天然气的热化学重整是使低链烃如CH4与H2O或CO2发生反应，重整后的产物主要是CO和H2的混合物，甲烷重整反应是一个化学工业很普遍的化学反应，甲烷的水汽或CO2重整是一强烈的吸热反应，是升高碳氢化合物热值的基础反应。体系的平衡组成计算表明，在101325Pa(1atm)下，甲烷在1000K的平衡转化率超过90％，因此甲烷的水汽和CO2重整是将太阳高温热能转化为化学燃料的理想过程，实际上，世界各国人员已经对该转化过程进行了长达20多年的研究。如果重整过程的热量由太阳高温热来提供，则该过程将使甲烷的热值提高28％。经太阳热化学提升热值后的合成气，可以储存并用来发电。和传统的通过甲烷部分氧化供热的重整过程相比，太阳热过程将减少20％的CO2排放量。太阳热合成气还可以随时转化为便于运输的液体燃料如甲醇等。合成气或甲醇的未来潜在应用领域在于作为燃料供给高能量转换效率的燃料电池使用。
在过去的几十年中，人们更多地是研究甲烷的CO2重整反应，这主要是因为它与化学热管道输送有关。通过化学热管道可以将太阳能从资源丰富的地方传输到能量贫乏的偏远地方，如图2-3所示。该方法首先通过一吸热的化学反应将太阳能储存起来，然后将高热值的CO和H2经管道运送到需要能量的地方，再通过放热反应释放储存的化学能，产生CH4和CO2，再送回太阳反应器继续完成能量循环，整个能量转化和利用过程实际上利用了可逆化学反应的吸热和放热过程。而CO和H2在运输中作为能量的载体存在。
太阳热化学热管道输送示意
通过其他的化学反应也可以将太阳热能转化为化学能，利用化学反应储热，储热量大，体积小，质量轻，化学反应产物可分离储存。真正能用于储热的化学反应必须满足反应可逆性好，无副反应，反应迅速，反应生成物易分离且可以稳定储存，反应物和生成物无毒、无腐蚀等特点，目前已筛选出一些化学反应可满足上述条件，如Ca(OH)2的热分解反应：
Ca(OH)2+63．6kJCaO+H2O(2-9)
利用上述吸热反应可将太阳的热量储存起来，需要时则通过放热反应释放出来。但是，Ca(OH)2在常压下脱水反应温度高于773K，利用太阳能在这一温度下实现脱水比较困难，加入催化剂可降低反应温度，但仍相当高。所以，对化学反应储存热能尚需进行深入研究，一时难以实用。其他可用于储热的化学反应还有金属氢化物的热分解反应等。
(第二节 )太阳能转化光伏电池
一、概述
1839年Edmond Becquerel首先发现了光伏效应。他将两个氯化银或者溴化银包裹的铂电极浸入稀酸溶液中，当光照射一个电极时会有电流产生。不过，现代光伏电池之父是贝尔实验室的Russell Ohl，1941年他发现晶化一个商业上高纯度的硅熔体可以得到明确界定的势垒并具有很高的光伏响应。这一势垒实际上是由于从熔体中生长硅晶体时产生的杂质非均匀分布，从而形成了p-n结。基于这一发现，1954年贝尔实验室的Chapin等进行了开创性的工作，他们获得了扩散型单晶p—n结，并成功地将此发展成为适应于初期空间市场的光伏电池器件。
所有的光伏电池器件都包括p—n结连接的半导体。在吸收光子后，半导体中产生电子和空穴对，如果抑制电子和空穴在半导体中的复合，它们将扩散到p—n结附近，并在p-n结电场的作用下实现分离。在两侧接触栅极的作用下，传输到负载电器上。同时，为了抑制半导体表面对光的反射，半导体表面一般要有一层抗反射涂层。
20世纪70年代起，结晶硅开始在地面光伏电池中应用。然而由于硅材料为非直接带隙半导体，光吸收系数较低，当样品厚度小于100μm时，几乎不能吸收hν>Eg的全部光子。因此人们开始研究和开发其他的半导体材料以制备廉价并具有较好光吸收性质的多晶薄膜型光伏电池器件。20世纪80年代初，日本科学家将非晶硅光伏电池商业化，随后双重结和三重结的非晶硅光伏电池替代了单一结的非晶硅光伏电池，目前三重结非晶硅光伏电池的实验室效率已经达到15％。另外两种重要的薄膜型光伏电池为碲化镉(CdTe)和铜铟硒(CuInSe2，CIS)。n-CdS／p-CdTe异质结光伏电池实验室效率已经达到16％。而2003年美国国家可再生能源实验室报道ZnO／CdS／p—CIS异质结光伏电池实验室效率已经达到19．3％，成为目前最具有应用前景的薄膜型光伏电池。
