（化学工程与技术专业论文）共轭基团有机分子在单晶硅表面的组装及其光电性质研究.pdf

= 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名： 盔! 孽 日期： 一丝! ! 聋茎旦! 塑 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：盔翌日期：塑! ! 垒! 塑翌旦 导师签名：日期： 塑! ! 聋篁虽翌旦 学位论文数据集 中图分类号t q 0 1 5 学科分类号 5 3 0 9 9 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 l l1 0 8 2 密级无 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名 李军学号 2 0 0 8 0 0 1 0 8 2 获学位专业名称 化学j ：程与技术获学位专业代码 0 8 1 7 0 4 课题来源 自选课题研究方向有机无机复合材料 论文题目 共轭基团有机分子在单晶硅表面的组装及其光电性质研究 关键词 单晶硅，有机修饰，聚苯胺，叶绿素铜钠盐，光电转化 论文答辩日期2 0 1 1 年5 月1 7 日论文类型 基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师徐庆红副教授 北京化j 二人学无机功能材料 教授级高 中国石油大然气 评阅人l义建军集团公司石油化高分子化学 上 学研究院 评阅人2杨兰副教授北京化上人学府川化学 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席 万平玉教授北京化工火学电化学 答辩委员l 张法智教授北京化j l 大学应川化学 答辩委员2杨兰副教授北京化jr = 大学 应川化学 答辩委员3金鑫副教授北京化+ r 大学无机化学 答辩委员4 陈咏梅副教授北京化j ：火学电化学 答辩委员5 注：一论文类型：i 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b 厂r1 3 7 4 5 9 ) ( ( 学科分类与代码中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 单晶硅光电转化的效率，成为现阶段单晶硅太阳能电池研究中最亟待解决 的问题。 本论文主要利用含有共轭基团的有机分子对单晶硅表面进行改性修 饰，制备出一系列的共轭有机体系n 型单晶硅复合材料，用以提高单晶硅 材料的光电转化效率。主要工作如下： 1 磺化聚苯胺n 型单晶硅复合材料的制备及光电性质研究：通过 s i c 键将对溴苯胺、对氨基苯乙炔以及对氨基苯乙烯三种有机分子预组装 到n 型单晶硅表面，并在此基底上合成聚苯胺共轭体系，使得聚苯胺体系 通过以下三种方式即直接组装、通过c = c 键组装以及通过c c 键组装到 单晶硅表面，最后在聚苯胺体系中引入磺酸根基团，达到有机修饰单晶硅 表面的目的。结果表明，由于磺酸根基团的存在，使得修饰后的硅片表面 的电位发生改变，导致开路时的光电压数值向负电压方向移动。同时由于 聚苯胺本身为共轭体系，直接与单晶硅表面相连时其光电流密度要大于以 c = c 键和c c 键为桥梁时的光电流密度，而聚苯胺通过c = c 键与单晶 硅表面相连亦能形成共轭体系，其光电流密度大于以c c 键相连时的光 北京化工人学硕上研究生学位论文 电流密度值。 2 叶绿素铜钠盐及其衍生物n 型单晶硅复合材料的制备及光电性质 研究：以c 三c 键取代叶绿素铜钠盐( s c c ) 分子末端的c = c 键，制备 含有c 兰c 键的叶绿素铜钠盐( s c c a ) 。并在此基础上成功将s c c 及s c c a 分子分别组装到单晶硅表面，使得两种分子内的卟啉环分别通过c = c 键 以及c c 键嫁接到s i 原子上，制备出s c c n 型单晶硅复合材料以及 s c c 8 m 型单晶硅复合材料。结果表明，由于卟啉环本身为共轭体系，当 其通过c = c 键嫁接到硅表面时，卟啉环与c = c 键共同构成共轭体系， 对于电子的传递更加具有促进作用，而当卟啉环通过一c c 一键组装到单晶 硅表面时，由于一c c 键本身不存在共轭效应，所以它的存在阻碍了电子 在单晶硅与卟啉环之间的传递，因而导致了s c c a n 型单晶硅复合材料的 光电流密度大于s c c n 型单晶硅复合材料。 