 11．电能→机械能：启动机、电动机工作 12．电能→化学能：给蓄电池蓄电 13．化学能→内能：浓硫酸稀释放热 14．化学能→光能：镁燃烧发出强光、萤火虫发光 15．化学能→机械能：炸药爆炸 16．化学能→电能：电池放电 17．内能→光能：电灯泡钨丝发热后会发光 18．内能→机械能:火力发电、蒸汽机 19．内能→电能：（暂时想不起来直接转换的）火力发电 20．内能→化学能：（暂时想不起来直接转换的）Ba(OH)2+NH4Cl的反应（吸热）
太阳能电池的的性能主要取决于它的光电转换效率和输出功率
太阳能电池板太阳能电池的的性能主要取决于它的光电转换效率和输出功率. 1.效率越大,相同面积的太阳能电池板输出功率也就越大, 用高效率的太阳 能电池板可以节省安装面积, 但是价格更贵. 2.太阳能电池的功率, 在太阳能电池板的背面标牌中, 有关于太阳能电池 板的输出参数, 如VOC开路电压,ISC短路电流,VMP工作电压,IMP工作电流, 等. 但我们只需要用工作电压和工作电流就可以了, 这两个相乘就可以得 这块太阳能电池板的输出功率. 太阳能电池板介绍：采用高质量单晶/多晶硅材料,经精密设备树脂封装生产出来的太阳能板,有良好的光电转换效果,外形美观,使用寿命长。 太阳能电池板的作用是将太阳的光能转化为电能后，输出直流电存入蓄电池中。太阳能电池板是太阳能发电系统中最重要的部件之一。 太阳能电池组件可组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。太阳能电池板的功率输出能力与其面积大小密切相关，面积越大，在相同光照条件下的输 出功率也越大。 2.太阳能电池板的种类 (1)单晶硅太阳能电池 目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。 (2)多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12%左右(2004年7月1日日本夏普上市效率为%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单 晶硅太阳能电池还略好。
能量转化中的效率计算
能量转化中的效率计算 能量可以从一种形式转化为另一种形式，要实现这种能量的转化需要一定的设备，由于设备本身的限制，不可能将一种能量全部转化为另一种能量，这就出现了设备的效率问题。笔者发现，2019年各地中考以设备的效率为载体，围绕有用的能量和总能量涉及的相关知识设置考点，试题的综合性较强，覆盖初中物理的力、热、电、能量等知识。 1．锅炉的效率 例1．（2019鞍山）某中学为学生供应开水，用锅炉将200kg 的水从25℃加热到100℃，燃烧了6kg的无烟煤。水的比热容是4.2×103J／（kg·℃），无烟煤的热值是3.4×l07J／kg。求： （1）锅炉内的水吸收的热量是多少? （2）无烟煤完全燃烧放出的热量是多少? （3）此锅炉的效率是多少? 解析：试题以锅炉为载体，考查了吸热升温公式和燃料燃烧放热公式。要求锅炉的效率，需要清楚锅炉将燃料燃烧放出的热量转化为水的内能，因此水温度升高吸收的热量是有用的能量，无烟煤完全燃烧放出的热量是总能量。 答案：（1） （2） （3）锅炉的效率
2．柴油抽水机的效率 例2．（2019荆门）今年我省出现大面积干旱，造成农田缺水，严重影响农作物生长，为缓解旱情，很多地方采用柴油抽水机从江湖中引水灌溉。某柴油抽水机把湖水抬升4.5m 流入沟渠，再去灌溉农田。已知在2h内抬升了1600m3的水，此柴油抽水机的效率为40%，柴油的热值为4.5×107J/kg，g取10N/kg，求： （1）此柴油抽水机2h做了多少有用功？℃ （2）此柴油抽水机工作2h消耗了多少柴油？ （3）此柴油抽水机的总功率为多少千瓦？ 解析：柴油抽水机将柴油完全燃烧产生的能量通过克服重力做功转化为水的重力势能。试题以此为载体，考查了质量、密度、重力、热值、功和功率等知识。 （1）虽然抽水机是将水连续地分批抽上去，我们可以想象成抽水机将全部1600m3的水一次性地在2h内缓慢抬升 4.5m，这就是等效法的应用。这样利用计算出水的质量，再用计算重力，然后用就可以计算出有用功。 （2）要计算柴油的质量，需要先计算柴油燃烧放出的热量。这就要利用柴油抽水机的效率为40%这个数据。教学中发现很多同学常犯一个错误，就是利用柴油抽水机做的有用功去乘以效率。避免错误的方法是想清楚柴油燃烧放出的热量是总的能量，总的能量要比有用的能量数值大。应该根据，得
九年级物理下册 第十八章 能源与可持续发展 四 能量转化的基本规律教案 (新版)苏科版
四、能量转化的基本规律 教学目标 知识与技能 (1)知道能量是可以转移和转化的． (2)知道能量守恒定律，并能用它来解释有关简单的实际问题． (3)初步了解能量转移和能量转化的方向性． 过程与方法 (1)通过实验能运用能量守恒定律分析“永动机”失败的原因． (2)以思考、讨论为主体会能的转化有方向性． 情感态度与价值观 (1)学会用辩证唯物主义的观点看问题． (2)培养学生将所学知识服务于社会的意识和能力． 教学重点难点 重点：能量转化和守恒定律． 难点：对能量转移和转化的方向性的认识． 教学过程： 导入新课 回顾“机械能和内能”一章中机械能的转化问题．并请同学谈谈自己的认识．既然动能和势能可以互相转化，那么，自然界中不同形式的能量之间是否也可以互相转化呢?在转化过程中能量又遵循何种规律呢?这就是我们今天要研究的问题． 历史上曾经有不少人企图发明一种可以不消耗能量，又能不断对外做功的机器，号称永动机。同学们你们认为这种设计叮行吗? 学生争议． 这种机器最终以失败而告终，为什么?今天我们将研究这个问题．(设疑引入) 乒乓球下落过程中，弹起高度越来越小；将单摆拉到适当高度放手后自由摆动过程中摆起的高度越来越小．乒乓球和单摆在运动过程中能量是如何转化的? 学生回答． 在转化的过程中，弹起高度越来越小，单摆摆起的高度越来越小，是不是因为能量在转
化过程中逐渐减少呢?(错误经验引入) 解读探究 1．能量的转化和转移 想一想：自然界中各种形式的能之间是可以相互转化的．同学们能举出一些实例证明这个观点吗? 说一说：汽轮机带动发电机发电(机械能一电能)电动机带动风扇转动(电能一机械能) 光电池提供电压(光能一电能) 白炽电灯发光(电能一内能一光能) 燃料燃烧(化学能一内能) 讨论交流：同一种形式的能量在物体中可以转移吗?(学生展开讨论交流) 议一议：小孩在水平地面上弹玻璃小球，当甲球从手中弹出而撞击静止的乙球后，乙球即沿地面向前滚动．在此过程中，乙球获得的机械能从何而来?这个现象说明了什么?(学生各抒己见，充分发表自己的观点) 点拨：乙球获得的机械能从甲球传递而来．说明同一种形式的能量可以在物体之间转移． 讨论交流：请同学说出各例中是什么能量发生转移?转移是怎样进行的? 总结：草通过光合作用吸收太阳能，兔子吃草吸收草的能量，人或其他动物吃兔子吸收兔子的能量，人通过吸收食物的能量才能进行各种运动．自然界中的能量在不停地转移和转化，我们是在能的转移和转化过程中利用能量的． 2．能量守恒定律 看一看：引导学生看课本活动“水滴实验”． 做一做：仿照课本图18一14(a)、(b)利用棉纱吸水提高水位．看一看什么情况下棉纱带能使杯中的水滴下?(a图中的水能滴下，b图不能) 总结：“永动机”失败的原因说明自然界存在一条法则：我们不可能无中生有地获得能量科学家经过长期探索终于发现各种形式的能量在相互转化时遵循一种规律，即能量的转化和守恒定律。 能量守恒定律是19世纪自然科学的三大发现之一，也是自然界最普遍、最重要的基本规律之一，恩格斯把它称作“伟大的运动基本定律”。自然界的一切变化过程，小到原子世界，