与此同时，有机半导体光伏电池也正在引起人们的重视，新型的有机半导体光伏电池器件已经达到了3％的光电转换效率。染料敏化纳米晶TiO2光电化学电池发展较为迅速，已达到了10％的光电转换效率。其他的新型光伏电池包括了量子阱光伏电池、热光伏电、浓集型光伏电池等。
二、光伏电池材料的制备及性质
1.结晶硅光伏电池
单晶硅光伏电池保持着目前最高的光电转换效率，实验室电池的效率为24．4％，商业模件为12％～16％。最初，只有恰克拉斯基法生长的单晶硅应用于光伏电池。多晶硅原料在石英坩埚中惰性气氛下加热熔化后，引入籽晶，然后缓慢向上提拉和转动晶杆生长单晶。其优点是晶体生长速度较快，但Cz法生长的单晶硅材料中每立方米一般含有1017～1018个填隙氧原子，这导致了其在光照条件下效率较低的问题。
另一种硅晶体生长方法为浮区技术，其中熔融区沿着一个较纯的硅锭移动。因无需坩埚，此法得到的材料具有非常高的纯度，但其成本相比于Cz法则更为昂贵，不适用于大规模的光伏电池生产。
最近出现了一种更为先进的技术，即在磁场下以Cz法生长单晶硅。磁场与单晶硅中的自由电子相互作用，单晶硅中的杂质分布更为均一。
最近发现，纳米晶硅薄膜具有卓越的光学和电子学特性，最高的纳米晶硅薄膜光伏电池的光电转换效率已达7％。
2．非晶硅光伏电池
非晶硅光伏电池实质上是利用硅氢合金材料，其中硅氢键长和键角的分布扰动着硅晶格的长程有序性，并改变了材料的光学和电子性质，其光学禁带宽度为1．12～1.7eV。截至目前该类光伏电池的光电转换效率还比较低，并且存在着严重的光致退化效应。
最为常用的氢化非晶硅薄膜制备方法是等离子促进化学气相沉积技术。氢的稀释可以控制薄膜的结构，在非常高的氢稀释浓度下(<90％)，材料将会转变为微晶态，微晶态硅材料的禁带宽度接近于晶体硅。由于内散射作用，表观光学吸收相比于晶体材料将会提高一倍。由于高的氢含量的钝化作用，晶粒边界对于器件的性质将不会产生重要影响。
中国科学院半导体研究所最近应用等离子体促进化学气相沉积技术研制出了优质稳定的氢化非晶一纳米晶两相结构硅薄膜，薄膜的光电导率比器件质量的非晶硅提高了两个数量级。
非晶硅光伏电池目前的主要研究领域：①对于材料性质及器件的稳定性深入研究，调节其在工作条件下的缺陷平衡；②在等离子放电和超高频率沉积条件下提高硅烷氢稀释的作用，即在高的沉积速率下提高材料的性质；③深入理解无定形和结晶型硅相变区的材料性质；④引入缓冲层、合金和掺杂梯度等以达到电池器件设计的最佳化，提高电池的效率并降低光致退化效应；⑤堆积和串联式光伏电池器件设计的最佳化，以达到最高的稳定效率。
3.铜铟硒光伏电池
三元化合物半导体：CuInSe2、CuGaSe2、CuInS2等结晶构型属于黄铜矿。其特征是立方相闪锌矿结构ZnSe中，Zn被Cu和In交替替换，每一个I价元素Cu或Ⅲ价元素In原子与Ⅵ价元素Se形成四个键，而每一个Se原子则分别与Cu和In形成两个键。Cu的3d能带与Se的4p能带共同构成了黄铜矿化合物的最高价带。Cu黄铜矿化合物的禁带宽度覆盖了最主要的太阳光谱部分，CulnSe2为1．04eV，而CuGaS2为2.4eV。
S．B．Zhang等以第一原理计算表明，CulnSe2(简称ClS)中的缺陷对，具有较低的形成能，由于Cu空穴的易于形成以及V-Cu和In+Cu之间的吸引力，缺陷对是电中性的。这解释了CulnSe2对于较大本征缺陷浓度(约1％)的允许能力，缺陷对之间的吸引力进一步解释了缺陷对的结晶规则性。
Na对于CIS光伏电池器件性能具有重要作用，其不仅提高了CIS薄膜的结晶程度并且提高了其电导率。实验表明Na主要位于晶粒的边界和缺陷处。David Cahen等提出了一个缺陷化学模型，说明碱金属对于GIGS半导体的表面氧化以及其表面和晶粒边界处的Se空穴氧化钝化效应具有催化作用。
