第5章光电材料

1、5.1 光电子发射材料光电子发射材料5.2 光电导材料光电导材料5.3 光电动势材料光电动势材料 n光电材料是能把光能转变为电的一类能量转换功能材料。主要有光电子发射材料、光电导材料和光电动势材料。 （1 1）光电子发射原理、光电导原理、光电）光电子发射原理、光电导原理、光电动势原理动势原理（2 2）光电子发射材料及其特征值）光电子发射材料及其特征值（3 3）光电导材料及其特征值）光电导材料及其特征值（4 4）光电动势材料及其特征值）光电动势材料及其特征值5.1 光电材料原理光电材料原理 5.1.1、光电子光电子发射材料原理发射材料原理n光电子发射材料又称之为外光电效应材料。当光照射到材料上，

2、光被材料吸收产生发射电子的现象称为光电子发射现象。n具有这种现象的材料称为光电子发射材料。n光电子发射现象是光-电子能量转换的结果。 （一）光（一）光-电子能转换效应电子能转换效应当光照射材料以后，光被材料吸收，吸收的能量克服电子结合能（E结合）和给予电子运动速度（v）。依能量守恒原理，可以得到下式：2mv21Eh结合n当v0时，上式可变为h0=E结合，这时光能完全用于克服电子的结合能。 （二）能带结构（二）能带结构n与能带结构有关。能带结构如图5-1所示。n对于固体材料来说，一般采用以下表示式：E结合= +Eg =+n图51 能带结构图 为导带底到静止自由电子能级差， 即是电子亲和势，=Ee

3、-Ec；Ee为静止自由电子能级，即导带顶端能级；Ec为导带底端能级；Eg为禁带宽度，Eg=Ec-Ev；Ev为价带顶端能级；为费米能级到静止自由电子能级的能量差，也即是逸出功，=Ee-EF；EF为费米能级；为价带顶端到费米能级的能量差，=EF-Ev。E结合=+Eg=Ee-Ec+Ec-Ev=Ee-Ev=Ee-EF+EF-Ev =+（a）对于金属来说，因为金属没有禁带，所以导带和价带重叠，趋近于零，因而E结合=+Eg=+= E结 合结 合主要取决于主要取决于的大小的大小。的大小一般在11.5eV之间。逸出功等于电子亲和势，因此，只要克服电子亲和势，电子便可逸出。（b）对于半导体，价电子逸出体外的条件

4、是价电子吸收光子的能量以后，从价带跃迁到导带，然后再向表面扩散，它的能量如果大于 +Eg时，则电子可以逸出体外。能量大于Eg的电子（只有处于导带上的电子）称为热电子。 E结合结合主要取决于主要取决于与与Eg之和之和。但是，对于热电子来说，电子逸出只要克服 。 为正时称为正电子亲和势。 为负时，称为负电子亲和势。 二、光电子发射材料的种类二、光电子发射材料的种类 1 1、正电子亲和势阴极材料（、正电子亲和势阴极材料（ 00） 这类材料有单碱-锑正电子亲和势阴极材料，多碱-锑正电子亲和势阴极材料等。 2 2、负电子亲和势阴极材料（、负电子亲和势阴极材料（ 00） 这些材料包括硅、磷化镓、铟化砷镓、

5、磷化砷镓铟。 三、光电子发射材料的应用三、光电子发射材料的应用利用光电子发射原理，可以把光电子发射材料做成光电阴极。半导体负电子亲和势阴极广泛地用于仪器，工业，军事等方面，与过去的多碱光阴极相比有很大的优越性。 一、光电导原理一、光电导原理受光辐射电导急剧上升的现象称为光电导现象。具有此现象的材料叫光电导材料，又称作内光电效应材料或光敏材料。光照到半导体（或绝缘体）上，价带的电子接受能量，使电子脱离共价键。当光的能量达到禁带宽度的能量值时，价带的电子跃迁到导带，因而在晶体中产生一个自由电子和一个空穴，这两种载流子都参与导电。由于光的作用产生的附加电导称之为光电导光电导。 按光电导原理也可以反过