关键词：单晶硅，有机修饰，聚苯胺，叶绿素铜钠盐，光电转化 d u et oi t sg o o de l e c t r i c a lp r o p e r t i e s ，h i g hp u r i t yo fm o n o c 口s t a l l i n e s i n c o ni sn o to n l yt h eb a s i cm a t e r ia lf o rm o d e mi n f o r m a t i o ni n d u s t 叫，b u ta l s o t h em o s tc o m m o nm a t e r i a lf o rp h o t o v o l t a i cb a t t e r y c o n c e m i n gt h ee x i s t i n g c o n d i t i o n s ，m o n o c l y s t a l l i n es 订i c o ni st h ei d e a lm a t e r i a l t o p r o d u c es 0 1 a r b a t t e 巧f o rag o o db a t t e 拶p e r f o r n l a n c e t h e r e f o r e ，o n eo ft h em o s tu r g e n t p r o b l e m si nt h es m d y o fs i n g l ec 叫s t a ls i l i c o ns o l a rb a t t e 巧i sh o wt oi m p r o v e t h ee 所c i e n c yo fp h o t o e l e c t r i ct r a n s f o m a t i o ne f f e c t i v e l y i nt h i st h e s i s ，w em a i n l yu s e dt h eo r g a n i cm o l e c u l e sc o n t a i n i n gc o n j u g a t e g r o u p st om o d i 匆t h es u r f a c eo fm o n o c 叫s t a l l i n es i l i c o n ，a n dp r e p a r e das e r i e s o fo r g a n i cc o n j u g a t e d s y s t e 1 n - t y p em o n o c u s t a l l i n e s i l i c o n c o m p o s i t e m a t e r i a l si no r d e rt oi m p r o v et h ee f 矗c i e n c yo fp h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o n a l l 北京化丁大学硕 ：研究生学位论文 t a s k sa sf 0 1 1 0 w ： 1 s m d i e so np h o t o e l e c t r i cc h e m i c a lp r o p e n i e so fas e r i e so fs u l f o n a t e d p o l y a n i l i n e s n - s i ( 1 11 )c 巧s t a l l i n e ： s u r f a c e so fs i ( 1 11 ) 一h c 巧s t a l w e r e r e s p e c t i v e l yd e r i v e dw i t h4 - b r o m o a n i l i n e ，4 一v i n y l a n i l i n ea n d4 - e t h y n y l a n i l i n e b yg r i g n a r dr e a c t i o na n dh y d r o s i l y l a t i o nr e a c t i o n st og i v es i c1 i n k e dw i t h s e l f - a s s e m b l e dm o n 0 1 a y e r s( s a m s )i nt h ep r e s e n c eo fl a u r o y lp e r o x i d e a s s e m b l i e s o fp 0 1 y a n i l i n e n s i ( 1 l1 ) c r y s t a lw e r ep r 印a r e db a s i n go nt h e 1 e a c t i o n sb e t w e e ns a m sa n da n i l i n e s a d d i t i o n a l l y ， t h es u l f o n i ca c i d r i n g s u b s t i t u t e dp o l y a n i l i n e s ( s p a n i ) w e r ep r e p a r e dv i at h ea b o v el i n k e r m o l e c u l e st of - a b r i c a t eas e n e so fa s s e m b l i e so fs p a n i n - s i ( 11 1 ) c 叫s t a l a n a l y s i sr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eo p e nc i r c u i tp h o t o v o l t a g e so f t h ec o m p o s i t e e l e c t r o d e sm o v e dt om o r en e g a t i v ed i r e c t i o na n dm u c hl a 略ep h o t o c u r r e n t d e n s i t i e so b t a i n e da a e r s 0 3 2 。