光電轉(zhuǎn)化原理ppt.ppt

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1、光電轉(zhuǎn)換反應(yīng)化學(xué)原理、器件及應(yīng)用有機(jī)12組：劉珊、潘淑儀、喬宇、王萍、王壯、溫俊麗、吳天輝一、光電轉(zhuǎn)化反應(yīng)化學(xué)原理1.1光電化學(xué)過(guò)程：光電化學(xué)過(guò)程是在光作用下的電化學(xué)過(guò)程。是分子、離子等因吸收光使電子處于激發(fā)狀態(tài)產(chǎn)生電荷傳遞的過(guò)程。光電化學(xué)反應(yīng)是在具有不同類型電導(dǎo)的兩個(gè)導(dǎo)電物相界面上進(jìn)行的。載流子與光生載流子半導(dǎo)體半導(dǎo)體的分類少數(shù)載流子與多數(shù)載流子1.2幾個(gè)基本概念光電化學(xué)的研究對(duì)象——半導(dǎo)體定義：常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。是一種導(dǎo)電性可受控制范圍可以從絕緣體至導(dǎo)體的材料。導(dǎo)電原理：半導(dǎo)體原子能譜有一個(gè)將價(jià)電子的滿頂帶（價(jià)帶）與相鄰的空帶（導(dǎo)帶）隔開(kāi)的禁止能帶。由于存在間隙

2、，價(jià)帶電子與導(dǎo)帶電子之間相互作用就弱，受到光的激發(fā)以后，半導(dǎo)體的價(jià)帶電子進(jìn)入導(dǎo)帶，并在價(jià)帶留下空穴，引發(fā)光電化學(xué)反應(yīng)。◆載流子與光生載流子半導(dǎo)體半導(dǎo)體的分類少數(shù)載流子與多數(shù)載流子1.2幾個(gè)基本概念1.3光電轉(zhuǎn)化的反應(yīng)原理圖1.4光電轉(zhuǎn)換反應(yīng)與電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)別光電化學(xué)反應(yīng)和傳統(tǒng)電化學(xué)反應(yīng)有相同的氧化還原反應(yīng)特色，但傳統(tǒng)電化學(xué)反應(yīng)須由外界給予電能來(lái)提供反應(yīng)所需的能量，光電化學(xué)反應(yīng)則直接利用太陽(yáng)能代替電能，是一種完整結(jié)合太陽(yáng)能及電化學(xué)反應(yīng)的設(shè)計(jì)，類似植物行光合作用，對(duì)于人類在太陽(yáng)能應(yīng)用上具有顯著的影響。目前，光電化學(xué)主要以半導(dǎo)體或類半導(dǎo)體的光敏物質(zhì)為研究對(duì)象，把它浸在電解液中，研究其光電轉(zhuǎn)化規(guī)律

3、以及在光照下的電化學(xué)性質(zhì)。1.6現(xiàn)階段光電化學(xué)研究舉例：光合成中的光電化學(xué)過(guò)程1.5光電化學(xué)研究的范圍二光電轉(zhuǎn)換反應(yīng)器件2.1太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換（1）太陽(yáng)能電池的概念（2）太陽(yáng)能電池的分類（3）太陽(yáng)能電池的應(yīng)用2.2TiO2納米管光電轉(zhuǎn)換2.3光電倍增管光電轉(zhuǎn)換2.4石墨烯光電轉(zhuǎn)換2.1太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換（1）太陽(yáng)能電池的概念太陽(yáng)能光電池簡(jiǎn)稱為太陽(yáng)能電池或太陽(yáng)電池，又稱為太陽(yáng)能晶片。太陽(yáng)能電池是一種由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷ü怆姲雽?dǎo)體薄片）（2）太陽(yáng)能電池的分類太陽(yáng)能電池?zé)o機(jī)體系無(wú)機(jī)有機(jī)摻雜體系有機(jī)體系硅太陽(yáng)能電池化合物半導(dǎo)體電池DSSC其他小分子有機(jī)物高分子（a）硅類太陽(yáng)能電池硅太陽(yáng)能電

4、池分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池三種。單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于單晶硅成本價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜單晶硅太陽(yáng)能電池的替代產(chǎn)品。多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池與單晶硅比較,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會(huì)在太陽(yáng)能電地市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)

5、，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問(wèn)題及提高轉(zhuǎn)換率問(wèn)題，那么，非晶硅太陽(yáng)能電池?zé)o疑是太陽(yáng)能電池主要發(fā)展產(chǎn)品之一。（b）化合物類太陽(yáng)能電池多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池材料為無(wú)機(jī)鹽，其主要包括砷化鎵（GaAs）III-V族化合物、硫化鎘（CdS）、碲化鎘(CdTe)及銅銦硒薄膜電池等。硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，并不是晶體硅太陽(yáng)能電池最理想的替代產(chǎn)品。砷化鎵（GaAs）III-V化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可

6、達(dá)28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率,抗輻照能力強(qiáng),對(duì)熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但GaAs材料的價(jià)格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。銅銦硒薄膜電池（簡(jiǎn)稱CIS）適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問(wèn)題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要方向。唯一的問(wèn)題是材料的來(lái)源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。（c）高分子太陽(yáng)能電池以有機(jī)聚合物代替無(wú)機(jī)材料是剛剛開(kāi)始的一個(gè)太陽(yáng)能電池制造的研究方向。由于有機(jī)材料柔性好，制作容易，材料來(lái)源廣泛，成本底等優(yōu)勢(shì)，從而對(duì)

7、大規(guī)模利用太陽(yáng)能，提供廉價(jià)電能具有重要意義。但以有機(jī)材料制備太陽(yáng)能電池的研究?jī)H僅剛開(kāi)始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無(wú)機(jī)材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品，還有待于進(jìn)一步研究探索。（d）納米晶太陽(yáng)能電池納米TiO2晶體化學(xué)能太陽(yáng)能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡(jiǎn)單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10%以上，制作成本僅為硅太陽(yáng)電池的1/5～1/10．壽命能達(dá)到20年以上。此類電池的研