6、来了解禁带宽度。当光的能量增加到一定值时，光电导急剧上升，此时的光频v与禁带宽度的关系为Eg= h。光电导这种附加的电导来自附加的载流子，这种载流子可以来自带间跃迁，也可以来自杂质激发，因此，光电导有本征光电导和杂质光电导之分。附加光电导=-0式中：为光照时的电导率；0为无光照时的电导率。因此，要制成较灵敏的光敏电阻，要求/0有较大的值。 三、光电导材料的种类三、光电导材料的种类光电导材料可分为三大类： 1、光电导半导体:ZnO 2、光电导陶瓷:CdS 3、有机高分子光导体:PNVC四、光电导材料的应用四、光电导材料的应用光电导材料主要是应用光生载流子产生光导效应的原理，它常用作光探测的光敏感

7、器件的材料。 在光照下，半导体p-n结的两端产生电位差的现象称为光生伏特效应。具有此效应的材料叫光生伏特材料，又称光电动势材料。光电动势原理，简言之是在光照下，在光电动势材料上形成阻挡层，两面可以产生电动势。太阳能电池和光生伏特检测器都是光电动势材料的重要应用。 一、光电动势原理一、光电动势原理（一）半导体p-n结的电子-空穴情况 如果像图5-3那样，一个n型半导体与一个p型半导体接触，将会在结的p侧存在自由空穴以及相等浓度的（）电离受主杂质原子，这样才能保持电中性。在结的n侧存在自由电子以及相等数目的（）电离施主杂质原子。n图5-3 由单晶制成的p-n结 于是在p侧多数载流子为空穴，在n侧则

8、相反，多数载流子为电子，这种情况如图54所示。由图54可见，在无外加电场时，结区的空穴浓度和电子浓度的变化。载流子与受主和施主杂质原子处于热平衡，因此，在晶体中各处空穴浓度与电子浓度之和为常值，符合质量作用规律。n图5-4 p-n结的载流子浓度 在每侧都存在低浓度的少数载流子，与多数载流子处于热平衡。聚集在p侧的空穴倾向于通过扩散均匀地分布满整个晶体，电子倾向于从n侧扩散出去。但是扩散会破坏电中性。一旦发生载流子扩散就必将引起少量电荷转移，因而在p侧留下过量（）电离受主原子，而在n侧留下过量（）电离施主原子，如图55所示。n图55 pn结区的内建电场图 由此产生的电荷偶极层就会出现一个自n区指

9、向p区的电场，阻止继续扩散，维持两种载流子类型的分离。这种在pn结区附近由受主（）离子与施主（）离子产生的静电势梯度阻止扩散。这种pn结区电场称为内建电场。 由于存在这种偶极层，晶体内的静电势在pn结区就出现一个突变。在偶极层中，正电层和负电层中的电子和空穴的数目都是很少的，因此它的电阻很高，这一层称为阻挡层，阻挡层起到阻止电子和空穴扩散的作用。有了阻挡层才能使扩散达到平衡。 尽管有内建电场存在，但是在整个pn结中没有剩余的空穴和电子，因此pn结中并无外场电动势，外电场为零。 （二）光生电动势的产生对于上述情况，如果光照射到pn结的接触面时，情况就大不一样，这时pn结能够吸收光子，由于光激发而

10、使电子和空穴激发。又由于有内建电场的存在，受到内建电场的作用，空穴将向p区移动而积累，而电子则相反，向n区移动而积累，从而形成净空间电荷。这些空间电荷不能够越过阻挡层而复合，这样必将有电动势产生。在这种情况下，pn结就形成光电池。 5.1.4 光电动势材料的特征值光电动势材料的特征值1、开路电压V0 V0表示光电池在开路时的电压。2、短路电流I0 I0表示光电池在外电路短路时的电流。3、转换效率 为光电池的最大输出功率与入射到光电池结面上的辐射功率之比。与禁带宽度有关。一般应选择禁带宽度为0.91.5eV的材料做光电池。 是表征光生电动势转换效率的参数。4、光谱响应曲线 光谱响应曲线是表示开路

