能量转换与存储原理教学资料 design of c-si solar cells
能源科学导论第二章能量的转换与储存
❖ 历史上最著名的第一类永动机 是法国人亨内考在十三世纪提 出的“魔轮”，魔轮通过安放 在转轮上一系列可动的悬臂实 现永动，向下行方向的悬臂在 重力作用下会向下落下，远离 转轮中心，使得下行方向力矩 加大，而上行方向的悬臂在重 力作用下靠近转轮中心，力矩 减小，力矩的不平衡驱动魔轮 的转动。十五世纪，著名学者 达芬奇也曾经设计了一个相同 原理的类似装置，1667年曾有 人将达芬奇的设计付诸实践， 制造了一部直径5米的庞大机 械，但是这些装置经过试验均 以失败告终。
❖
❖ 除了利用力矩变化的魔轮，还有利用浮力、水力等 原理的永动机问世，但是经过试验，这些永动机方 案要么被证明是失败的，要么被证明是骗局，无一 成功。
❖ 1775年法国巴黎科学院通过决议，宣布永不接受永 动机。
❖
1842年荷兰科学家迈尔提出能量守恒和转化定律； 1843年英国科学家焦耳提出热力学第一定律，他们 从理论上证明了能够凭空制造能量的第一类永动机 是不能实现的。热力学第一定律的表述方式之一就 是：第一类永动机不可能实现。
❖ 热力学第一定律揭示在能量转换和传递过程 中能量在数量上必定守恒。
❖ 热力学第二定律指出在能量转换和传递过程 中，能量在品质上必定贬值。
❖ 是两条互相独立的基本定律，一切实际过程 必须同时遵循这两条基本定律。
❖ 提高能量的有效利用，其实质就是在于防止 和减少能量贬值发生。
3 能量转换的效率
❖ 根据能量贬值原理，不是每一种能量都可以连续 地、完全地转换为任何一种其他形式的能量。
❖ 历史上首个成型的第二类永动机装置是1881年美国 人约翰·嘎姆吉为美国海军设计的零发动机，这一装 置利用海水的热量将液氨汽化，推动机械运转。但 是这一装置无法持续运转，因为汽化后的液氨在没 有低温热源存在的条件下无法重新液化，因而不能 完成循环。
第二次课能量的转换和储存资料
能量贬值原理
一个封闭系统中的任何自发 性变化，都必然朝着能量贬值 （熵增）的方向发展，而最后 的平衡状态，则对应于熵的最 大可能值。
热能与其它形式能量之间的转换也必然遵循能量守恒和转换定 律——热力学第一定律。热力学第一定律指出：热能作为一种 能量，可以与其它形式的能量相互转换，在转换过程中能量总 量保持不变。 能量不仅有量的多少，还有质的高低。热力学第一定律只说
能量转换的主要燃料
能量转换的主要燃料
燃料通常是指能够通过燃烧过程而将化
学能转换为热能的物质。 所有化石燃料及由化石燃料加工而成的 其它含能体； 所有生物燃料以及由生物燃料加工而成 的含能体。
它包括所有的化石燃料(如煤、石油、天然气、油页岩等)， 及由化石燃料加工而成的其它含能体(如煤气、焦炭、汽油、 煤油、柴油、重油、液化石油气、丙烷、甲醇、乙醇等)； 生物燃料(如新柴)以及由生物燃料加工而成的含能体(如沼 气)。
能量的基本性质
能量的基本性质
运
动无 有
序 序
有 序 能 无 序 能
不 完全、 有条 件
研究能量属性及其转换规律的科学是热力学。从热 力学的角度看，能量是物质运动的量度，运动是物 质存在的形式，因此一切物质都有能量。只要物质 运动状态一定，物质拥有的能量就一定. 尽管物质的运动多种多样，但就其形态而沦只有有 序(有规则)运动和无序(无规则)运动两类。人们常将 量度有序运动的能量称为有序能，量度无序运动的 能量称为无序能。显然，一切宏观整体运动的能量 和大量电子定向运动的电能都是有序能；而物质内 部分子杂乱无章的热运动则是无序能。大量事实证 明，有序能可以完全地、无条件地转换为无序能； 相反的转换却是有条件的、不完全的。
能量转换与存储原理教学资料 design of c-si solar cells21页
Surface texturing scatters light so that it travels more horizontally though the cell. This helps absorb photons with energy just above the band gap. It reduces reflection also.
