新能源材料课程期末作业（完成）

用于空间，CdTe 和CIS电池被认为是未来实现低于1美元/峰瓦成本目标的典型薄膜电池，因此成为最热的两个研究课题。 1) CdTe电池材料

CdTe－II-VI族化合物，Eg＝1.5eV, 理论效率28%，性能稳定，一直被光伏界看重。工艺和技术－近空间升华(CSS)，电沉积，溅射、真空蒸发，丝网印刷等；实验室电池效率16.4%；商业化电池效率平均8～10％；CdTe电池90年代初实现了规模化化生产，2002年市场份额为0.3％。而我国CdTe电池的研究工作开始于80年代初。 2) CIGS电池材料

CIGS是Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族三元化合物半导体，带隙1.04eV。70年代中后期波音公司－真空蒸发，电池效率达到9％；80年代开始，ARCO Solar 公司处领先地位；90年代后期，NREL保持世界记录，19.5%；90年代初起，许多公司致力实现商业化生产，该电池目前处在兆瓦级中试生产阶段。

1.4.5染料敏化TiO2太阳电池Dye Sensitized Solar Cells (DSSCs)的研究进展

染料敏化TiO2电池实际是一种光电化学电池。早期的TiO2光电化学电池稳定性差、效率低。1991年瑞士Gr?tzel 将染料敏化引入该种电池，效率达到7.1%，成为太阳电池前沿热点之一。目前这种电池的实验室效率达到 11％。染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSCs）（或称Gr?tzel型光电化学太阳能电池）主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。

1.4.6 纳米半导体材料的研究进展

金属硫化物、金属硒化物 、钙钛矿以及钛、锡、锌、钨、锆、铪、锶 、铁 、铈等的氧化物均可用作DSSCs的中的半导体材料。1999 年，Guo报道了Nb2O5 染料敏化的太阳能电池。2000 年，Poznyak 等人还报道了纳米晶体In2O3 薄膜电极的光电化学性质。

在国内,目前北京大学的研究者们对各种染料敏化纳米薄膜研究得较多。在这些半导体材料中, TiO2 ,ZnO和SnO2的性能较好。 1.4.7有机太阳能电池材料的研究进展

美国加州伯克利分校科学家在2002年利用塑料纳米技术研制出第一代塑料太阳能电池，可以安装在一系列便携式设备及可穿戴式电子设备上。提供0.7V的电压。该类材料的特点是：价格低、易成型，通过化学修饰调控性能。倍受关注的高分子材料为聚对苯乙撑（PPV）MEH-PPV与另一个PPV的衍生物CN-PPV配合使用，组成D-A网络结构的光电池。

2. 燃料电池的分类及燃料电池材料的研究现状。 答：2.1燃料电池的分类的分类有：

1.碱性燃料电池（AFC）——低温；

2.质子交换膜燃料电池（PEMFC）——低温； 3.磷酸燃料电池（PAFC）——中温；

4.熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）——高温； 5.固态氧化物燃料电池（SOFC）——高温；

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2.2燃料电池材料的研究现状

2.2.1质子交换膜燃料电池（PEMFC）材料研究现状

质子交换膜燃料电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质，无电解质腐蚀问题，以Pt/C or Pt-Ru/C为催化剂，能量转换效率高，无污染，可室温快速启动。质子交换膜燃料电池在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的最佳驱动电源。它已成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车上。当前质子交换膜材料主要有：Nafion系列膜、PTFE（恨水粘合剂）－Nafion复合膜、非氟质子交换膜、自增湿膜、高温膜。 2.2.2熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）材料研究现状

熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐。 1）阴极材料

目前，MCFC阴极一般采用多孔NiO，它是多孔金属Ni在电池升温过程中，经高温氧化而成。阴极气氛一般采用空气加CO2或氧气加CO2 。在电池实际运行过程中，通常需在室温下对阴极气氛进行加湿处理。 2）阳极材料

目前MCFC阳极一般采用Ni—Cr、Ni—Al合金。 3）双极板材料

双极板兼作电池集流器和隔离板。集流器连接隔离板和电极。作为双极板材料或其表面防护涂层，要求其表面腐蚀产物具有良好导电性，同时腐蚀产物在熔盐电解质中具有低的溶解度，否则氧化物的持续溶解将改变熔盐电解质的化学及电性能。

由于较好的力学性能及成本较低，目前双极板材料一般采用不锈钢如316和310等。但它们的耐腐蚀性能远满足不了实用化要求。且在阳极一侧的腐蚀速度可比阴极一侧高2个数量级，因此必须寻求适当的表面防护技术。 2.2.3固体氧化物燃料电池（SOFC）材料研究现状 1)电解质材料

常见的电解质材料有氧化锆电解质、氧化铈电解质、氧化铋电解质。除了上述双组分氧化物外，还有一些钙钛矿型氧化物掺杂后也可用作电解质如LaCaO3 ，SrCeO3， BaCeO3等，它们的结构都可简单表示为ABO3。 2）阴极材料

