基于半导体硅化物的太阳能利用技术及其在节能建筑方面的应用

张彩丽,周兰兰,宋晓庆

(中原工学院,郑州 450007)

基于半导体硅化物的太阳能利用技术及其在节能建筑方面的应用

张彩丽,周兰兰,宋晓庆

(中原工学院,郑州 450007)

介绍了建筑能耗的现状,分析了太阳能的主要利用形式.通过对传统太阳能电池材料和半导体金属硅化物的分析比较,提出在节能建筑上应用β-FeSi2的优越性和良好前景,并对实现能源自足的新型建筑实施方案提出了建议.

节能建筑;太阳能;半导体材料;金属硅化物

建筑能耗包括用于供暖、空调、热水供给、餐饮、照明、家电、电梯、通风等多个系统的能源消耗.在中国,建筑能耗占总耗能的27.6%,而且还在以每年1个百分点的速度增加.就电能而言,民用建筑消耗了全国总发电量的25%[1].系统分析表明,我国建筑能源消耗按照属性和性质可分为如下几类:①北方地区供暖能耗,约占我国建筑总能耗的36%,约为1.3亿吨标煤/年(折合3 700亿度电/年);②除供暖外的住宅用电(照明、炊事、生活热水、家电、空调),约占我国建筑总能耗的20%,约为2 000亿度电/年;③除供暖外的一般性非住宅民用建筑(办公室、中小型商店、学校等)能耗,主要是照明、空调和办公室电器等用电,约占民用建筑总能耗的16%;④大型公共建筑(高档写字楼、星级酒店、购物中心)能耗,占民用建筑总能耗的10%左右;⑤农村生活用能耗(不包括非商品能耗),约为0.3亿吨标煤/年(折合900亿度电/年)[2].因此,开展建筑节能,将为全社会节约巨大财富.

1954年,第一个具有实用价值的太阳能电池在Bell实验室诞生,一个太阳光—电转换的新时代从此开始了.20世纪后半叶,太阳能技术取得了巨大的进步,从空间飞行器、发电站到电子手表、家电,太阳能元器件,在众多的领域得到广泛应用.将太阳能技术应用于节能建筑的建设中是降低建筑能耗的重要途径,这是建筑技术和太阳能技术相结合的新领域.太阳能集热和光伏工程同时得到广泛关注,在向建筑提供热水的同时,可持续地产生电能.

1 太阳能利用方式

1.1 光—热转换

光热转换是太阳能利用的最基本形式.它直接将太阳光转换成热能,将水加热并向建筑输送.这些热水可以用来取暖、饮食和洗浴,它也可以直接收集太阳的辐射能并转换成热能.目前,太阳能集热器、太阳能冰箱、太阳能干燥器、太阳能屋和太阳能厨卫系统已经广泛地应用于现代民用建筑中.

1.2 光—电转换

光—电转换是利用光生伏特效应来发电.所谓光生伏特效应,是指光照使不均匀半导体或者半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象.当太阳光照射到太阳能电池上时,其中一部分被表面反射掉,其余部分被吸收或透过.被吸收的光,一部分光子变成热,另一部分光子则同组成半导体的原子价电子碰撞产生电子—空穴对.这样,光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电能.这些电能能够被储存起来,为人们所使用.据报道,能够用于大批量商业化发电的光伏电站将于2020年投入使用.

1.3 光—化学转换

光—化学转换目前还处于实验室阶段.其中包括利用半导体电极催化分解水,产生氢气,这将是未来燃料电池发展的关键技术.

2 新型硅化物太阳能材料β—FeSi2

材料是影响太阳能电池转换效率的关键因素.表1显示了目前太阳能电池材料相应的转换效率.

表1 半导体材料的光电转换效率 %

半导体金属硅化物是一系列的太阳能电池后备材料,它们与目前的单晶硅技术有极好的相容性,具有一般金属的导电性、高的热稳定性、抗氧化性以及优越的力学稳定性.同时,半导体硅化物也以其优越的环境友好特性赢得了广泛的关注.尤其是过渡族金属硅化物,从技术和科学的角度得到了最为广泛的研究.铁是V IIIB族金属,其硅化物β—FeSi2是具有0.87 ev禁带宽度的间接跃迁的半导体化合物.在一些单晶硅上的外延生长中,β—FeSi2也可能成为直接跃迁的半导体.图1对比了常用太阳能电池材料和半导体β—FeSi2对太阳光的吸收系数.大量的研究显示,β—FeSi2具有较高的太阳光吸收系数[3].因此,半导体硅化物常常被认为是重要的光—电变换材料.

图1 现有太阳能电池材料和硅化铁对太阳光的吸收系数的比较

β—FeSi2的优势主要体现在以下几方面:

(1)高抗辐射性.β—FeSi2具有电子真空区(electron emp ty space),在和射线、电子作用的时候能够将其轻易还原;

(2)高的光—电转换效率.理论上,其转换效率能够达到23%;目前,实验获得的最优热电转换效率大约在10%左右,达到了目前商业运行的基本要求;

(3)轻质便捷.β—FeSi2的密度相对较低,而且,由于它的光吸收系数相对于 Si和砷化镓都高,所以β—FeSi2基元器件可以具有较低的重量;

(4)优良的环境兼容性.作为β—FeSi2的原材料,Fe和Si的资源非常丰富,而且原材料价格低廉,无毒无害;

(5)高度稳定性.β—FeSi2在1 000℃依然稳定,具有较高的抗氧化、耐潮湿以及抗化学腐蚀的能力.