α determines where the light is absorbed
transmission = e-ax
Absorption depth in Si
E(eV) 1.25 2.5 3.5
1/α(μm) 100 1 0.01
No Near the band edge, not all of the light is absorbed and some
Nelson, p. 189
Why don’t Si solar cells work well at l < 400 nm and l > 1100 nm?
Eg = 1.1 eV l = 1240 nm-eV/ E
IPCE
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
400
能量转换与存储原理教学资料 silicon solar cell manufacturing-PPT精选文档
•
14
evergreensolar/app/en/technology/item/48
Comparison of most popular techniques
15 siliconsultant
Making Si Wafers
Inside-diameter (ID) saw produces about 25 wafers/hour
• No shortage of mg-Si! • Energy efficient process • Lots of (very bad) impurities
6
Siemens Process for Electronic Semiconductor Grade (eg-Si) and Solar Grade Si (SoG-si)
12.4 Dr. Bin Zhu (Li-ion Battery)
c-Si and mc-Si are made using similar processes
Crystalline Silicon (c-Si)
Multicrystalline Silicon (mc-Si)
Can be made with CZ or FZ processes.
Produced via directional solidification.
3
Si crystal formation
Quartz Metallurgical Grade Si (mg-Si) (Siemens Process) Solar Grade Silicon (SoG-Si)
(CZ growth)
Si + 3HCl → SiHCl3 + H2 The boiling point of SiHCl3 is 31. 8 º C.
《能量的转化和守恒》精品课件ppt
热力学第一定律：能量守恒定律在封闭系统中的表现；
能量形式多样性；
能量转换与传递：各种能量形式之间可以相互转化和传 递，不同形式的能量转换和传递规律也不同。 热力学第二定律：能量转换过程中，熵增加原理。
医学应用
在医学领域，能量守恒定律也有着广泛的应用，例如通过能量守恒定律可以制定合理的治 疗方案，控制炎症、肿瘤等疾病的发展，提高治疗效果。
生态应用
在生态领域，能量守恒定律的应用同样重要，例如通过能量守恒定律可以研究生态系统的 能流和物质循环，揭示生态系统的平衡和稳定机制，为生态环境的保护和修复提供科学依 据。
这个公式表示，在封闭系统中，熵（无序度）只能增加或保持不变，而不能减少 。这是因为系统总是朝着熵增加的方向演化，也就是向着更加无序、更加混乱的 方向演化。
热力学第二定律的应用
热力学第二定律在工程和科技领域有广泛的应用 ，例如在制冷技术、热机设计和能源利用等方面 。
在热机设计方面，热力学第二定律指导了如何提 高热机的效率，例如通过优化循环过程和减少热 量损失等方式。
02
能量的概念及其转化
能量的定义和类型
定义
能量是物质所具有的基本物理属性，是物质运动和转化的量度。
类型
机械能、热能、电能、化学能、核能等。
能量的转化过程
转化形式
能量可以从一种形式转化为另一种形式，如机械能可以转化为热能、电能等。
转化原理
能量守恒定律，即能量不会凭空产生或消失，只能从一种形式转化为另一种形式 。
《能量的转化和守恒》精 品课件ppt
xx年xx月xx日
目 录
• 课程简介 • 能量的概念及其转化 • 能量守恒定律及应用 • 热力学第一定律 • 热力学第二定律 • 能源的利用及节能措施 • 总结与展望
《光能的转换和储存》 学历案
《光能的转换和储存》学历案一、学习目标1、理解光能转换和储存的基本原理。
2、掌握常见的光能转换和储存技术。
3、了解光能转换和储存技术在实际生活中的应用。
二、学习重难点1、重点（1）光能转换为电能的原理，如太阳能电池的工作原理。
（2）光能转换为化学能的过程，例如光合作用。
2、难点（1）复杂的光能储存机制，如电池中的电荷存储。
（2）如何提高光能转换和储存的效率。
三、知识链接1、能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，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其它物体，而能量的总量保持不变。
