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1、光电转换反应化学原理、器件及应用,有机12组：刘珊、潘淑仪、乔宇、王萍、王壮、温俊丽、吴天辉,一、光电转化反应化学原理 1.1 光电化学过程：光电化学过程是在光作用下的电化学过程。是分子、离子等因吸收光使电子处于激发状态产生电荷传递的过程。光电化学反应是在具有不同类型电导的两个导电物相界面上进行的。,载流子与光生载流子半导体半导体的分类少数载流子与多数载流子,1.2 几个基本概念,光电化学的研究对象半导体,定义：常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。是一种导电性可受控制范围可以从绝缘体至导体的材料。导电原理：半导体原子能谱有一个将价电子的满顶带（价带）与相邻的空带（导带）隔开的禁止能带。由
2、于存在间隙，价带电子与导带电子之间相互作用就弱，受到光的激发以后，半导体的价带电子进入导带，并在价带留下空穴，引发光电化学反应。,载流子与光生载流子半导体半导体的分类少数载流子与多数载流子,1.2 几个基本概念,1.3 光电转化的反应原理图,1.4 光电转换反应与电化学反应的区别,光电化学反应和传统电化学反应有相同的氧化还原反应特色，但传统电化学反应须由外界给予电能来提供反应所需的能量，光电化学反应则直接利用太阳能代替电能，是一种完整结合太阳能及电化学反应的设计，类似植物行光合作用，对于人类在太阳能应用上具有显著的影响。,目前，光电化学主要以半导体或类半导体的光敏物质为研究对象，把它浸在电解液
3、中，研究其光电转化规律以及在光照下的电化学性质。1.6 现阶段光电化学研究举例：光合成中的光电化学过程,1.5 光电化学研究的范围,二 光电转换反应器件 2.1 太阳能电池光电转换（1）太阳能电池的概念（2）太阳能电池的分类（3）太阳能电池的应用 2.2 TiO2纳米管光电转换 2.3 光电倍增管光电转换 2.4 石墨烯光电转换,2.1 太阳能电池光电转换,（1）太阳能电池的概念太阳能光电池简称为太阳能电池或太阳电池，又称为太 阳能晶片。太阳能电池是一种由太阳能转变为电能的器件（光电半导体薄片）,（2）太阳能电池的分类,太阳能电池,无机体系,无机有机掺杂体系,有机体系,硅太阳能电池,化合物半导
4、体电池,DSSC,其他,小分子有机物,高分子,（a）硅类太阳能电池,硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜单晶硅太阳能电池的替代产品。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占
5、据主导地位。非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池主要发展产品之一。,（b）化合物类太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓（GaAs）III-V族化合物、硫化镉（CdS）、碲化镉(CdTe)及铜铟硒薄膜电池等。硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能
6、电池最理想的替代产品。砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。,（c）高分子太阳能电池以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究
7、方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。（d）纳米晶太阳能电池纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/51/10寿命能达到20年以上。此类电池的研究和开发刚刚起步，不久的将来会逐步走上市场。,（e）有机体系太阳能电池有机太阳能电池，就是由有机材料构成核心部
8、分的太阳能电池。以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流。主要的光敏性质的有机材料均具有共轭结构并且有导电性，如酞菁化合物、卟啉、菁（cyanine）等（f）无机有机掺杂体系主要是指DSSC,染料敏化太阳能电池(DSSC),模仿光合作用原理研制出来的一种新型太阳能电池1991年，瑞士洛桑高等学院的研究小组通过将纳米多孔薄膜引入DSSC提高了光电转换效率具有制备成本低廉、制作工艺简单、光电转换效率相对较高等优点,DSSC的结构示意图,一般由光阳极、敏化染料、氧化还原电解质和对电极（通常为铂电极）组成。其中光阳极包括：透明导电基底（通常为导电玻璃）、纳米多孔半导体,DS
9、SC的工作原理,太阳光照射在DSSC上，染料分子中基态电子被激发，激发态染料分子将电子注入到纳米多孔半导体的导带中，注入到导带上中的电子迅速富集到导电玻璃上面，传向外电路，并最终回到对电极上。由于染料的氧化还原电位高于氧化还原电解质电对的电位，这是处于氧化态的染料分子随即被还原态的电解质还原。然后氧化态的电解质扩散到对电极上得到电子再生，如此循环，即产生电流。,DSSC转换效率的影响因素,敏化染料（合成和发展光谱范围更宽，成本更低，效率更高，稳定性更好的染料敏化剂；研究染料敏化作用，拓宽光谱响应范围）纳米多孔半导体膜（比表面积大有利）电解质（解决液体电解质封装难、易挥发和泄露问题，探索固体电解
10、质DSSC电池）,DSSC的发展现状,经过20多年的发展，光电转换效率已经超过13%，已经发展到向产业化过渡的阶段光阳极膜的性能和染料敏化效果有待提高，电解质的研究和替换有待进一步探索,(3)太阳能电池的应用,太阳能电池在航天、军事、工业、农业、民用等诸多领域有着广泛的应用，且前景广阔。,太阳能汽车,太阳能路灯,PV APPLICATION,2.2 TiO2纳米管光电转换,TiO2 纳米管制备方法主要有水热处理法和电化学阳极氧化法等制备方法不同时，其形成机理、结构特点以及物理化学性能差异很大。水热处理后得到 TiO2 纳米管仍为锐钛矿型,具有很好的热稳定性。电化学阳极氧化法制得的TiO2纳米管
11、排列有序，具有 P型半导体特性。纳米材料 TiO2作为光阳极电极材料，组成染料敏化太阳能电池 dye sensitized solar cell(DSSC)以其绿色环保、价格低廉以及稳定性深得青睐。与硅晶组成的传统太阳电池不同的是，DSSC 内的载流子 是 由敏化剂产生的而不是半导体本身，TiO2光电极薄膜仅起光生电子的收集和传导作用。与零维材料相 比，一维结构材料纳米管，具有更为优异的特性：巨大的比表面积，利于吸附大量的禁带宽度较小的敏化剂；形成体相复合半导体利于光生电子的分离，抑制其复合；中空管道更有利于光 生电子的传输。,2.3 光电倍增管光电转换,光电倍增管(Photo Multipl
12、ier Tube)，简称 PMT，是滚筒扫描仪中的光电转换器件。滚筒扫描仪采用点扫描方式，扫描头用极细的光线对原稿进行逐点扫描，不会受多余光的影响，在暗调的地方可以扫出更多细节，提高图像的对比度。扫描头用极细的光线对原稿进行逐点扫描，不会受多余光的影响，在暗调的地方可以扫出更多细节，提高图像的对比度。,2.4 石墨烯光电转换,石墨烯因独特的二维层状原子晶体结构和狄拉克锥形电子能带结构而具有新奇的电学、光学和光电子学性质。PN结则是双极型晶体管和场效应晶体管的核心结构，更是现代电子技术的基础。高质量石墨烯PN结光电器件以其特殊的工作机制,有可能打破传统光电技术中的诸多限制条件,为光电器件带来更大响应带宽、更快转换速度及更低检测阈值，促进新一代光电子技术的发展,在太阳能电池、夜视系统、天文望远镜及半导体传感器 等领域均有潜在的应用价值。,谢谢！,