11、电压、短路电流、转换效率与波长的关系曲线。二、光电动势材料的种类二、光电动势材料的种类 光电池中最活跃的领域是太阳能电池，太阳能电池所用的材料主要有以下几种：1、硅太阳能电池 硅太阳能电池可分为单晶硅、多晶硅和非晶 硅太阳能电池三种。2、薄膜太阳能电池3、陶瓷太阳能电池4、金属氧化物半导体（MOS）太阳能电池5、pn异质结太阳能电池三、光电动势材料的应用三、光电动势材料的应用 主要用于开发太阳能电池，但目前光电转换效率不高。 5.2.1 光电子发射材料的特征值光电子发射材料的特征值 1、临阈频率0（红限0：波长上限，长波边界）每种光电子发射材料都有其临阈频率0，0为光电子发射效应的频率下限。由

12、于h0=E结合，则0=E结合/h。v0时，材料才能发射光电子。 2、积分灵敏度S积分灵敏度S定义为最大光电流I（A）与入射光通量（lm）的比值，即S=I/一般S=1020%，其中8090%损失掉。图5.2 S与关系图 n4、灵敏阈 接受光辐射的装置能够发现的最小辐射量称为该装置的灵敏阈。n3、光谱灵敏度 积分灵敏度S与波长有关。S与关系如图5-2所示。 5.2.2 光电导材料的特征值光电导材料的特征值 1、积分灵敏度S积分灵敏度S代表光电导产生的灵敏度，也就是单位光入射通量产生的电导率的附加值的大小。S=/。式中为入射光通量（lm），为电导率。 2、光谱灵敏度用S-光谱曲线表示光谱灵敏度。 3

13、、灵敏阈能测出该材料光电导的最小光辐射量称为灵敏阈。 v序言序言v太阳能电池简介太阳能电池简介v太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理v太阳能电池分类太阳能电池分类v太阳能电池对材料的要求太阳能电池对材料的要求v各类太阳能电池的制造方法及研究状况各类太阳能电池的制造方法及研究状况v利用太阳能电池发电的优缺点利用太阳能电池发电的优缺点v太阳能电池的展望太阳能电池的展望1、地球每天接收的太阳能，相当于整个世界一年所消耗的总能量的200倍。太阳每秒发出的能量就大约相当于1.3亿亿吨标准煤完全燃烧时所释放出的全部热量。2、太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生清洁能源。太阳能电池是太阳能利用的重要途径之一

14、太阳能电池是太阳能利用的重要途径之一u 二十一世纪将是能源危机和能源革命的世纪。众二十一世纪将是能源危机和能源革命的世纪。众所周知，世界上已探明的石油存储量只能供应所周知，世界上已探明的石油存储量只能供应4040至至5050年，世界上石油储量年，世界上石油储量67%67%在中东，我国在中东，我国20042004年进口原油年进口原油1.21.2亿吨和成品油亿吨和成品油40004000万吨。我国已探明煤炭储存量约万吨。我国已探明煤炭储存量约82008200亿吨标准煤，利用目前的工艺技术，可以安全开亿吨标准煤，利用目前的工艺技术，可以安全开采的总储量约采的总储量约15001500亿吨标准煤，亿吨标准

15、煤，20042004年我国煤炭能源年我国煤炭能源消耗为消耗为19.619.6亿吨标准煤，按照目前能源消耗增长的速亿吨标准煤，按照目前能源消耗增长的速率来计算的话，则我国的煤炭仅能够满足率来计算的话，则我国的煤炭仅能够满足30304040年的年的使用。常规能源是地球使用。常规能源是地球4646亿年形成过程中，太阳给予亿年形成过程中，太阳给予地球能源的储存，可是在我们几代人的发展过程中，地球能源的储存，可是在我们几代人的发展过程中，就将这种常规能源消耗殆尽，这不仅危及到我国的持就将这种常规能源消耗殆尽，这不仅危及到我国的持续发展，而且也是危及到中华民族的能否继续生存发续发展，而且也是危及到中华民族

16、的能否继续生存发展的大事。展的大事。 u我国已决定发展核电，在未来十几年内将兴建约我国已决定发展核电，在未来十几年内将兴建约4040个百万个百万千瓦级核电组，如果千瓦级核电组，如果20202020年我国电力装机总量达到年我国电力装机总量达到9 9亿千亿千瓦，则核电只占总装机容量的几个百分点，但是预计我国瓦，则核电只占总装机容量的几个百分点，但是预计我国在按照目前的耗能情况比例上升，到在按照目前的耗能情况比例上升，到20202020年全国消耗常规年全国消耗常规能源为能源为6060亿吨，所排放的亿吨，所排放的COCO2 2将高达将高达200200亿吨以上，对人类亿吨以上，对人类的生存环境将造成严重