2、电磁学知识：了解电磁波的特性、电场和磁场的相互作用等。
四、学习过程（一）导入想象一下，如果我们能够高效地将太阳的光芒转化并储存起来，为我们的日常生活提供持续的能源，那将会是多么令人兴奋的事情！在这个科技飞速发展的时代，光能的转换和储存技术正逐渐成为解决能源问题的关键。
让我们一起走进这个神奇的领域，探索光能转换和储存的奥秘。
（二）光能转换的方式1、光能转换为电能（1）太阳能电池太阳能电池是最常见的将光能直接转换为电能的装置。
其核心部件是半导体材料，如硅。
当阳光照射到半导体上时，光子的能量会使半导体中的电子获得足够的能量，从而脱离原子的束缚，形成自由电子和空穴。
这些自由电子和空穴在半导体内部的电场作用下分别向不同的方向移动，从而产生电流。
（2）染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池是一种新型的太阳能电池，它利用染料分子吸收光能，并将电子注入到半导体的导带中，从而产生电流。
2、光能转换为化学能（1）光合作用植物通过光合作用将光能转化为化学能，并以有机物的形式储存起来。
在光合作用中，叶绿体中的叶绿素吸收光能，将水分解为氧气和氢离子，并将二氧化碳转化为有机物。
（2）人工光合作用科学家们正在努力研究人工光合作用，希望能够模仿植物的光合作用过程，将光能转化为化学能，从而生产出燃料和化学品。
3、光能转换为热能太阳能热水器就是将光能转换为热能的常见例子。
能量转换与存储原理教学资料 silicon solar cell manufacturing共25页文档
crystalsystems
18% mc-Si cell..... in that square!
Most likely 12-14% efficient over a standard module size.
Ribbon Si
• This approach has the potential to be cheaper, but produces polycrystalline Si.
Guest Lectures
12. 1 Prof. Zhaosheng Li (Photo Electro-chemical Cells) 12.4 Dr. Bin Zhu (Li-ion Battery)
c-Si and mc-Si are made using similar processes
Cell and Module Manufacture
(wafer sawing mc-Si and c-Si)
wafer processing
(wafer doping, surface etching, electrode deposition etc.)
PV Cell fabrication
• The semiconductor grade Si is melted with the dopant (B). A seed crystal is then slowly pulled from the melt.
• Oxygen dopes (~1018/cm3) Si ingot because the quartz crucible is partially dissolved.
14 siliconsultant
Making Si Wafers
《能量的转换》备课教案
《能量的转换》优秀备课教案一、教学目标1. 让学生了解和掌握能量转换的基本概念。
2. 让学生能够分析实际问题，判断能量的转换形式。
3. 培养学生的观察能力、思考能力和动手实践能力。
4. 增强学生对自然科学的兴趣和好奇心。
二、教学内容1. 能量转换的基本概念2. 常见能量转换实例3. 能量转换的原理与规律4. 能量转换在生活中的应用5. 能量转换与可持续发展三、教学重点与难点1. 教学重点：能量转换的基本概念、常见能量转换实例、能量转换的原理与规律。
2. 教学难点：能量转换的原理与规律。
四、教学方法1. 采用问题驱动法，引导学生主动思考和探索。
2. 利用多媒体手段，展示能量转换的实例和原理。
3. 开展小组讨论，促进学生间的交流与合作。
4. 进行课堂演示实验，增强学生的实践操作能力。
五、教学过程1. 导入新课：通过展示一个能量转换的实例，如太阳能电池，引发学生对能量转换的思考。
2. 讲解基本概念：介绍能量转换的基本概念，解释能量转换的定义和特点。
3. 分析实例：分析生活中常见的能量转换实例，如燃料燃烧、电动机工作等，让学生理解能量转换的过程。
4. 讲解原理与规律：讲解能量转换的原理与规律，引导学生掌握能量转换的内在联系。
5. 应用与拓展：探讨能量转换在生活中的应用，如新能源开发、节能减排等，强调能量转换与可持续发展的关系。
7. 布置作业：设计一些有关能量转换的练习题，让学生巩固所学知识。
六、教学评价1. 采用课堂问答、作业批改、小组讨论等多种方式进行教学评价。
2. 重点关注学生对能量转换基本概念的理解、实例分析的能力以及能量转换原理与规律的掌握。