目前,限制β—FeSi2在太阳能热电变换中应用的因素有:如何获得足够平坦和均一的高品质薄膜和块体材料;如何避免 Fe—Si的多相反应,多相反应常常造成形成非半导体型 Fe9Si、Fe3Si、Fe2Si、Fe5Si3、FeSi和α—FeSi2.所以在研究人员对β—FeSi2进行广泛关注的时候,对主族碱土金属元素也进行了探索性的研究.图2显示了Ca2Si和Ba2Si太阳波谱范围内的吸收率.它们和β—FeSi2一样,表现出了对太阳光的较强的吸收率.

图2 β—FeSi2、Ca2 Si和Ba2 Si在太阳波谱范围内的吸收率(底部曲线为太阳光谱)

3 太阳能建筑的设计

长期以来,屋顶、窗户和墙作为外部保护部分,是建筑的主体,它们体现了建筑物的外观、样式和风格.同时,它们也成为建筑功能化的主要目标和考虑对象.特别是为了提高舒适度,它们常常被改造,达到优化保暖、隔热、光照、通风的目的.将太阳能光—电技术、光—热技术与建筑设计结合起来,尤其是将环保友好型半导体与建筑技术结合起来,能够最大限度地降低建筑物能耗,提高居住舒适度和保护环境.最近已经出现了一些自然节能建筑,如“自清洁建筑”、“零能耗建筑”和“屋顶太阳能系”.它们都是建筑设计和太阳能技术结合的典范[5].在此基础上,将β—FeSi2替代传统的硅材料和有毒的砷化镓、磷化铟材料,一定会大大提高热电转换效率,并对建筑节能技术带来新的生机[6],主要体现在以下几方面:

(1)太阳能电池屋顶、雨棚.β—FeSi2太阳能电池阵列构建屋顶,向室内持续提高电力供应;

(2)太阳能电池外墙砖.每一块墙砖都是单独的β—FeSi2光—电器件,通过墙体植入的电缆并联链接.这样即使有某个单元出现故障,不会影响整个系统的运转.西班牙的Bacelora市曾经用Cd Te建造了太阳能屋,但是这种材料价格昂贵,回收困难,有毒性;

(3)染料敏化 TiO2玻璃.这种玻璃同样具有有效的光透过率,保证室内的自然光照.同时,颜料敏化后,TiO2太阳能电池的效率大大提高.透过不同的掺杂,还能使玻璃获得不同的色彩,达到美观的目的;

(4)能源自给系统.通过对传统太阳能电池材料进行替换升级,进一步提高太阳能利用效率.另外,通过对建筑进行结构优化,在有限的占地条件下,进一步提高外墙接受太阳光的能力,优化建筑内部的电气系统和储电空间[7],最终实现建筑的能源自给和高效运转.

4 结 语

随着经济和社会的发展,能源问题已经成为世界各国共同面对的挑战.建筑作为社会的重要组成部分,大量地消耗能源.在建筑节能技术中,发展和应用新的半导体材料,最大限度地利用太阳能这一巨大的清洁能源,对于能源安全、和谐社会建设和人类可持续发展具有重要意义.

[1] 郭莉莉.建筑能耗现状及节能潜力[J].铁道工程学报,2006,94(4):75-78.

[2] 王俊,徐伟,林海燕,等.建筑能耗现状与节能途径[J].中国科技成果,2006,19:30-35.

[3] Makita Y.Material Availability for Thin Film Solar Cells[C]//.In:R.D.MC Connel(Ed.),the First NREL Conference on Future Generation Photovoltaic Technologies.New York:A IP,1997:3-10.

[4] Nakamura T,Suemasu T,Takakura K,et al.Investigation of the Energy Band Structure of O rtho rhombic BaSi2by Op tical and Electrical Measurements and Theoretical Calculations[J].Applied Physics Letters(0003-6951),81:1032-1035.

[5] 范晓伟,李琦波,杨晓明.楼宇自动化综合实验室的设计与建设[J].中原工学院学报,2007,18(6):23-27.

[6] 刘寅,蒋红.郑州地区太阳能规模化供热气候条件分析[J].中原工学院学报,2006,17(5):34-37.

[7] 王迎辉,轩信飞,李莉,等.太阳能在暖通空调中的应用分析[J].中原工学院学报,2002,13(3):47-49.

Utilization of Solar Energy by Silicides Technology and Its Application in the Civil Architecture

ZHANG Cai-li,ZHOU Lan-lan,SONG Xiao-qing
(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

In this paper,the energy consump tion was introduced and the utilization form and materials w ere analyzed.By comparison of traditional so lar energy materials and the sem iconducting silicides,it w as p roposed to useβ-FeSi2asa p romising candidate for energy conversion for architecture energy saving.Thisp roposal w ill be helpful in developing the self-supporting building in the future.

energy saving;solar energy;semiconducting material;metal-silicides

TU 5;TK01+9

A DO I:10.3969/j.issn.1671-6906.2010.04.020

1671-6906(2010)04-0076-03

2010-07-13

张彩丽(1979-),女,河南南阳人,讲师,硕士.