17、的影响。我国天然铀资源短缺，大的生存环境将造成严重的影响。我国天然铀资源短缺，大力进口天然铀，将会遇到更为严重的困难，人们还寄托希力进口天然铀，将会遇到更为严重的困难，人们还寄托希望于钍，如果钍能发电，那将提供我国上千年的能源需求，望于钍，如果钍能发电，那将提供我国上千年的能源需求，但是钍能否实现象铀一样的发电，目前尚无结论。我国东但是钍能否实现象铀一样的发电，目前尚无结论。我国东海、南海的能源开发有待积极进行国际协作开发，其储量海、南海的能源开发有待积极进行国际协作开发，其储量尚未可知。常规能源的消耗量不可逆转的，也是有尽时的。尚未可知。常规能源的消耗量不可逆转的，也是有尽时的。 u 太阳能

18、就是无污染的巨大能源，太阳实时给予地太阳能就是无污染的巨大能源，太阳实时给予地球的能量是人类每天所消耗的能量的上万倍，其中球的能量是人类每天所消耗的能量的上万倍，其中70%70%以上的能量是给予了大海，陆地的降雨量、沿海以上的能量是给予了大海，陆地的降雨量、沿海的台风、飓风都是太阳能转化的表现形式。据专家计的台风、飓风都是太阳能转化的表现形式。据专家计算，我国陆地每年接受太阳辐射的能量约为算，我国陆地每年接受太阳辐射的能量约为2400024000亿亿吨标准煤，这是取之不尽、用之不竭的绿色能源。问吨标准煤，这是取之不尽、用之不竭的绿色能源。问题是应该尽快地研制出价格低廉、转换效率较高的光题是应该

19、尽快地研制出价格低廉、转换效率较高的光伏电池。目前的太阳能电池每三千瓦约需一万美元，伏电池。目前的太阳能电池每三千瓦约需一万美元，价格十分昂贵，远远地超过我们的国家和人民所能承价格十分昂贵，远远地超过我们的国家和人民所能承受的极限。研制廉价和转化效率高的太阳能电池的历受的极限。研制廉价和转化效率高的太阳能电池的历史使命就责无旁贷地落在光电子科技工作者的肩上。史使命就责无旁贷地落在光电子科技工作者的肩上。 太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kw/m2。地球赤道

20、的周长为地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得，从而可计算出，地球获得的能量可达的能量可达173,000TW（1tw=1012w）。）。在海平面上在海平面上的标准峰值强度为的标准峰值强度为1kw/m2，地球表面某一点，地球表面某一点24h的年平的年平均辐射强度为均辐射强度为0.20kw/m2，相当于有，相当于有102,000TW 的能量，的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外）虽然太阳能资源总的可再生能源（地热能资源除外）虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳量相当

21、于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。 太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为的能量仅为其总辐射能量（约为3.751026W）的）的22亿分之一，但已高亿分之一，但已高达达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照

22、射到地球上的能量就相当于，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤万吨煤 它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点：它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点：无枯竭危险；绝对干净；不受资源分布地域的限制；可在用电无枯竭危险；绝对干净；不受资源分布地域的限制；可在用电处就近发电；能源质量高；获取能源花费的时间短。处就近发电；能源质量高；获取能源花费的时间短。10%24%40%26%传统矿石能源传统矿石能源不可再生、环境污染、能源枯竭不可再生、环境污染、能源枯竭可再生能源：风能、地热能、水能、潮汐能、太阳能等可再生能源：风能、地热能、水能、潮汐能、太阳能等资源丰富、利用

23、方便、洁净无污染资源丰富、利用方便、洁净无污染石油石油煤煤天然气天然气世界的能源结构世界的能源结构能源结构调整太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！每年排放的二氧化碳达210万吨矿石能源开采高峰20202030年 世界和中国主要常规能源储量预测19541954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为阳能电池，效率为4%4%，于，于19581958年应用到美国的先锋年应用到美国的先锋1 1号人造卫星上。号人造卫星上。太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面太阳能电池逐渐由航天等特殊的用