当前用作阴极材料的有贵金属(如金、银、铂等)，掺锡的In2O3，掺杂ZnO，掺杂SnO2等，但这些材料或价格昂贵，或热稳定性差，所以到70年代后，就被新开发出来的钙钛矿结构氧化物材料所取代。其种类较多，电子电导率的差异也很大。其中LaCoO3，LaFeO3，LaMnO3， LaCrO3掺入碱土金属氧化物(碱土金属离子取代La)后，显示出极高的电子电导率，它们的电子电导率大小顺序为： LaCoO3>LaFeO3>LaMnO3>LaCrO3。 3）阳极材料

最早使用焦炭作阳极，而后使用金属作阳极材料，但在操作温度1000℃的YSZ基SOFC中，合适的金属仅限于Ni，Co和贵金属。因为Ni的价格与Co ，Pt，Pd等相比较便宜，因而目前普遍采用Ni。 4）互连材料

在实际燃料电池发电系统中，单电池的输出电压不大于1v，因此为获得高电压，必须将许多的单电池互相连结在一起。互连材料作为相邻电池实现电子连

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接的桥梁，要求具有高的电子电导率，致密，在阴、阳极环境中具有化学稳定性，具有机械稳定性，并与其它电池元件热膨胀相容。曾用贵金属及某些合金来作互连材料，但存在两个问题：① 由于材料表面生成一层氧化物，使接触电阻增加：②这些材料与其它元件的热膨胀不匹配。

后来发现钙钛矿型铬酸镧(LaCrO3)特别适合用作互连材料，并对这种材料的性质进行了广泛的研究。LaCrO3中的La和Cr均可以被替代，常用替代物有Sr，Ca(La位；Mg，Co，Zn ，Cu，Nj，Fe，Al和Ti (Cr位) 。这种替代不仅可提高电子电导率，其中有些替代还可改善LaCrO3的烧结性能，为获得致密的LaCrO3材料，更多的是从制备工艺进行改善，例如在高还原气氛下热压烧结，电化学气相沉积，或湿法制备(如甘氨酸硝酸盐法)。

2.2.4 (AFC)碱性燃料电池材料研究现状

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该电池的电解质材料主要是KOH电解质(高温200 C，KOH=85%；低温<120 C，KOH=35--50%)以纯氢作燃料，纯氧为阴极氧化剂、铂、金、银或钴、锰、鎳镍为催化剂、双孔性电极构造。

2.2.5磷酸燃料电池(PAFC)材料研究现状

当前，该电池的工作温度160~220oC;电解质材料为100%磷酸作为电解质;有腐蚀问题，寿命40,000小时;CO<0.5%;以石墨作为结构体，以碳棒作为铂载体。

3. 碱性氢氧燃料电池，磷酸型燃料电池，质子交换膜型燃料电池，熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物燃料电池的工作原理。 答：3.1碱性氢氧燃烧电池的工作原理

(AFC)碱性燃料电池由KOH电解质(高温200oC，KOH=85%；低温<120oC，KOH=35--50%)以纯氢作燃料，纯氧为阴极氧化剂铂、金、银或钴、锰、鎳镍为催化剂双孔性电极构造。其工作原理为：

阳极反应：H2 + 2OH- → 2H2O + 2e-； 阴极反应：?O2 + H2O+2e-→2OH-； 总反应：H2+?O2→H2O

3.2 磷酸型燃料电池的工作原理

磷酸燃料电池(PAFC)工作温度160~220oC;100%磷酸作为电解质;有腐蚀问题，寿命40,000小时;CO<0.5%;以石墨作为结构体，以碳棒作为铂载体;应用在分散式电源、可移动电源等。该种电池的工作原理如下： 阳极反应：H2→2H++2e-;

阴极反应：1/2O2+2H2+2e-→H2O; 总反应：1/2O2+H2→H2O

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3.3 质子交换膜型燃料电池的工作原理

质子交换膜燃料电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质，无电解质腐蚀问题，以Pt/C or Pt-Ru/C为催化剂，能量转换效率高，无污染，可室温快速启动。质子交换膜燃料电池在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的最佳驱动电源。它已成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车上。

(PEMFC)质子交换膜燃料电池原理为： 阳极反应：H2 →2H+ + 2e-；

阴极反应：1/2O2 + 2H+ + 2e- →H2O； 总反应:H2 + 1/2O2 →H2O

3.4 熔融碳酸盐型燃料电池的工作原理

熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐。该种电池的工作原理如下：

阴极反应： O2 + 2CO2 + 4e - →2CO32-；

阳极反应： 2H2 + 2CO32- → 2CO2 + 2H2O + 4e–； 总反应： O2 ＋2H2 →2H2O

3.5 固体氧化物燃料电池的工作原理

固体氧化物燃料电池采用固体氧化物作为电解质，除了高效，环境友好的

特点外，它无材料腐蚀和电解液腐蚀等问题；在高的工作温度下电池排出的高质量余热可以充分利用，使其综合效率可由50%提高到70%以上； 它的燃料适用范围广，不仅能用H2，还可直接用CO、天然气（甲烷）、煤汽化气，碳氢化合物、NH3、H2S等作燃料。这类电池最适合于分散和集中发电。

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固体氧化物燃料电池的主要工作部分由空气电极(阴极)，固体电解质和燃料电极(阳极)所组成。根据电解质传导的是质子或氧离子可以把固体氧化物燃料电池分为质子传导和氧离子传导型固体氧化物燃料电池。电池工作原理如下： 总反应为：O2+H2+CO→H2O+CO2 。

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