太陽(yáng)能有效利用

材料科學(xué)與工程學(xué)院凌濤功能材料研究與應(yīng)用Project

太陽(yáng)能有效利用教學(xué)安排教學(xué)方法課堂+實(shí)驗(yàn)考察方法報(bào)告：工作總結(jié)(20%)Presentation：文獻(xiàn)綜述(10%)+工作進(jìn)展(20%)+工作報(bào)告(40%)考勤：10%上課安排第2周周一(3.16)14:00太陽(yáng)能有效利用背景介紹第6周周一(4.13)14:00文獻(xiàn)綜述+實(shí)驗(yàn)計(jì)劃第10周周一(5.11)14:00工作進(jìn)展報(bào)告第14周周五(6.8)14:00工作總結(jié)+工作報(bào)告課題選擇課題4：超薄ZnS納米片應(yīng)用于光催化制氫課題1：Cu2ZnSnS4納米線應(yīng)用于光電催化制氫課題3：超薄CdS納米片應(yīng)用于光解水制氫課題2：CdS反蛋白石結(jié)構(gòu)應(yīng)用于光電催化制氫負(fù)責(zé)研究生周雨竹責(zé)研究生宋吉鵬責(zé)研究生劉曉華責(zé)研究生張銳陽(yáng)能有效利用簡(jiǎn)介12太陽(yáng)光的吸收3太陽(yáng)能電池4光解水制氫引言1.引言-環(huán)境和能源是迫切需要解決的社會(huì)問(wèn)題1.引言-太陽(yáng)能電池1.引言-太陽(yáng)能分解水制氫太陽(yáng)能有效利用簡(jiǎn)介12太陽(yáng)光的吸收3太陽(yáng)能電池4光解水制氫引言2.太陽(yáng)光的吸收太陽(yáng)光譜當(dāng)太陽(yáng)光入射到地表時(shí)，便會(huì)受到大氣層中空氣分子和塵埃的散射，以及氣體分子的吸收，所以太陽(yáng)光會(huì)隨著在大氣層中行走路徑的長(zhǎng)短而有不同的衰減，故空氣質(zhì)量的定義為：空氣質(zhì)量簡(jiǎn)單的說(shuō)，空氣質(zhì)量是指太陽(yáng)光入射到海平面在大氣層中經(jīng)過(guò)的距離，與垂直入到海平面在大氣層所經(jīng)過(guò)的距離之比值。圖為AM1.0、AM1.5、AM2.0的示意圖，從上述的定義和示意圖中即可推知，當(dāng)入射太陽(yáng)光與垂直于地表的法線夾角的cosθ值為0.666之時(shí)（入射角為48.2度），即為AM1.5的條件。一般在地面應(yīng)用的情況下，如無(wú)特殊說(shuō)明，通常是指AM1.5的情況。θ為入射太陽(yáng)光和垂直于地表的法線的夾角。2.太陽(yáng)光的吸收2.太陽(yáng)光的吸收本征吸收：電子由價(jià)帶到導(dǎo)帶之間的躍遷所形成的吸收。本征吸收條件：hvEg本征吸收限波長(zhǎng)：hv>Eg時(shí)，除產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)外，多余的能量hv-Eg將以熱的形式耗散掉。非本征躍遷：如果hv<Eg，則只有當(dāng)禁帶內(nèi)存在合適的化學(xué)雜質(zhì)或物理缺陷引起的能態(tài)時(shí)，光子才會(huì)被吸收。本征吸收和非本征吸收2.太陽(yáng)光的吸收吸收系數(shù)假設(shè)半導(dǎo)體被一光源照射，沿光傳播方向上，在距離表面x處的光通量(單位時(shí)間通過(guò)垂直方向平面的光子數(shù))為吸收系數(shù)是光子能量h的函數(shù)，稱為吸收曲線。吸收系數(shù)在截止波長(zhǎng)c處急劇下降，截止波長(zhǎng)附近的吸收曲線稱為吸收邊。2.太陽(yáng)光的吸收直接躍遷

hk’–hk=光子動(dòng)量但一般半導(dǎo)體吸收的光子，其動(dòng)量遠(yuǎn)小于能帶中的電子的動(dòng)量，光子動(dòng)量可忽略不計(jì)，k’k

