基于半導體硅化物的太陽能利用技術及其在節(jié)能建筑方面的應用

張彩麗,周蘭蘭,宋曉慶

(中原工學院,鄭州 450007)

基于半導體硅化物的太陽能利用技術及其在節(jié)能建筑方面的應用

張彩麗,周蘭蘭,宋曉慶

(中原工學院,鄭州 450007)

介紹了建筑能耗的現(xiàn)狀,分析了太陽能的主要利用形式.通過對傳統(tǒng)太陽能電池材料和半導體金屬硅化物的分析比較,提出在節(jié)能建筑上應用β-FeSi2的優(yōu)越性和良好前景,并對實現(xiàn)能源自足的新型建筑實施方案提出了建議.

節(jié)能建筑;太陽能;半導體材料;金屬硅化物

建筑能耗包括用于供暖、空調(diào)、熱水供給、餐飲、照明、家電、電梯、通風等多個系統(tǒng)的能源消耗.在中國,建筑能耗占總耗能的27.6%,而且還在以每年1個百分點的速度增加.就電能而言,民用建筑消耗了全國總發(fā)電量的25%[1].系統(tǒng)分析表明,我國建筑能源消耗按照屬性和性質可分為如下幾類:①北方地區(qū)供暖能耗,約占我國建筑總能耗的36%,約為1.3億噸標煤/年(折合3 700億度電/年);②除供暖外的住宅用電(照明、炊事、生活熱水、家電、空調(diào)),約占我國建筑總能耗的20%,約為2 000億度電/年;③除供暖外的一般性非住宅民用建筑(辦公室、中小型商店、學校等)能耗,主要是照明、空調(diào)和辦公室電器等用電,約占民用建筑總能耗的16%;④大型公共建筑(高檔寫字樓、星級酒店、購物中心)能耗,占民用建筑總能耗的10%左右;⑤農(nóng)村生活用能耗(不包括非商品能耗),約為0.3億噸標煤/年(折合900億度電/年)[2].因此,開展建筑節(jié)能,將為全社會節(jié)約巨大財富.

1954年,第一個具有實用價值的太陽能電池在Bell實驗室誕生,一個太陽光—電轉換的新時代從此開始了.20世紀后半葉,太陽能技術取得了巨大的進步,從空間飛行器、發(fā)電站到電子手表、家電,太陽能元器件,在眾多的領域得到廣泛應用.將太陽能技術應用于節(jié)能建筑的建設中是降低建筑能耗的重要途徑,這是建筑技術和太陽能技術相結合的新領域.太陽能集熱和光伏工程同時得到廣泛關注,在向建筑提供熱水的同時,可持續(xù)地產(chǎn)生電能.

1 太陽能利用方式

1.1 光—熱轉換

光熱轉換是太陽能利用的最基本形式.它直接將太陽光轉換成熱能,將水加熱并向建筑輸送.這些熱水可以用來取暖、飲食和洗浴,它也可以直接收集太陽的輻射能并轉換成熱能.目前,太陽能集熱器、太陽能冰箱、太陽能干燥器、太陽能屋和太陽能廚衛(wèi)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應用于現(xiàn)代民用建筑中.

1.2 光—電轉換

光—電轉換是利用光生伏特效應來發(fā)電.所謂光生伏特效應,是指光照使不均勻半導體或者半導體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象.當太陽光照射到太陽能電池上時,其中一部分被表面反射掉,其余部分被吸收或透過.被吸收的光,一部分光子變成熱,另一部分光子則同組成半導體的原子價電子碰撞產(chǎn)生電子—空穴對.這樣,光能就以產(chǎn)生電子—空穴對的形式轉變?yōu)殡娔?這些電能能夠被儲存起來,為人們所使用.據(jù)報道,能夠用于大批量商業(yè)化發(fā)電的光伏電站將于2020年投入使用.

1.3 光—化學轉換

光—化學轉換目前還處于實驗室階段.其中包括利用半導體電極催化分解水,產(chǎn)生氫氣,這將是未來燃料電池發(fā)展的關鍵技術.

2 新型硅化物太陽能材料β—FeSi2

材料是影響太陽能電池轉換效率的關鍵因素.表1顯示了目前太陽能電池材料相應的轉換效率.

表1 半導體材料的光電轉換效率 %

半導體金屬硅化物是一系列的太陽能電池后備材料,它們與目前的單晶硅技術有極好的相容性,具有一般金屬的導電性、高的熱穩(wěn)定性、抗氧化性以及優(yōu)越的力學穩(wěn)定性.同時,半導體硅化物也以其優(yōu)越的環(huán)境友好特性贏得了廣泛的關注.尤其是過渡族金屬硅化物,從技術和科學的角度得到了最為廣泛的研究.鐵是V IIIB族金屬,其硅化物β—FeSi2是具有0.87 ev禁帶寬度的間接躍遷的半導體化合物.在一些單晶硅上的外延生長中,β—FeSi2也可能成為直接躍遷的半導體.圖1對比了常用太陽能電池材料和半導體β—FeSi2對太陽光的吸收系數(shù).大量的研究顯示,β—FeSi2具有較高的太陽光吸收系數(shù)[3].因此,半導體硅化物常常被認為是重要的光—電變換材料.