3. 鼓励学生提出问题、参与讨论，培养学生的思考能力和交流能力。
七、教学资源1. 多媒体课件：包括能量转换的实例、图片、动画等，用于辅助教学。
2. 实验器材：如电池、灯泡、电动机等，用于展示能量转换的实验。
3. 参考资料：提供相关的书籍、文章、网络资源等，供学生自主学习。
《光能的转换和储存》 学历案
《光能的转换和储存》学历案在我们生活的这个世界里，光能是一种极其重要的能源形式。
从太阳每天升起时洒下的光芒，到我们日常使用的各种电器设备，光能的转换和储存都在发挥着关键作用。
一、光能转换的基本原理光能转换，简单来说，就是将光能转化为其他形式的能量。
这其中最常见的就是太阳能光伏发电。
在太阳能电池板中，有一种叫做半导体的材料，比如硅。
当光线照射到半导体上时，会激发其中的电子，从而产生电流。
这就实现了光能到电能的转换。
另外，植物的光合作用也是一种非常神奇的光能转换过程。
植物通过叶绿体吸收光能，并将二氧化碳和水转化为有机物和氧气。
在这个过程中，光能被转化为化学能，并储存在有机物中。
二、光能储存的重要性光能的间歇性和不稳定性是我们面临的一个挑战。
太阳不会一直照耀，而且光照强度也会随时变化。
因此，有效地储存光能就显得至关重要。
储存光能可以让我们在没有阳光的时候也能利用光能。
比如，在夜晚或者阴天，我们可以使用之前储存的光能来供电或者满足其他能源需求。
光能储存还可以帮助我们平衡能源的供需。
当光能丰富时，将多余的光能储存起来，等到能源需求高峰时再释放出来，能够提高能源利用的效率和稳定性。
三、光能储存的方式1、电池储存常见的有锂离子电池和铅酸电池等。
这些电池通过化学反应将电能储存起来，在需要的时候再释放出来。
2、超级电容器储存超级电容器能够快速充放电，但其储存的能量相对较少。
3、氢储能通过电解水将光能转化的电能用于产生氢气，然后将氢气储存起来。
在需要能量时，通过燃料电池将氢气转化为电能。
4、热能储存将光能转化为热能，然后通过某种介质（如熔盐）将热能储存起来，在需要的时候再通过热交换器将热能转化为电能或其他形式的能量。
四、光能转换和储存的应用领域1、家庭能源系统越来越多的家庭开始安装太阳能电池板，并配备储能设备，实现自家的能源自给自足。
2、工业生产许多工厂利用光能转换和储存技术来降低能源成本，提高生产的可持续性。
3、交通运输电动汽车逐渐普及，光能充电和储能技术为其提供了更清洁、更可持续的能源解决方案。
六年级科学下册课件-能量的转换
选择合适的工作条件，如温度 、压力等，可以提高能量转换 的效率。
回收利用散失的热量
通过技术手段将散失的热量回 收利用，可以提高能量转换的 效率。
促进完全转换
通过改进技术手段，促进能量 的完全转换，减少能量损失。
04
可再生能源的能量转换
太阳能的利用与能量转换
太阳能电池板
利用光能转换为电能，为各种设 备提供电力。
生物质能是通过生物质（如木材、农 作物废弃物等）的燃烧或发酵来释放 能量的过程。这种能源具有可再生、 低碳、环保等优点，被认为是未来能 源的重要发展方向之一。
目前，生物质能的开发利用已经得到 了广泛的关注和实践。未来，随着技 术的不断进步和应用范围的扩大，生 物质能有望成为重要的可再生能源之 一。
THANKS
能量转换
能量可以从一种形式转换 为另一种形式，但总量保 持不变。
能量转换的原理
热力学第一定律
能量的耗散
能量可以从一种形式转换为另一种形 式，也可以从一种物体传递给另一种 物体，在转换和传递过程中能量的总 量保持不变。
能量在转换和传递过程中，部分能量 会因为摩擦、阻力等原因而转化为无 效的能量，最终散失到周围环境中。
(苏教版)六年级科学下册 课件-能量的转换
• 能量转换的基本概念 • 生活中的能量转换 • 能量转换的效率和损失 • 可再生能源的能量转换 • 未来能源技术展望
01
能量转换的基本概念
什么是能量
01
02
03
能量
能量是物体做功的能力， 是物体运动状态改变的原 因。
能量形式
能量以多种形式存在，如 机械能、热能、电能、光 能、化学能等。
水轮发电机
利用水流驱动水轮机，将水能转换为电能。
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Nelson p. 196
Rear point contact cell
Introduced by Dick Swanson at Stanford in 1992 with an efficiency of 22%. Front surface is textured and passivated. This technology is being commercialized quite successfully by SunPower. Since there is no metal on top, there are no shadowing losses. These cells look great because very little light is reflected from them.