对于铜铟硒这类相对比较复杂的化合物半导体来说，大面积的制备有两条途径。①前体层沉积并随后在H2Se蒸气中退火处理。但截至目前，该方法并没有取得太大的成功，而且其限制了吸收层组成为低禁带宽度的In富集材料。②目前取得最佳的小面积实验室电池效率的制备方法为共蒸发法。这一步骤为器件设计的最佳化提供了最大程度的弹性。
R．P．Raffaelle等应用电沉积的方法制备CuInxGa1-xSe2薄膜，经退火处理，结果得到具有1μm晶粒大小表面均一的薄膜，此研究表明，应用廉价的电沉积方法，有可能制备CIS薄膜型光伏电池材料。其他的铜铟硒多晶薄膜的制备方法还包括磁控溅射、机械合金炼制、化学浴沉积等。
(第三节 )太阳能与环境化学过程
一、概述
能源和环境是当前世界关注的两大热点问题。如何利用有限的能源，减少环境污染是当前各国政府和领导人都必须考虑的问题。对于人类和地球上的生命而言，太阳辐射是非常重要的。地球上几乎所有的生命靠太阳辐射来维持。植物利用太阳光进行的光合作用为人类提供了食物、大部分燃料和材料，太阳光为地球上的生命提供了适宜的生存环境。但另一方面，太阳辐射会引发自然环境中存在的化合物产生一系列光化学反应，从而对生物化学循环、全球气候变化和人类健康产生重要的影响。
阳光是人类生存必不可少的物质，而太阳辐射能够使某些化合物产生光化学反应。由于近代工业的快速发展，大量的化学物质进入环境，从而诱发了许多环境污染问题，如洛杉矶光化学烟雾事件和南极平流层的臭氧损耗。
在经济日益繁荣和发展的今天，环境污染问题已成为一个直接威胁人类生存而急待解决的焦点问题。仅美国一个国家，每年就排放约5．4亿吨的有毒固体和液体废物。为此，科学家们已发展了生物化学和物理化学等方法来消除存在于大气、土壤和水中的有害化学物质，但这些方法投入较大，时效较短。20世纪80年代初，光化学开始应用于环境保护，其中光化学降解治理污染尤受重视，包括无催化剂和有催化剂的光化学降解。前者多采用臭氧和过氧化氢等作为氧化剂，在紫外线的照射下使污染物氧化分解；后者又称光催化降解，一般可分为均相、多相两种类型。均相光催化降解主要以Fe2+或Fe3+及H2O2为介质，通过光助芬顿反应使污染物得到降解，此类反应能直接利用可见光；多相光催化降解就是在污染体系中投加一定量的光敏半导体材料，同时结合一定能量的光辐射，使光敏半导体在光的照射下激发产生电子空穴对，吸附在半导体上的溶解氧、水分子等与电子和空穴作用，产生·OH等氧化性极强的自由基，再通过与污染物之间的羟基加合、取代、电子转移等使污染物全部或接近全部矿化，最终生成CO2、H2O及其他离子，如NO-3、Po3-4、SO2-4、Cl-等。国内外最近几年有关这方面的综述文章很多。与无催化剂的光化学降解相比，光催化降解在环境污染治理中的应用研究更为活跃。
半导体光催化应用于环境污染治理，由于它具有高光化学转换效率、高稳定性及对各类有机污染物进行全谱深度氧化的高包容性，特别是它可直接利用太阳能进行光化学转换的独特优势，一开始就受到科学家的高度重视。最富有成效的工作，当属光催化在工业废水及室内空气污染净化处理方面的应用研究。但这类研究中目前广泛使用的n—TiO2基光催化剂，由于禁带较宽，对可见光的光谱响应差，在直接利用太阳能进行光催化环境污染治理方面受到很大限制。因而TiO2光催化剂的可见光敏化研究对环境光催化的发展具有重要的理论意义和实用前景。可以预言：光催化研究必将与环境科学相互渗透，有机融合，并以一个崭新的分支学科——环境光催化，而活跃在光催化研究领域。
目前有关光催化降解的研究报道中，大多采用人工光源，有效光的利用以紫外辐射为主，它对分解有机物效果显著，但费用较高，且需要消耗大量电能。因此，国内外研究者均提出应开发利用自然光源或自然、人工光源相结合的技术，充分利用清洁的可再生能源，使太阳能利用与环境保护相结合，发挥光催化降解在环境污染治理中的优势。
二、光催化消除环境污染物
1.空气中有害物质的光催化去除