，電子吸收光子產(chǎn)生躍遷時(shí)波矢保持不變，如價(jià)帶中狀態(tài)A的電子只能躍遷到導(dǎo)帶中的狀態(tài)B，這種躍遷稱為直接躍遷，屬于本征躍遷。

光照下，電子吸收光子的躍遷過(guò)程，除滿足能量守恒外，還必須滿足動(dòng)量守恒。2.太陽(yáng)光的吸收直接躍遷任何一個(gè)k值的不同能量的光子都有可能被吸收，而吸收的光子最小能量應(yīng)等于禁帶寬度。直接帶隙半導(dǎo)體：半導(dǎo)體的導(dǎo)帶極小值和價(jià)帶極大值對(duì)應(yīng)于相同的波矢。在本征吸收過(guò)程中，產(chǎn)生電子的直接躍遷。2.太陽(yáng)光的吸收直接帶隙半導(dǎo)體帶隙的測(cè)定理論計(jì)算表明，直接躍遷中吸收系數(shù)和光子能量的關(guān)系為A為常數(shù)Eg吸收譜2.太陽(yáng)光的吸收間接躍遷間接帶隙半導(dǎo)體：Ge、Si一類半導(dǎo)體，價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底對(duì)應(yīng)于不同的波矢k。間接躍遷：電子不僅吸收光子，同時(shí)還和晶格交換一定的振動(dòng)動(dòng)量，即放出或吸收一個(gè)聲子。聲子的能量非常小，可以忽略不計(jì)。間接躍遷的概率(光吸收系數(shù))比直接躍遷的概率(光吸收系數(shù))小得多。2.太陽(yáng)光的吸收激子：受激電子和空穴互相束縛而結(jié)合在一起成為一個(gè)新的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)稱為激子。激子吸收：光子能量hv<Eg，價(jià)帶電子受激發(fā)后雖然躍出了價(jià)帶，但還不足以進(jìn)入導(dǎo)帶而成為自由電子，仍然受到空穴的庫(kù)侖場(chǎng)作用，這種吸收即激子吸收。激子吸收2.太陽(yáng)光的吸收入射光子能量小于帶隙時(shí)，自由載流子在同一帶內(nèi)的躍遷。自由載流子吸收2.太陽(yáng)光的吸收雜質(zhì)吸收：束縛在雜質(zhì)能級(jí)上的電子或空穴的吸收。電子可以吸收光子躍遷到導(dǎo)帶能級(jí)；空穴也同樣可以吸收光子而躍遷到價(jià)帶。晶格振動(dòng)吸收：遠(yuǎn)紅外區(qū)，光子能量直接轉(zhuǎn)換為晶格振動(dòng)動(dòng)能。雜質(zhì)和晶格振動(dòng)吸收太陽(yáng)能有效利用簡(jiǎn)介12太陽(yáng)光的吸收3太陽(yáng)能電池4光解水制氫引言3.1太陽(yáng)能電池的I-V特性EcpEFpEvpq(VD-V)EcnEFnEvnpp0np0nn0pn0-xpxnEcpEFpEvpEcnEFnqVDEvnPN結(jié)暗特性0VI3.1太陽(yáng)能電池的I-V特性PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)是指半導(dǎo)體吸收光能后在PN結(jié)上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。3.1太陽(yáng)能電池的I-V特性PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)主要涉及三個(gè)主要的物理過(guò)程：(1)半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生非平衡的電子-空穴對(duì)；(2)產(chǎn)生的非平衡電子和空穴從產(chǎn)生處以擴(kuò)散或漂移的方式向勢(shì)場(chǎng)區(qū)(PN結(jié)的空間電荷區(qū))運(yùn)動(dòng)，這種勢(shì)場(chǎng)也可以是金屬－半導(dǎo)體的肖特基勢(shì)壘或異質(zhì)結(jié)的勢(shì)壘等；(3)進(jìn)入勢(shì)場(chǎng)區(qū)的非平衡電子和空穴在勢(shì)場(chǎng)的作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)而分離，在P側(cè)積累空穴，在N側(cè)積累電子，建立起電勢(shì)差。3.1太陽(yáng)能電池的I-V特性PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)3.1太陽(yáng)能電池的I-V特性PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)填充因子：光電轉(zhuǎn)換效率：開(kāi)路電壓Ｖoc：PN結(jié)開(kāi)路時(shí)，兩端的電勢(shì)差。短路光電流ISC：PN結(jié)短路時(shí)的電流，是PN結(jié)太陽(yáng)能電池能提供的最大電流。3.1太陽(yáng)能電池的I-V特性PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)單色光電轉(zhuǎn)化效率，即入射單色光子-電子轉(zhuǎn)化效率(monochromaticincidentphoton-to-electronconversionefficiency，用縮寫(xiě)IPCE表示)，也叫外量子效率。即單位時(shí)間內(nèi)外電路中產(chǎn)生的電子數(shù)與單位時(shí)間內(nèi)的入射單色光子數(shù)之比。光吸收效率電子注入效率電子收集效率量子效率3.2標(biāo)準(zhǔn)硅太陽(yáng)能電池單晶硅太陽(yáng)能電池的制備1.單晶硅(P型)的制備2.硅片的切割3.擴(kuò)散制結(jié)4.沉積減反射層5.絲網(wǎng)印刷電極6.共燒形成金屬接觸3.3新型太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池的發(fā)展概況Nature1991,353,737;Nature2001,414,338.3.3染料敏化太陽(yáng)能電池過(guò)程1：染料吸收太陽(yáng)光后產(chǎn)生電子-空穴對(duì)；過(guò)程2：染料的電子注入到納米半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中；過(guò)程3：光電子擴(kuò)散至導(dǎo)電基底；過(guò)程4：氧化態(tài)的染料被還原態(tài)的電解質(zhì)還原；過(guò)程5：氧化態(tài)的電解質(zhì)在對(duì)電極接受電子被還原3.4量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池-量子限制效應(yīng)量子點(diǎn)(QuantumDot):