圖1 現(xiàn)有太陽能電池材料和硅化鐵對太陽光的吸收系數(shù)的比較

β—FeSi2的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾方面:

(1)高抗輻射性.β—FeSi2具有電子真空區(qū)(electron emp ty space),在和射線、電子作用的時候能夠將其輕易還原;

(2)高的光—電轉換效率.理論上,其轉換效率能夠達到23%;目前,實驗獲得的最優(yōu)熱電轉換效率大約在10%左右,達到了目前商業(yè)運行的基本要求;

(3)輕質便捷.β—FeSi2的密度相對較低,而且,由于它的光吸收系數(shù)相對于 Si和砷化鎵都高,所以β—FeSi2基元器件可以具有較低的重量;

(4)優(yōu)良的環(huán)境兼容性.作為β—FeSi2的原材料,Fe和Si的資源非常豐富,而且原材料價格低廉,無毒無害;

(5)高度穩(wěn)定性.β—FeSi2在1 000℃依然穩(wěn)定,具有較高的抗氧化、耐潮濕以及抗化學腐蝕的能力.

目前,限制β—FeSi2在太陽能熱電變換中應用的因素有:如何獲得足夠平坦和均一的高品質薄膜和塊體材料;如何避免 Fe—Si的多相反應,多相反應常常造成形成非半導體型 Fe9Si、Fe3Si、Fe2Si、Fe5Si3、FeSi和α—FeSi2.所以在研究人員對β—FeSi2進行廣泛關注的時候,對主族堿土金屬元素也進行了探索性的研究.圖2顯示了Ca2Si和Ba2Si太陽波譜范圍內(nèi)的吸收率.它們和β—FeSi2一樣,表現(xiàn)出了對太陽光的較強的吸收率.

圖2 β—FeSi2、Ca2 Si和Ba2 Si在太陽波譜范圍內(nèi)的吸收率(底部曲線為太陽光譜)

3 太陽能建筑的設計

長期以來,屋頂、窗戶和墻作為外部保護部分,是建筑的主體,它們體現(xiàn)了建筑物的外觀、樣式和風格.同時,它們也成為建筑功能化的主要目標和考慮對象.特別是為了提高舒適度,它們常常被改造,達到優(yōu)化保暖、隔熱、光照、通風的目的.將太陽能光—電技術、光—熱技術與建筑設計結合起來,尤其是將環(huán)保友好型半導體與建筑技術結合起來,能夠最大限度地降低建筑物能耗,提高居住舒適度和保護環(huán)境.最近已經(jīng)出現(xiàn)了一些自然節(jié)能建筑,如“自清潔建筑”、“零能耗建筑”和“屋頂太陽能系”.它們都是建筑設計和太陽能技術結合的典范[5].在此基礎上,將β—FeSi2替代傳統(tǒng)的硅材料和有毒的砷化鎵、磷化銦材料,一定會大大提高熱電轉換效率,并對建筑節(jié)能技術帶來新的生機[6],主要體現(xiàn)在以下幾方面:

(1)太陽能電池屋頂、雨棚.β—FeSi2太陽能電池陣列構建屋頂,向室內(nèi)持續(xù)提高電力供應;

(2)太陽能電池外墻磚.每一塊墻磚都是單獨的β—FeSi2光—電器件,通過墻體植入的電纜并聯(lián)鏈接.這樣即使有某個單元出現(xiàn)故障,不會影響整個系統(tǒng)的運轉.西班牙的Bacelora市曾經(jīng)用Cd Te建造了太陽能屋,但是這種材料價格昂貴,回收困難,有毒性;

(3)染料敏化 TiO2玻璃.這種玻璃同樣具有有效的光透過率,保證室內(nèi)的自然光照.同時,顏料敏化后,TiO2太陽能電池的效率大大提高.透過不同的摻雜,還能使玻璃獲得不同的色彩,達到美觀的目的;

(4)能源自給系統(tǒng).通過對傳統(tǒng)太陽能電池材料進行替換升級,進一步提高太陽能利用效率.另外,通過對建筑進行結構優(yōu)化,在有限的占地條件下,進一步提高外墻接受太陽光的能力,優(yōu)化建筑內(nèi)部的電氣系統(tǒng)和儲電空間[7],最終實現(xiàn)建筑的能源自給和高效運轉.

4 結 語

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展,能源問題已經(jīng)成為世界各國共同面對的挑戰(zhàn).建筑作為社會的重要組成部分,大量地消耗能源.在建筑節(jié)能技術中,發(fā)展和應用新的半導體材料,最大限度地利用太陽能這一巨大的清潔能源,對于能源安全、和諧社會建設和人類可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

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[2] 王俊,徐偉,林海燕,等.建筑能耗現(xiàn)狀與節(jié)能途徑[J].中國科技成果,2006,19:30-35.

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[5] 范曉偉,李琦波,楊曉明.樓宇自動化綜合實驗室的設計與建設[J].中原工學院學報,2007,18(6):23-27.

[6] 劉寅,蔣紅.鄭州地區(qū)太陽能規(guī)?；釟夂驐l件分析[J].中原工學院學報,2006,17(5):34-37.

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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

張彩麗(1979-),女,河南南陽人,講師,碩士.