光电转换反应化学原理、器件及应用 ppt课件

1.2 几个基本概念
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
1.3 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。
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
DSSC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。
有机太阳能电池，就是由有机材料构成核心部分的 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)
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。
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电池最理想的替代产品。
（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1/5～1/10．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
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
光电转换反应化学原理、 器件及应用
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。
1.2 几个基本概念
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
（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 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。
1.5 光电化学研究的范围
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
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
无机有机掺 杂体系
有机体系
硅太阳 能电池
化合物半 导体电池
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。