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)過程：光電化學(xué)過程是在光作用下的電化學(xué)過程。是分子、離子等因吸收光使電子處于激發(fā)狀態(tài)產(chǎn)生電荷傳遞的過程。光電化學(xué)反應(yīng)是在具有不同類型電導(dǎo)的兩個導(dǎo)電物相界面上進行的。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幾個基本概念光電化學(xué)的研究對象——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)體原子能譜有一個將價電子的滿頂帶（價帶）與相鄰的空帶（導(dǎo)帶）隔開的禁止能帶。由于存在間隙

2、，價帶電子與導(dǎo)帶電子之間相互作用就弱，受到光的激發(fā)以后，半導(dǎo)體的價帶電子進入導(dǎo)帶，并在價帶留下空穴，引發(fā)光電化學(xué)反應(yīng)?！糨d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)則直接利用太陽能代替電能，是一種完整結(jié)合太陽能及電化學(xué)反應(yīng)的設(shè)計，類似植物行光合作用，對于人類在太陽能應(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太陽能電池光電轉(zhuǎn)換（1）太陽能電池的概念（2）太陽能電池的分類（3）太陽能電池的應(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太陽能電池光電轉(zhuǎn)換（1）太陽能電池的概念太陽能光電池簡稱為太陽能電池或太陽電池，又稱為太陽能晶片。太陽能電池是一種由太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷ü怆姲雽?dǎo)體薄片）（2）太陽能電池的分類太陽能電池?zé)o機體系無機有機摻雜體系有機體系硅太陽能電池化合物半導(dǎo)體電池DSSC其他小分子有機物高分子（a）硅類太陽能電池硅太陽能電

4、池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時的效率為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能電池的替代產(chǎn)品。多晶硅薄膜太陽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，其實驗室最高轉(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在太陽能電地市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽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，直接影響了它的實際應(yīng)用。如果能進一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅太陽能電池?zé)o疑是太陽能電池主要發(fā)展產(chǎn)品之一。（b）化合物類太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機鹽，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，會對環(huán)境造成嚴重的污染，因此，并不是晶體硅太陽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,對熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但GaAs材料的價格不菲,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（簡稱CIS）適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源，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）高分子太陽能電池以有機聚合物代替無機材料是剛剛開始的一個太陽能電池制造的研究方向。由于有機材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本底等優(yōu)勢，從而對

7、大規(guī)模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義。但以有機材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實用意義的產(chǎn)品，還有待于進一步研究探索。（d）納米晶太陽能電池納米TiO2晶體化學(xué)能太陽能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩(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電池的1/5～1/10．壽命能達到20年以上。此類電池的研