太阳能电池转换效率
Research on New Technologies of Photoelectric Conversion Efficiency in Solar Cell Tianze LI, Chuan JIANG, Cuixia SHENG School of Electric and Electronic Engineering Shandong University of Technology Zibo 255049 ,China e-mail: ltzwang@https://www.360docs.net/doc/a6904887.html, Hengwei LU,Luan HOU, Xia ZHANG School of Electric and Electronic Engineering Shandong University of Technology Zibo 255049 ,China e-mail: henrylu007@https://www.360docs.net/doc/a6904887.html, Abstract—The characteristics of the solar energy and three conversion mode of solar energy including photovoltaic conversion, solar thermal conversion, and photochemical conversion are represented in this paper. On this basis,the materials used in solar cell, as well as the working principle of solar cells, the factors of low convert efficiency of solar cells and the two major bottlenecks encountered in the solar application are analyzed.The idea that spontaneous arrangement of compound organic molecules is achieved by changing the molecular arrangement structure of the organic thin-film solar is put forward. The new structure of liquid crystal layer come into being accordingly so that the electron donor and the receptor molecules of the mixture are separated, and the contacting area between them is enlarged. So the efficiency solar photovoltaic is improved. The research and development of this new technology can solve the technical problem of the low conversion efficiency of solar cell, and open up an effective way to improve the conversion efficiency of solar cells. At last,the prospect of solar photovoltaic technology, solar energy exploit technology and the development of industry is offered in the article. Keywords- photoelectric conversion efficiency; electron donor and recipient; photovoltaic generate power technology I.I NTRODUCTION Energy is the material basis of human society survival and development. In the past 200 years?the energy system based on coal, oil, natural gas and other fossil fuel has greatly promoted the development of human society. However, material life and spiritual life is increasing, the awareness of serious consequences brought from the large-scale use of fossil fuels is increasing at the same time: depletion of resources, deteriorating environment, in addition to all of the above, it induce political and economic disputes of a number of nations and regions, and even conflict and war. After in-depth reflection of the development process of the past, human advance seriously the future path of sustainable development. Today in the 21st century, there is no a problem as important as a sustainable energy supply, especially for the benefit of solar energy development and has been highly concerned by