g r o u p sw e r ei n t r o d u c e di n t ot h ea s s e m b l i e s d u et ot h ec o n j u g a t e ds t m c t u r ei np a n i ，t h ep h o t o c u r r e n td e n s i t yo ft h e c o m p o s i t ee l e c t r o d e st h a t p a n ic o n n e c t e dt on - s i ( 111 ) c r y s t a ld i r e c t l yi s l a r g e rt h a nt h a to fp a n ic o n n e c t e dt os i l i c o ns u r f a c eb y c = c b o n d s ，a n dt h e l a t t e ri sl a r g e rt h a nt h a to fp a n ic o n n e c t e dt os i l i c o ns u r f a c eb y c - c b o n d s b e c a u s eo fc o n j u g a t e ds t r u c t u r ee x i s t i n gi n a s s e m b l y o fs i c = c p a n i e l e c t r o d e 2 s t u d i e so np h o t o e l e c t r i cc h e m i c a lp r o p e n i e so fc h l o r o p h y l lc o p p e r s o d i u m ( a n di t sd e r i v a t i v e s ) n s i ( 111 ) c 巧s t a n i n e ：t h ec h l o r o p h y nc o p p e r s o d i u mc o n t a i n i n gc 三cb o n d s ( s c c a ) w a sp r e p a r e dt h r o u g hr 印1 a c i n g i v a b s t r a c t t e n n i n a lc = cb o n d si nc h l o r o p h y l lc o p p e rs o d i u m ( s c c ) w i t hc 三cb o n d s a n dt h ea s s e m b l i e so fs c c n s i ( 1 11 ) a n ds c c a n s i ( 11 1 ) c 巧s t a lw e r e f a b r i c a t e dt h r o u g h g r a r i n gs c ca n ds c c 8o ns u r f a c eo fn s i ( 1 11 ) b y h y d r o s i l y l a t i o nr e a c t i o n s ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t i n ga s s e m b l i e sp r e s e n t e dt h e s t i u c t u r e sw i t h p o 巾h y r i nr i n g s c o n t a i n e di ns c ca n ds c c al i n k i n gt o n s i ( 1l1 ) t h r o u g h c - ca n dc = cb o n d s ，r e s p e c t i v e l y a n a l y s i s r e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h ep h o t o c u r r e n td e n s i t yo ft h ec o m p o s i t ee l e c t r o d e st h a ts c c a c o n n e c t e dt on - s i ( 1l1 ) c w s t a l i s1 a r g e r t h a nt h a to fs c cc o n n e c t e dt os i l i c o n s u r f a c ed u et oc o n ju g a t e db o n d se x i s t i n gb e t w e e ns i l i c o na n dp o 印h y r i nr i n g s k e yw o r d s ：m o n o c 秽s t a l l i n es i l i c o n ，o r g a n i cm o d i 矗c a t i o n ，p o l y a n i l i n e ， c h l o r o p h y l lc o p p e rs o d i u m ，p h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o n v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 能源危机与太阳能技术1 1 1 1 能源危机的现状1 1 1 2 太阳能技术2 1 1 2 1 太阳能资源2 1 1 2 2 太阳能电池2 1 2 单晶硅的结构及光电转化原理4 1 2 1 单晶硅的结构4 1 2 2 单晶硅的光电转化原理。