24、电场合进入到地面应用中。一个应用中。一个4KW4KW的屋顶家用光伏系统可以满足普通的屋顶家用光伏系统可以满足普通家庭的用电需要，每年少排放的家庭的用电需要，每年少排放的COCO2 2的数量相当于一的数量相当于一辆家庭轿车的年排放量。辆家庭轿车的年排放量。由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳能电池的价格不到能电池的价格不到2020世纪世纪7070年代的年代的1%1%。预期。预期1010年内太年内太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。目前，年均增长率火力发电竞争。目前，年均

25、增长率35%35%，是能源技术，是能源技术领域发展最快的行业。领域发展最快的行业。光伏效应太阳光谱图太阳光谱图太阳能电池的发电原理是基于光伏效应(Photovoltaic Effect)由太阳光与材料相互作用而产生电势。 UV Visible Infrared太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：效应，一般的半导体主要结构如下： 图图中，正电荷表示硅原子，中，正电荷表示硅原子， 负电荷负电荷表示围绕在硅表示围绕在硅原子原子 旁边的四个电子。旁边的四个电子。太阳能电池利用原理 采用采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将不同的掺杂

26、工艺，通过扩散作用，将P型半导型半导体与体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上基片上,在它们的交界面就在它们的交界面就形成形成空间电荷区空间电荷区称称PN结。结。 P型半导体（型半导体（P指指positive，带正电的）：由单晶硅通，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电部形成带正电的的空穴空穴； N型半导体（型半导体（N指指negative，带负电的）：由单晶硅通，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内过特殊工艺掺入少

27、量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子；部形成带负电的自由电子； 当当晶片受光后，晶片受光后，PN结中，结中，N型半导体的空穴往型半导体的空穴往P型区移动，而型区移动，而P型区中的电子往型区中的电子往N型区移动，从而形成型区移动，从而形成从从N型区到型区到P型区的电流。然后在型区的电流。然后在PN结中形成电势差，结中形成电势差，这就形成了电源。这就形成了电源。 1 1、硅系太阳能电池硅系太阳能电池 2 2、多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池 3 3、有机薄膜太阳能电池有机薄膜太阳能电池 4 4、染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池据所用材料分据所用材料分砷化镓砷化镓

28、III-VIII-V化合物化合物硫化镉硫化镉铜铟硒铜铟硒单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池无机太阳能电池无机太阳能电池 半导体硅半导体硅 ( (单晶、多晶、非晶、复合型等）单晶、多晶、非晶、复合型等） 化合物半导体（化合物半导体（GaAsGaAs、CuInSeCuInSe2 2、CdTeCdTe、InPInP等）等）有机太阳能电池有机太阳能电池 有机半导体（酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等）有机半导体（酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等）染料敏化（光化学）太阳能电池（染料敏化（光化学）太阳能电池（纳米纳米TiOTiO2 2等）

29、等）按照所用材料的不同按照所用材料的不同：半导体中可以利用各种势垒如半导体中可以利用各种势垒如p-np-n结、肖特基势垒、异质结等形成光伏结、肖特基势垒、异质结等形成光伏效应。效应。当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以产生光生载当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电子流子，所产生的电子- -空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极，正负空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极，正负电荷分别被上下电极收集。由电荷聚集所形成的电流通过金属导线流电荷分别被上下电极收集。由电荷聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载。向电负载。 工作原理无机太阳能电池研究进展

30、表表1 1 无机太阳能电池的性能及应用无机太阳能电池的性能及应用有机太阳能电池，顾名有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能构成核心部分的太阳能电池电池 。 研究进展研究进展: : 美国加州伯克利美国加州伯克利分校科学家在分校科学家在20022002年利用塑年利用塑料纳米技术研制出第一代塑料纳米技术研制出第一代塑料太阳能电池，可以安装在料太阳能电池，可以安装在一系列便携式设备及可穿戴一系列便携式设备及可穿戴式电子设备上。提供式电子设备上。提供0.7V0.7V的的电压电压。特点：价格低、易成型，通特点：价格低、易成型，通过 化 学 修 饰 调 控 性 能

31、。过 化 学 修 饰 调 控 性 能 。染料敏化太阳能电池主要是模仿光合作染料敏化太阳能电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池，用原理，研制出来的一种新型太阳电池，其主要优势是：原材料丰富、成本低、其主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。自从环境具有重要的意义。自从19911991年瑞士年瑞士洛桑