all mankind. Around the world are faced with limited fossil fuel resources and higher environmental challenges, it is particularly important to adhere to energy conservation, improve energy efficiency, optimize energy structure, rely on scientific and technological progress, development and utilization of new and renewable sources.After analyzing two bottleneck problems which affect the conversion efficiency of the solar cell, we put forward a new structure of molecular arrangement of the solar cell to improve the conversion efficiency of the solar cell. II.T HE F EATURES O F S OLAR A ND T HREE C ONVERSION M ODES A.The Features of Solar Solar resources are solar radiation energy on the entire surface of the earth. Solar energy has four features. Firstly, solar energy is sufficient. The gross of solar radiation energy on the surface of the earth is about 6h1017kWh every year. It can be used several billions of years, which is reproducible and cleanest. It isn’t monopolized by any groups or coutries. Secondly, the energy density of solar energy is low. People want to obtain higher energy density by condensers. Thirdly, because of climatic change, the solar energy is mutative. For example, cloudy day and rainy day, the solar energy is weak. People should consider energy storage or use auxiliary devices which provide conventional energy to use solar energy in a row. Forthly, because of the earth rotation, the earth revolution and the angle between the axis of rotation and the orbital plane, days and sensons must change on the earth, solar energy must change too. Fifthly, use of solar energy can make energy level appropriate allocation, so heat energy is made used of. When the sun light shines on the earth, part of the light is reflected or scattered, some light is absorbed, only about 70% of the light which are direct light and scattered light passes through the atmosphere to reach the surface of the earth. Part of the light on the surface of the earth is absorbed by the objects surface, another part is reflected into the atmosphere. Fig.1 shows the schematic diagram of the sun incident on the ground. Figure1. Schematic diagram of the sun incident on the ground 978-1-4244-7739-5/10/$26.00 ?2010 IEEE
生物能量转换效率
生物能量转换效率 根据科技部发布的《全民节能减排手册》，如果每月用手洗代替一次机洗，每台洗衣机每年可节能约1.4千克标准煤，相应减排二氧化碳3.6千克。如果全国1.9亿台洗衣机都因此每月少用一次，那么每年可节能约26万吨标准煤，减排二氧化碳68.4万吨。 对于清洁衣服，很多白领和年轻人有着很高的要求，怕染色、怕交叉感染，所以常常一堆衣服要分两三次洗完。其实，这是一种不低碳的生活方式，专家表示，如果每月用手洗代替一次机洗，每台洗衣机每年可相应减排二氧化碳3.6千克。 读者王小姐说，冬天时，每个周六她都要花一个下午来洗衣服，贴身衣物、深色外衣、浅色外衣，至少要用洗衣机洗三次。“其实贴身衣物很小很薄，虽然衣服少，但是洗衣机不会偷懒，还是用那么多水和电，我总是觉得很浪费。现在天气暖和了，完全可以用手洗代替，不仅低碳，还更干净。”自从用手洗衣服后，王小姐说她每周的洗衣时间缩短了一个小时，而且用水量也明显减少了。“我发现洗衣服还挺累的，就当锻炼身体了！” 这里明显有个问题，科技部认为手洗是不用能量的！其实生物的能量转化效率是较低的。 一只鹰2千克要吃10千克小鸟能量传递效率2/10=20% 0.25千克小鸟要吃2千克昆虫能量传递效率0.25/2= 12.5% 100千克昆虫要吃1000千克绿色植物能量传递效率100/1000=10% 真正有用的质量只有： 20%×12.5%×10%=0.25% 而且，生物做功时，有用的质量变成机械能还要浪费大部分，分解一分子葡萄糖产生2870KJ能量，而只有1161KJ用于合成ATP，只有ATP中的能量才被用于生命活动，其余几乎都以热的形式散失了。算一算大约40%多吧。 这样看来，利用人的手工劳动以代替机器是得不偿失的。所以有经验的老板总是用机器代替工人，不会像科技部那样建议手洗代替机洗的。