2023年纳米材料在新能源领域中的应用.docx

纳米材料在新能源领域中的应用 纳米材料在新能源领域中的应用 学科：纳米材料班级：能科131班姓名：李阳学号：132023022200教师： 目录 .............................31绪论...........................32纳米技术与太阳能................3 2.1纳米线太阳能电池......................................42.2染料敏化纳米晶ti02太阳能电池..........................42.3纳米晶/聚合物电池.....................................52.4纳米银增强聚合物太阳能电池............................6 3纳米技术与风能..................6 3.1应用于风机齿轮箱的纳米润滑添加剂......................63.2碳纳米管/高分子纳米复合材料在风机叶片中的应用研究.....73.3纳米粒子增强基体树脂用于碳纤维风机叶片棒材............8 4纳米材料与其他新能源............85展望............................9 能源与环境的可持续开展是当今世界人类社会的两个重要开展战略。随着全球经济的开展，人们对能源的需求正在不断增长，新能源的开展势在必行。同时，纳米技术作为一种新科技需要一个良好的操作空间，新能源领域由于投入大、开展快、起步低、改革本钱低所以十分适合诸多纳米技术的引进与开展。因此本文将会结合笔者所属的新能源专业来介绍纳米材料的应用。其中最被看好的是应用于太阳能电池，提升太阳能电池的性能。而在风能领域中，虽然大多停留在实验室阶段，但仍具有十分广阔的应用前景。除此以外也有很多其他新能源的纳米应用，比方储氢电池等，也是具有巨大价值的。我们有足够的信心相信将来纳米与新能源将是强有力的结合，以全新的面貌改变我们的生活。关键词：纳米新能源、风能、太阳能、纳米材料1绪论 人类进入二十一世纪以来，和谐与开展已是永恒的主题，能源与环境已成为全球关注的焦点。能源是人类活动的物质根底，环境是人类赖以生存的外部条件，解决能源短缺和环境污染问题是实现可持续开展、提高人民生活质量和保障国家平安的迫切需要。急剧增加的世界人口和不断推进的工业化进程更使得世界能源消耗量飙升。据预测，以目前的消耗速度，即使是地球储量较丰富的煤炭资源，在未来200年内也将消耗殆尽。同时，以煤、石油、天然气为主的化石燃料的燃烧释放的大量的有害气体（co、h2s、so2、nox等）、温室气体（c02）、粉尘及碳氢化合物等有害物质，又带来了酸雨、臭氧层破坏、热污染、放射性污染、“温室效应〞等诸多严重影响人体健康的环境问题。在能源危机和环境问题的双重压力下，太阳能、风能等作为取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源引起了全世界研究人员的热切关注。1 然而，这些目标的实现都离不开科学，尤其是新材料方面的重大突破。其中不得不谈到纳米技术，科学家们关于新材料的设想越来越明晰了，他们以纳米为单位来设计新材料，在这样小的尺寸上，新材料可以拥有自己的特性，这些属性可以提供理想的功能2，最近一系列研究说明，纳米材料在能源领域拥有广阔潜力。因此，诸多应用于新能源领域的纳米技术问世以及投入运作。3 2纳米技术与太阳能 世界上最丰冨的可再生能源就是太阳能，而对太阳能高效利用最有前景的一种方式是太阳能电池。太阳能电池从创造到现在，已经有200多年了。然而太阳能电 池在能源领域的应用却依然无法与传统能源所抗衡。阻碍太阳能电池大规模应用 4的原因主要有两个。相对较低的光电转换效率和较高的制造本钱。为了解决这两 个问题，目前有大量的研究工作围绕纳米结构的太阳能电池而展开，以提高太阳能电池的表现。52.1纳米线太阳能电池 为了提高太阳能电池的转换效率并且降低太阳能电池的制造本钱，最近几年，科研人员把注意力集中在纳米结构的太阳能电池上。它们将传统的三维体材料电池，变成二维的纳米线太阳能电池，甚至是一维的量子点结构太阳能电池，以到达提升电池转换效率的目的。2 纳米线在太阳能电池上的应用主要有3种，（1）纳米线结构作为减反层;（2）轴向pn结纳米线电池;（3）径向pn结纳米线电池。6 纳米线最简单、最直接的应用就是制作在太阳能电池的外表，作为减反层来提高电池的效率。相比于传统的平板和薄膜太阳能电池，纳来线太阳能电池有优异的减反射效果。这是由于入射光在纳米线中会进行屡次散射，形成“陷光效应〞，从而增加被吸收的几率。并且纳米线对入射光的偏振方向，入射角度，入射波长也不敏感，导致纳来线对入射光有很强的捕获能力。轴向pn结纳米线电池的设计与制作起源于叠层薄膜电池。它采用各种不同禁带宽度的子电池沿轴向堆叠形成。实际制作中，它是依靠不同子电池的掺杂不同或者制作材料不同而形成堆叠的pn结。轴向pn结纳米线电池现在的研究方向主要是在纳来线中制作叠层的量子以提高电池的效率。6径向pn结的纳米线的结构如以下图。 2.2染料敏化纳米晶ti02太阳能电池 新近开展起来的的染料敏化太阳能电池受到国内外研究者的普遍关注。染料敏化太阳能电池的研究历史可以追溯到上世纪60年代，德国科学家tributseh等首次发现了染料吸附在半导体上在一定条件下能产生电流，成为光电化学电池的重要 3根底。然而，直到1991年以前，大多数染料敏化太阳能电池的光电转换效率都非 常低，均小于1%。7但是到了目前，染料敏化太阳能电池的光电转换效率己稳定 在2023%以上。8 其中，纳米多孔二氧化钛的技术改变尤为重要，即采用了纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米纤维等不同形貌的纳米结构。9它的本钱为si太阳能电池的1/5到1/2023，使用寿命可达15年以上。该类太阳能电池具有结构、工艺简单、本钱低廉、易于制造的优点;其光电压是纳米二氧化铁在光照下的费米能级与电解质氧化-复原电势之差，对光强度变化和温度变化不敏感，光稳定性好，对环境无污染，是一种非常有前途的清洁太阳能装置。一旦染料敏化太阳能电池的光电转化效率进一步提高，封装问题、使用寿命问题得到很好的解决，染料敏化太阳能电池很有可能在不久的将来成为一种具有竞争力的商业化产品。2023因此，染料敏化太阳能电池的研究对缓解当今世界的能源危机问题具有非常重要的现实意义。11 在染料敏化太阳能电池的膜电极中参加尺寸较大的二氧化铁颗粒（如尺寸处在20230到400nm的一维结构材料、尺寸约20230nm的二维结构材料和尺寸处在几百纳米到1的三维空心结构材料等）后，这些尺寸较大的二氧化钛颗粒能够作为光散射中心，从而增加光在膜中的光程。12 2.3纳米晶/聚合物电池 常见的纳米晶/聚合物太阳能电池是由阴阳极纳米晶与聚合物复合的光活性层阳极缓冲层等几局部组成，其中，聚合物用作电子给体和空穴传输介质，纳米晶用作电子受体和电子传输介质其结构及能级图如以下图13、在光照下，电池中的半导体纳米晶和聚合物同时吸收光子，产生电子空穴对由于纳米晶具有较强的电子亲合力（电势能），而聚合物电离能相对较低，两者之间的电势差形成电场14，在该电场中，电子空穴对别离形成载流子（纳米晶受体上的电子和聚合物给体上的空穴），别离后的电子和空穴分别沿着各自的路径运行到相应电极，从而形成 第6页 共6页