把導(dǎo)帶電子、價(jià)帶空穴及激子在三個(gè)方向上束縛住的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。當(dāng)它們的尺寸與激子波爾半徑相近時(shí)(1.6倍塊體材料的激子波爾半徑)，系統(tǒng)形成一系列離散量子能級(jí)，電子在其中運(yùn)動(dòng)受到約束，這就是量子限制效應(yīng)。Angew.Chem.Int.Ed.2002,41,2368.3.4量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池量子限制效應(yīng)量子點(diǎn):

把導(dǎo)帶電子、價(jià)帶空穴及激子在三個(gè)方向上束縛住的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。當(dāng)它們的尺寸與激子波爾半徑相近時(shí)(1.6倍塊體材料的激子波爾半徑)，系統(tǒng)形成一系列離散量子能級(jí)，電子在其中運(yùn)動(dòng)受到約束，這就是量子限制效應(yīng)。Angew.Chem.Int.Ed.2002,41,2368.3.4量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池量子限制效應(yīng)量子點(diǎn)應(yīng)用在太陽(yáng)能電池上，可通過(guò)選擇不同能帶的材料及控制粒徑的尺寸來(lái)調(diào)控所需的吸光波長(zhǎng)。3.4量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體材料中，當(dāng)外界提供大于兩個(gè)能帶的能量時(shí)，被激發(fā)的電子會(huì)以熱電子的形式存在，當(dāng)此熱電子由高能級(jí)激發(fā)態(tài)回到低能級(jí)激發(fā)態(tài)時(shí)，所釋放的能量可將另一個(gè)電子由價(jià)帶激發(fā)至導(dǎo)帶。利用此效應(yīng)，一個(gè)高能量的光子可以激發(fā)兩個(gè)或數(shù)個(gè)熱電子，稱為多激子效應(yīng)(Multipleexcitongeneration,MEG)。InorganicChemistry2005,44,6893.碰撞離化效應(yīng)3.4量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池過(guò)程1：量子點(diǎn)吸收太陽(yáng)光后產(chǎn)生電子-空穴對(duì)；過(guò)程2：量子點(diǎn)的電子注入到納米半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中；過(guò)程3：光電子擴(kuò)散至導(dǎo)電基底；過(guò)程4：氧化態(tài)的量子點(diǎn)被還原態(tài)的電解質(zhì)還原；過(guò)程5：氧化態(tài)的電解質(zhì)在對(duì)電極接受電子被還原量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)3.4量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池密堆量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池J.Mater.Chem.2011,21,2883–2889.3.4量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池密堆量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池J.Mater.Chem.2011,21,2883–2889.3.4量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池密堆量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池J.Mater.Chem.2011,21,2883–2889.3.4量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池密堆量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池LingT,etal.Adv.F