Wavelength (nm)
Back surface field
• Heavily doping the Si near the back contact creates a barrier for electrons and reduces surface recombination. This becomes very important for harvesting the low energy photons as the wafer gets thin. Nelson p. 190
Design of Silicon Solar Cells
Highly recommended reading Jenny Nelson, The Physics of Solar Cells, Chapter 7, Monocrystalline Solar Cells
Why Silicon?
• Si has a band gap of 1.1 eV, which is not far from the optimal value of 1.4 eV for a single junction cell
1 qme N D
The sheet resistance is
S
1
qme N Dt
The power loss due to the series resistance is
Ploss
J 2bS
3
S 3 2
The fraction of power loss is
p
Ploss
S S 2 Jmpp
PMaxPowerPoint
12Vmpp
For a typical commercial Si cell,
ρs = 40 Ω/ Jmpp = 30 mA/cm2 Vmpp = 450 mV
S must be <4mm to keep the power loss below 4%.
Green, Solar Cells p. 146
At h=3.5 eV, the light is absorbed right at the surface.
Nelson p. 182
Surface texturing
Surface texturing scatters light so that it travels more horizontally though the cell. This helps absorb photons with energy just above the band gap. It reduces reflection also.
On the other hand, to get a high Voc, we need a low Io.
I0
qA(
Dnnp Ln
Dp pn ) Lp
qA( Dnni2 Ln N A
D p ni 2 Lp N D
)
A high doping density is needed to minimize I0. (Note that Dn and Ln vary with doping, but NA is still the dominant factor.)
Nelson p. 190
Ln must be long enough to allow the carriers to reach the junction
Ln Dn n
If p < 1018 cm3, then will be greater than 1 ms and primarily determines by the density of recombination centers.
mq
• The electron mobility is higher than the hole mobility • The mobility drops substantially when n or p exceeds 1017 cm-3
Streetman p. 99
Design of a basic silicon solar cell
Typical Silicon PV Doping
N D 1019 cm3 N A 1016 cm3
mp
150
cm 2 Vs
mn
cm 2 1500
Vs
n p 106 s
J0
qDnni 2 Ln N A
qDp ni 2 Lp ND
Mobilities are affected by doping.
• Si is very stable.
• Si is the second most abundant element in the earth’s crust.
Design of a basic silicon solar cell
• Why are n+p Si junctions preferred over p+n junctions? • Why is there a thin heavily doped layer and a thick lightly doped layer? • Why those thicknesses?
mA JSC 42.7 cm2
What should the doping level of the substrate be?
The minority carrier diffusion length is L = (Dnn)1/2 and should be as long as possible.
The doping level must be < 1018 cm-3 to avoid rapid Auger recombination and should be as low as possible.
Pretty low…. right?
J0
1.06
*1019
37.5 1020 .0061 1016
3.75 1020 .001941019
1.04 *108
mA cm2
Dark Current affects the Voc
World Record Si Device has short-circuit current density
α determines where the light is absorbed
transmission = e-ax
Absorption depth in Si
E(eV) 1.25 2.5 3.5
1/α(μm edge, not all of the light is absorbed and some minority carriers are lost due to back surface recombination.
Passivated Emitter Solar Cell (PESC)
Martin Green et al. invented the concept of passivating most of the top surface with a thin oxide to prevent surface recombination. The PESC took the efficiency to 20% in 1985.
A doping level of 1016 cm-3 ends up being a good compromise between the two.
The top of the cell is heavily doped to minimize series resistance
The resistivity of the n-type layer is
Nelson p. 197
Solar Cell Efficiency Table (v31)
Lab Efficiencies
M. Green , Progress in Photovoltaics (2008)
Minority Carrier Lifetimes affect Dark Current
Modern electron grade Si has a lifetime above 1 ms.
Mobility (cm2/Vs)
The diffusivity depends on the doping density