13 1 5 l 。3 单晶硅表面的修饰及前景展望6 1 3 1 单晶硅表面的清洗6 1 3 2 单晶硅表面的修饰7 1 3 2 1 单晶硅表面的无机化修饰8 1 3 2 2 单晶硅表面的有机化修饰9 1 3 3 单晶硅表面修饰的前景展望瞳引1 l 1 4 论文选题的研究内容、目的和意义1 2 第二章磺化聚苯胺n 型单晶硅复合材料的制备及光电性质研究1 4 2 1 引言1 4 2 2 实验部分1 4 2 2 1 实验药品1 5 2 2 2 表征方法1 5 2 2 3 实验部分1 6 2 2 3 1 表面氢终止的单晶硅片的处理哺引1 6 2 2 3 2 苯胺衍生物在单晶硅表面的组装1 6 2 2 3 3 苯胺在表面修饰的单晶硅片上的聚合5 l 1 7 2 2 3 4 三种不同的聚苯胺n 型单晶硅复合材料的磺化1 7 2 3 结果与讨论1 8 v i 北京化工人学硕- j ：研究生学位论文 2 3 1 磺化聚苯胺直接组装到n 型单晶硅表面后复合材料的结构、形貌及光电性质研 究1 8 2 3 1 1 磺化聚苯胺直接组装到n 型单晶硅表面后复合材料的结构研究1 8 2 3 1 2 磺化聚苯胺直接组装到n 型单晶硅表面后复合材料的形貌研究2 1 2 3 1 3 磺化聚苯胺直接组装到n 型单晶硅表面后复合材料的光电性质研究2 2 2 j3 2 磺化聚苯胺通过一c = c 一键组装到n 型单晶硅表面后复合材料的结构、形貌及光 电性质研究2 4 2 3 2 1 磺化聚苯胺通过一c = c 一键组装到n 型单晶硅表面后复合材料的结构研究2 4 2 3 2 2 磺化聚苯胺通过一c = c 一键组装到n 型单晶硅表面后复合材料的形貌研究2 6 2 3 2 3 磺化聚苯胺通过一c = c 一键组装到n 型单晶硅表面后复合材料的光电性质研究 ：7 2 3 3 磺化聚苯胺通过一c c 一键组装到n 型单晶硅表面后复合材料的结构、形貌及光 电性质研究2 9 2 3 3 1 磺化聚苯胺通过一c c 一键组装到n 型单晶硅表面后复合材料的结构研究2 9 2 3 3 2 磺化聚苯胺通过一c c 一键组装到n 型单晶硅表面后复合材料的形貌研究3 2 2 3 3 3 磺化聚苯胺通过一c c 一键组装到n 型单品硅表面后复合材料的光电性质研究 ：；： 2 4 本章小结3 5 第三章叶绿素铜钠盐及其衍生物n 型单晶硅复合材料的制备及光电性 质研究3 6 3 1 引言3 6 3 2 实验部分3 7 3 2 1 实验药品3 7 3 2 2 表征方法3 8 3 2 3 实验部分3 9 3 2 3 1 含有c 三c 键的叶绿素铜钠盐( s c c 8 ) 的制备3 9 3 2 3 2 表面氢终止的单晶硅片的处理引3 9 3 2 3 3s c c n 型单晶硅复合材料以及s c c “n 型单晶硅复合材料的制备4 0 3 3 结果与讨论4 1 3 3 1 含有c 三c 键的叶绿素铜钠盐( s c c “) 的结构研究4 l 3 3 。2s c c n 型单晶硅复合材料的结构、形貌及光电性质研究4 2 3 3 2 1s c c n 型单晶硅复合材料的结构研究4 2 3 3 2 2s c c n 型单晶硅复合材料的形貌研究4 3 v h 目录 3 3 2 3s c c n 型单晶硅复合材料的光学性质研究4 4 3 3 3s c c 8 n 型单晶硅复合材料的结构、形貌及光电性质研究4 5 3 3 3 1s c c 8 n 型单晶硅复合材料的结构研究4 5 3 3 3 2s c c 8 n 型单晶硅复合材料的形貌研究4 6 3 3 3 3s c c 8 n 型单晶硅复合材料的光学性质研究4 7 3 4 本章小结4 9 第四章结论5 0 本论文创新点5 l 参考文献5 2 致谢5 8 研究成果及发表的学术论文5 9 作者和导师简介6 0 1 3 2 1i n o 唱a n i cm o d i f i c a t i o no nm o n o c 巧s t a l l i n es i l i c o ns u r f a c e 8 1 3 2 2o r g a j l i cm o d i f i c a t i o no nm o n o c d ，s t a l l i n es i l i c o ns u r f a c e 一9 1 3 3t h ep r o s p e c to f m o d i f i c a t i o no nm o n o c 巧s t a l l i n es i l i c o ns u r f a c e 【2 引l l 1 4s i 朗i f i c a n