32、高工（洛桑高工（EPFLEPFL）M. M. GrtzelGrtzel教授领导的教授领导的研究小组在该技术上去的突破以来，欧、研究小组在该技术上去的突破以来，欧、美、日等发达国家投入大量资金研发。美、日等发达国家投入大量资金研发。染料敏化太阳能电池的研究历史可以追溯到染料敏化太阳能电池的研究历史可以追溯到1919世纪早期的照相术。世纪早期的照相术。18371837年，年，DaguerreDaguerre制出了世界上第一张照片。制出了世界上第一张照片。两年后，两年后，Fox TalbotFox Talbot将卤化银用于照片制作，将卤化银用于照片制作，但是由于卤化银的禁带宽度较大，无法响应长但是由

33、于卤化银的禁带宽度较大，无法响应长波可见光，所以相片质量并没有得到很大的提波可见光，所以相片质量并没有得到很大的提高。高。18831883年，德国光电化学专家年，德国光电化学专家VogelVogel发现有机染料发现有机染料能使卤化银乳状液对更长的波长敏感，这是对能使卤化银乳状液对更长的波长敏感，这是对染料敏化效应的最早报导。使用有机染料分子染料敏化效应的最早报导。使用有机染料分子可以扩展卤化银照相软片对可见光的响应范围可以扩展卤化银照相软片对可见光的响应范围到红光甚至红外波段，这使得到红光甚至红外波段，这使得“全色全色”宽谱黑宽谱黑白胶片乃至现在的彩色胶片成为可能。白胶片乃至现在的彩色胶片成为

34、可能。18871887年，年，MoserMoser将这种染料敏化效应用到卤化银电将这种染料敏化效应用到卤化银电极上，从而将染料敏化的概念从照相术领域延伸极上，从而将染料敏化的概念从照相术领域延伸到光电化学领域。到光电化学领域。19641964年，年，NambaNamba和和HishikiHishiki发现发现同一种染料对照相术和光电化学都很有效。这是同一种染料对照相术和光电化学都很有效。这是染料敏化领域的重要事件，只是当时不能确定其染料敏化领域的重要事件，只是当时不能确定其机理，即不确定敏化到底是通过电子的转移还是机理，即不确定敏化到底是通过电子的转移还是通过能量的转移来实现的。直到通过能量的

35、转移来实现的。直到2020世纪世纪6060年代，年代，德国的德国的TributschTributsch发现了染料吸附在半导体上并在发现了染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的机理，才使人们认识到光一定条件下产生电流的机理，才使人们认识到光照下电子从染料的基态跃迁到激发态后继而注入照下电子从染料的基态跃迁到激发态后继而注入半导体的导带的光电子转移是造成上述现象的根半导体的导带的光电子转移是造成上述现象的根本原因。这为光电化学电池的研究奠定了基础。本原因。这为光电化学电池的研究奠定了基础。但是由于当时的光电化学电池采用的是致密半但是由于当时的光电化学电池采用的是致密半导体膜，染料只能在膜的表面

36、单层吸附，而单导体膜，染料只能在膜的表面单层吸附，而单层染料只能吸收很少的太阳光，多层染料又阻层染料只能吸收很少的太阳光，多层染料又阻碍了电子的传输，因此光电转换效率很低，达碍了电子的传输，因此光电转换效率很低，达不到应用水平。后来人们制备了分散的颗粒或不到应用水平。后来人们制备了分散的颗粒或表面积很大的电极来增加染料的吸附量，但一表面积很大的电极来增加染料的吸附量，但一直没有取得非常理想的效果。直没有取得非常理想的效果。19911991年年， GrtzelGrtzel在在OReganORegan的启发下，应用了的启发下，应用了OReganORegan制备的比表面积很大的纳米制备的比表面积很大

