计算机在材料领域的新进展和发展趋势,计算机模拟在光电材料及太阳能工程领域的应用与新进展...

计算机模拟在光电材料及太阳能工程领域的应用与新进展

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计算机模拟在光电材料及太阳能工程领域的应用与新进展摘要：本文介绍了新能源的一个方向，讲述了太阳能光电转换材料的一些发展状 况以及计算机模拟在太阳能光电材料发电方面的应用。并且讲述了太阳能材料当 下的研究新进展。关键字：新能源、太阳能、太阳能工程、太阳能电池的基本原理、发电、光电材 料、计算机模拟、电子计算机应用、电子计算机技术。引言在,0世纪的世界能源结构屮，人类所利用的一次性能源主要是石油、天然气和 煤炭等化石能源。经过人类数千年，特别是近百年的消费，这些化石能源已经被 消耗了相当的比例。这些能源在使用中会排放能够大量的有害物质(二氧化碳、 硫、氮氧化合物等)，是造成大气污染和牛态环境破坏的主要原因。随着经济的 发展、人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持续增长，世 界上的化石能源消费总量总有一天将会到达极限。太阳能(电池)作为解决人类 所面临的能源与环境问题的最佳选择，具有来源广泛、使用方便、无污染等优点, 在航空、航天、通讯及微功耗电子产品等领域具有广阔的应用前景，因而逐渐成 为研究的重点方向和主流。、太阳能光电材料及种类、开发光电材料是能把光能转变为电能的一类能量转换功能材料。目前，太阳电池 材料主要以硅材料为主，但是硅材料还面临着许多问题，因此一方面要寻找更为 方便易行的硅材料提纯技术以扩大生产，另一方面要采用新技术，在获得同样电 能的基础上减少硅材料用量。另外，耍尽快使纳米晶等其他太阳电池材料技术成 熟，达到工业化水平，减轻现有硅材料短缺对太阳能行业的影响。太阳能材料研究对太阳能光伏发电技术发展起着决定性的作用。每一新材料 的岀现，都给太阳电池及太阳能光电利用带来一次变革。随着新材料、新工艺的 不断出现，太阳电池的效率及稳定性等将会得到进一步提高。总之，太阳能光伏 发电量在21世纪的能源比例将逐渐加大。随着太阳电池的价格逐渐降低，在生 产和生活中会有更多的太阳能产品被应用。2. 1单晶硅高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成熟的加工处理工艺基 础上的。通过现代先进的电池工艺，开发的单晶硅电池可分为平面单晶硅高效电 池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。但由于单晶硅生产工艺复杂及和应的繁琐的电池 工艺，致使单晶硅电池成木居高不下。因此要大规模推广太阳能电池靠单晶硅是 不可能。 2.2多晶硅薄膜在太阳能电池中，吸收太阳光能量所需的半导体膜的厚度是很薄的。最新研 究表明，多晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率可接近晶体硅太阳能电池，并II 具有光电性能稳定的特点。口前，多晶硅薄膜太阳能电池研究和产业化开发工作 主要是：在廉价衬底上高温沉积、低温生长和层转移技术，其中最为成熟的就是 第一项技术一一在廉价衬底上高温沉积。2. 3纳米光电材料纳米光电材料是指能够将光能转化为电能或化学能等其它能量的-?种纳米材料, 它具有以下特点：光电材料颗粒处于纳米尺度范围内时，会显示出与块体不同的 光学和电学性质，其原因是随着粒径的减小而产生量子化的结果。由于半导体的 载流子限制在一个小尺寸的势阱中，在此条件下，导带和价带能带过渡为分立的 能级，因而有效带隙增大，吸收光谱阈值向短波方向移动，这种效应就称为尺寸 量子效应。二、太阳能电池原理太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构 如下：T'©/-©①-©7 —令，G-®-(D+®--©?0-®CD-®当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼吋，硅晶体中就会存 在着一个空穴，它的形成可以参照下图：T①/?①-© W —?® ©?① 十-©-1 ①-© ^0—©—©I®—© -一 -一 o ? ?订)\?一)： 一；©-‘®-? 出?‘01© T①—-®①-@ ■?〔> -©? 0 『0—砂01® 7① \®©IT ■ ?- ■ _ W—©—®—© —?图中，黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周用只有3个 电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为 没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成N型 半导体掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个 电子变得非常活跃，形成P型半导体。黃色的为磷原子核， 红色的为多余的电子。N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型 和N型半导体结合在一起吋，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。(如下图)空穴①??+ 士 &?电―????????人阳能半导体晶片当晶片受光后，PN结屮，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区屮的电子往 N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电受尢过足il呻带卍电的亡:A：往 P 卫区移动 曲负电的电于往N空区移动晶片受光后负电于从 N区负电极況空穴从 P区正电极流小三、计算机模拟在太阳能工程中的应用世界性的新技木革命正从两个方面传递着太阳能拄木发展的信息。一是新 材辩，新技木的应用；二是电子计算机技术的应用.由于太阳能工程拄木系统和 过程都可以抽象为信息变换过程，而信息处理 和变换正是电子计算机的突出功 能，所以计算 机的应用迅速渗透判太阳能工程技木的各个领域，包括数值计算, 系统摸拟，参数监硼，优化控制，辅助设计，资余自农料检索等方面，从而使传统 的太阳船工程方法发生澡划的变革.1、用于模拟人工计算。太阳能工程设计中存在大量的人工计算过程. 其特点是仃)繁杂重复，工作量大；(2)需要查用大量图表；(3)为了便手手算, 近似公式较多，人为误差大.因此人工计算所获得的数据算准确程魔和迅捷程度 都是很有限的.而电子计算机具有信息存曩二量人和快速加工处理功能，因而最 适于模拟人工计算过程 比如太阳辐射通量的卜算和统计,太阳能干燥统计空气 状态参数的计算等等，如采用计算机，别可避免近似计算和查用圈表，速度和准确 性都比手算大为提高，又如计算太阳能集热设备散热损失和Trombe墙空气夹 层白然对扰速度，温度分布吋，应考 虑物理场的瞬变特性，一般用不稳定输运方 程或稳定条件下的二维能量方程和连续性方程联立求解，但由于边界条件的复杂 性，手算几乎不可能，只有用计算机选个问题才可能获得解决。2、用于数值模拟实验。电子计算机应用于太阳能工程一始就突破了模 拟人工计算过程的限制，肓接进入了系统特性数值模拟实验阶段.电子计算帆应 用于太阳能工程是从被动式太用房热特性的计算机摸报开始的，这是计算机应 用于太阳能工程最为活跃，也是最有成效的领域。计算机摸拟太阳能系统性能，最重要的环节是建立正确的数学摸型?它大 致可分为两类：一为概率型，二为动、静态储备型。在太阳能工程中，成木一致率是人们最为关心的问题，它的木质 是优化设 计，优化运行和最佳控制.比如，对于被动式 太阳房设计者来说，往往需要知道, 在太阳能追加投资一定的条停下，南向直射宙面积，南向Trombe集热墙面积和 围护结构保温性能，选兰个设计要素之问如何配比才能使太用房性能最佳?这是 —个非线性规划寻优问题， 关 键 词： 计算机 模拟 光电 材料 太阳能 工程 领域 应用 进展

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