c e ，m o t i v a t i o na n do b j e c t i v e 一：12 c h a p t e r2s t u d i e s o np h o t o e l e c t r i cc h e m i c a lp r o p e r t i e so fa s e r i e so f s u l f o n a t e dp o l y a n i l i n e s n s i ( 1 11 ) c r y s t a i l i n e ”1 4 2 11 1 1 t r o d u c t i o n ”1 4 2 2e x p e r i m e n t s 1 4 2 2 1m e d i c i n e 1 5 2 2 2c h a r a c t e z a t i o n l 2 2 3e x p e r i m e n t 1 6 2 2 3 1p r e p a r a t i o no f t h eh y d r o g e nt e 肌i n a t e dm o n o c 眄s t a l l i n es i l i c o n 【6 3 】1 6 2 2 3 2m o d i f i c a t i o no nm o n o c r y s t a l l i n es i l i c o ns u r f a c ew i ma j l i l i n ed e r i v a t i v e s ”1 6 2 2 3 3p o l v m e n i z a t i o no fa n i l i n eo nm o n o c r y s t a l l i n es i l i c o nm o d i f i e d s u r f a c e 【6 5 1 17 2 2 3 4s u l f o n a t i o no f 缸e et y p e so f p o l y a n i l i n e s n s i ( 1 11 ) c 巧s t a l l i n e 1 7 l x 北京化t 大学硕：卜研究生学位论文 2 3r e s u l t sa n dd l s c u s s l o n 18 2 3 1t h es n u c n l r e ，m o 印h o l o g ya i l dp h o t o e l e c t r i cp r o p e n i e so f n - s i ( 1 1 1 ) c r y s t a lm o d m e d w i ms u l f o n a t e dp o l y a n i l i n ed i r e c t l y 18 2 3 1 1t h es t m c t u r eo f n s i ( 1 l1 ) c r y s t a lm o d i f i e dw i t hs u l f o n a t e dp o l y a n i l i n ed i r e c t l y l8 2 3 1 2t h em o 叩h o l o g yo fn - s i ( 1 11 ) c r y s t a lm o d i f i e dw i t hs u l f o n a t e dp 0 1 y a n i l i n ed i r e c t l y ：1 1 2 3 1 3t h ep h o t o e l e c t r i cp r o p e n i e so fn - s i ( 1 11 ) c r y s t a lm o d i 矗e dw i t hs u l f o n a t e d p o l y a n i l i n ed i r e c t l y 2 2 2 3 2t h es t m c t u r e ，m o 叩h o l o g ya n dp h o t o e l e c t r i cp r o p e r t i e so f n - s i ( 1 l1 ) c r y s t a lm o d i f i e d w i t hs u l f o n a t e dp o l y a n i l i n et h r o u g h c = c b o n d s 2 4 2 3 2 1t h es t m c t u r eo fn - s i ( 1 11 ) c 叫s t a lm o d i f j e dw i t hs u l f o n a t e dp o l y a n i l i n et h r o u 曲 c = c b o n d s 2 4 2 3 2 2t l l em o 印h o l o g yo fn s i ( 1 l1 ) c r y s t a lm o d i f i e dw i t hs u l f o n a t e dp o l y a n i l i n et h m u 曲 c = c b o n d s 2 6 2 3 2 3t h ep h o t o e l e c t r i cp r o p e n i e so fn - s i ( 1 11 ) c r y s t a lm o d i f i e dw i t hs u l f o n a t e d p o l y a n i l i n et h r o u 曲一c = c - b o n d s 2 7 2 3 3t h es t m c t u r e ，m o 印h 0 1 0 9 ya n dp h o t o e l e c t r i cp r o p e n i e so fn - s i ( 1 l1 ) c 拶s t a im o d i f i e d w i t hs u l f o n a t e dp o l y a n i l i n et h r o u g h c c - b o n d s 2 9 2 3 3 1t h es t r u c t u r eo fn s i ( 1 11 ) c 巧s t a lm o d i f i e dw i t hs u l f o n a t e dp o l y a n i l i n et h r o u 曲 c c b o n d s 2 9 2 3 3 2t l l em o 啦0 1 0 9 yo fn - s i ( 1 11 ) c r y s t a lm o d i f i e dw i t hs u l f o n a t e dp o l y a n i l i n et h r o u 曲 c c b o n d s 3 2 2 3 3 3t h ep h o t o e l e c t r i c p r o p e n i e so fn - s i ( 1 11 ) c r y s t a lm o d i f i e d w i t hs u l f o n a t e d p o l y a n i l i n et h m u g h - c c - b o n d s 3 2 2 4s u n l m a 3 5 c h a p t e r3s t u d i e so np h o t o e l e c t r i cc h e m i c a lp r o p e r t i e so fc h l o r o p h y l l c o p p e rs o d i u m ( a n d i t sd e r i v a t i v e s ) n - s i ( 1 1 1 ) c r y s t a l l i n e 3 6 3 1m t r o d u c t i o n 3 6 3 2e x p 面m e n t s 3 7 3 2 1m e d i c i n e 3 7 3 2 2c h a r a c t e r i z a t i o n 3 8 3 2 3e x p 舐m e n t 。3 9 3 2 3 1p r 印a r a t i o no fc h l o r o p h y l lc o p p e rs o d i u mc o n t a i n i n gc 兰cb o n d s 3 9 x i n n o v a t i o n so ft h i st h e s i s 5 l r e f e r e n c e s 5 2 ” a c l m o w l e d g e m e n t s 5 8 p u b l i c a t i o n s 5 9 v i t a so ft h ea u t h o ra n dt u t o r 6 0 第一章绪论 1 1 能源危机与太阳能技术 1 1 1 能源危机的现状 第一章绪论 能源是人类社会存在和发展所不可缺少的，与粮食等同为经济发展和社会进步的 物质基础。能源的分类有很多种，最常见的有两种分类方式：按照开采利用形式和按 照使用方式分类。按照开采利用形式其可分为一次能源和二次能源。一次能源主要是 指可以直接利用的能源，包括煤炭、石油、天然气等；二次能源是指通过某种手段加 工以后得到的能源，包括煤气、汽油、沼气、电能等。按照使用方式分类，能源又可 分为以煤炭、石油和天然气为代表的常规化石燃料和以太阳能为代表的新能源。化石 能源是地球上最为广泛的能源。自工业革命以来，人类在富有创新发明的社会中懂得 了如何利用化石能源，大大推动了社会的现代化进程。目前，全球有8 0 以上的能源 来自于化石燃料，其中石油所占的比例最大，约为3 5 ，煤炭占2 3 ，天然气则占2 1 ，而其他能源诸如再生能源、核能等只占到全球能源用量的2 0 。 但世界上石油资源的储藏量并不是无限的，目前能够容易开采并利用的储量已经 不多。随着石油、煤炭等目前大量使用的传统化石能源的枯竭，以及新的能源生产供 应体系的尚未能建立，从而引发出一系列影响到人类社会的交通运输业、金融业、工 商业等方面的问题，这些问题统称为能源危机。我国能源资源可利用总量比较丰富， 结构以煤炭为主，但经济成长过程中对石油、天然气需求的急剧增长必然造成资源品 种供应不平衡。随着我国工业化进程的发展，能源消费总量急剧增加，尤其是近几年 来，“电荒、煤荒、油荒”的情况时有发生，导致了煤炭等化石燃料的价格的一涨再 涨，对我国的经济增长和人民生活造成了的严重威胁。 同时大量的使用化石能源也造成了严重的环境问题，包括空气污染、温室效应、 生态系统破坏等，这些污染对人类的健康以及生念的健全都造成了十分严重的威胁。 在我国，以煤炭为主的能源结构导致了我国大气污染物如烟尘、二氧化硫、二氧化碳、 氮氧化物的排放量位居世界第一，这些污染物不但会直接危害人畜，使生物体受到辐 射而导致机体癌变，同时还会产生酸雨，严重影响了我国农作物的生产。2 0 0 1 年世界 银行公布的全球2 0 个污染最严重的城市中，中国占有1 6 席，专家估计大气污染对中国 g d p 造成的损失为3 7 【i 】。大气污染j 下越来越受到全世界的重视。为了缓解这一 窘境，各国相继签署了联合国气候变化框架公约和京都议定书，商讨共同保 护环境。目前，解决这个问题的最好办法就是开发清洁的可再生能源，它已经成为我 北京化工大学硕上研究生学位论文 们国家确保能源可持续发展的重要国策之一。 1 1 2 太阳能技术 1 1 2 1 太阳能资源 可再生能源是指像太阳能、风能、海洋能、地热能、生物质能等可以重复利用的， 相对于人类是一种取之不尽的能源。可再生能源不同于常规的化石能源，具有资源蕴 藏量丰富、分布面积广泛、清洁、对环境不产生污染、可不断再生、永续利用、适宜 就地开发、非常有利于生态环境的良性循环和可持续发展等优势【2 】。太阳能以其可以 再生、资源量丰富、分布最广泛的特点，成为2 1 世纪新能源的一大亮点，被人类认为 是取之不尽、用之不竭的新能源。科学计算显示，尽管太阳辐射到大气层的能量只占 其辐射总能量的二十二亿分之一，但是其能量却相当于1 7 3 亿个百万千瓦级电厂发出 的总功率，也就是说太阳每秒钟辐射到地球上的能量相当于5 0 0 万吨标准煤，4 0 分钟 内投射到地球表面的能量相当于全球每年能量消耗的总和。并且太阳的寿命尚有4 0 多 亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球的时间是无限的，而其他可再 生能源事实上也间接来自太阳能。因此，如何利用好太阳能已经成为影响世界各国政 府经济可持续发展的重要决策。目前，太阳能利用主要有三个方面：第一，吸收太阳 光将其应用于制热或者制冷；第二，将太阳能用于发电；第三，利用太阳能分解水制 氢。 我国地域辽阔，年平均同辐射量在4k w m 2 以上的地区有很多，其中，尤以西藏 的同辐射量最高，可达到7k w h m 2 ，与同纬度的其他国家相比要多很多，因此，在太 阳能的利用上占有很大的优势。经过初步统计得知：我国太阳能资源的理论储量达每 年4 9 万亿吨标准煤，相当于几万个三峡工程发电量的总和。所以说：在我国大力发展 太阳能技术前景十分光明。除此以外，发展太阳能技术不但可以达到绿色环保的目的， 而且会逐步改变我国传统能源结构，对克服我国能源紧张、改善生态环境及人体健康、 建设资源节约型、环境友好型社会都具有重大意义。 1 1 2 2 太阳能电池 在太阳能的有效利用中，太阳能电池是利用半导体p n 结的光生电动势效应( 或称 光伏效应) 将太阳能直接转换成电能的器件，是近年来发展最快、最具活力的研究领 域。太阳能电池的研制和开发同益得到重视，这是由于与其它能源相比，太阳能电池 有如下优点：储量足；无污染；结构简单；维护方便；功率重量比高；携带方便等。 所以美国、欧洲、同本及一些发展中国家，均制定了庞大的光伏技术的发展计划，把 2 第一章绪论 光伏发电作为人类未来能源的希型3 刖。 对光生伏特效应的研究最早可追溯到1 8 3 9 年。上世纪五十年代，美国贝尔实验室 成功制作了第一个实用型单晶硅电池，其对太阳能的转换率达到了6 ，这为太阳能 的有效利用提供了可能。没过多久，选择性太阳吸收涂层研制成功，选择性吸收表面 的概念被正式提出并应用于实际生活。这两项里程碑式的突破在太阳能实际利用领域 具有划时代的意义，是人类能源技术又一次变革的技术基础。半导体材料层是研究太 阳能电池的最关键组成部分，它的性质优劣直接影响到太阳能电池的转换效率。根据 这种材料的种类和状态的不同，太阳能电池主要有以下几种p j ： ( 1 ) 单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池是开发最早的太阳能电池，其光电转换效率最高，技术也最为 成熟。关于单晶硅太阳能电池，实验室记录的最高转换效率为2 4 4 【6 】，规模生产时 的效率为1 5 左右。由于硅的禁带宽度为1 1e v ，是间接迁移型半导体，而且单晶硅 的成本价格偏高，并不是最合适的太阳能电池材料，但硅在地球表面的蕴藏量非常丰 富，已大规模应用于微电子工业，并在工业生产中占据主导地位，因此其技术基础比 较完善，有利于太阳能电池的开发应用。 。 ( 2 ) 多晶硅太阳能电池 相较于单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池的制备工艺相对简单，其光电转化 效率一般在1 2 左右，稍逊于单晶硅太阳能电池，并且不存在明显效率衰退现象，但 由于其制作成本远低于单晶硅太阳能电池，因此非常具有竞争优势。但同时，多晶硅 材料存在着较多的晶粒间界，导致其出现光电转化效率降低等问题，所以，如何有效 提高多晶硅太阳能电池的光电转换效率成为目前许多科学家的研究热点。 ( 3 ) 非晶硅太阳能电池 人们对非晶硅太阳能电池研究开始于2 0 世纪七十年代初，由于非晶硅太阳能电 池生产成本低、制作工艺简单以及能源消耗小等优点，得到人们的普遍重视并且进行 了大