37、的纳米TiO2TiO2颗粒，颗粒，使电池的效率一举达到使电池的效率一举达到7.9 %7.9 %，取得了染料敏化，取得了染料敏化太阳能电池领域的重大突破。应当说，纳米技太阳能电池领域的重大突破。应当说，纳米技术促进了染料敏化太阳能电池的发展。术促进了染料敏化太阳能电池的发展。 染料敏化太阳能电池（染料敏化太阳能电池（DSSCsDSSCs）电池结构 阳极：染料敏化半导体薄膜染料敏化半导体薄膜 TiO2、染料染料阴极：镀铂的导电玻璃镀铂的导电玻璃ORegan B.and Grtzel M., Nature, 1991,353,737740半导体材料的禁带不能太宽半导体材料的禁带不能太宽要有较高的光电

38、转换效率要有较高的光电转换效率材料本身对环境不造成污染材料本身对环境不造成污染材料便于工业化生产且材料性能稳定材料便于工业化生产且材料性能稳定种类种类材料材料太阳能太阳能单电池单电池效率效率太阳能太阳能电池模电池模块效率块效率主要制备主要制备方法方法优点优点缺点缺点硅系硅系太阳太阳能电能电池池单晶单晶硅硅151524%24%131320%20%表面结构表面结构化化发射区钝发射区钝化化分区掺杂分区掺杂效率最高效率最高技术成熟技术成熟工艺繁工艺繁琐琐成本高成本高多晶多晶硅硅a a101017%17%101015%15%化学气相化学气相沉积法沉积法液相外延液相外延法法溅射沉积溅射沉积法法无效率衰退无

39、效率衰退问题问题成本远低于成本远低于单晶硅单晶硅效率低效率低于单晶于单晶硅硅非晶非晶硅硅8 813%13%510%反应溅射反应溅射法法PECVDPECVD法法LPCVDLPCVD法法成本较低成本较低转换效率较转换效率较高高稳定性稳定性不高不高种类种类材料材料 单电单电池效池效率率模块效率模块效率主要制备主要制备方法方法优点优点缺点缺点多元化合多元化合物薄膜太物薄膜太阳能电池阳能电池砷化镓砷化镓1919 32%32%232330%30%MOVPEMOVPE和和LPELPE技术技术效率较高效率较高成本较单成本较单晶硅低晶硅低易于规模易于规模生产生产原材料镉原材料镉有剧毒有剧毒碲化镉碲化镉10101

40、5%15%7 710%10%铜铟硒铜铟硒101012%12%8 810%10%真空蒸镀真空蒸镀法和硒化法和硒化法法价格低廉价格低廉性能良好性能良好工艺简单工艺简单原材料来原材料来源比较有源比较有限限纳米晶化学太阳能电池纳米晶化学太阳能电池8 811%11%8%8%溶胶凝胶溶胶凝胶法法水热反应水热反应溅射法溅射法成本低廉成本低廉工艺简单工艺简单性能稳定性能稳定有机薄膜太阳能电池有机薄膜太阳能电池3 35%5%处于研发处于研发当中当中易制作易制作材料广泛材料广泛成本低成本低寿命短寿命短优点：优点：属于可再生能源，不必属于可再生能源，不必担心能源枯竭担心能源枯竭太阳能本身并不会给地太阳能本身并不会给

41、地球增加热负荷球增加热负荷运行过程中低污染、平运行过程中低污染、平稳无噪音稳无噪音发电装置需要极少的维发电装置需要极少的维护护, ,寿命可达寿命可达2020年年所产生的电力既可供家所产生的电力既可供家庭单独使用也可并入电庭单独使用也可并入电网网用途广泛用途广泛 缺点缺点：受地域及天气影响较大受地域及天气影响较大由于太阳能分散、密度低，发电装置会占由于太阳能分散、密度低，发电装置会占去较大的面积去较大的面积光电转化效率低致使发电成本较传统方式光电转化效率低致使发电成本较传统方式偏高偏高 目前，太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶目前，太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶态硅三种。单晶硅太阳能电池

42、变换效率最高，已达态硅三种。单晶硅太阳能电池变换效率最高，已达0以上，但价格也最贵。非晶态硅太阳电池变换以上，但价格也最贵。非晶态硅太阳电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最有希望用于一般效率最低，但价格最便宜，今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。一旦它的大面积组件光电变发电的将是这种电池。一旦它的大面积组件光电变换效率达到换效率达到0，每瓦发电设备价格降到每瓦发电设备价格降到美美元时，便足以同现在的发电方式竞争。元时，便足以同现在的发电方式竞争。 当然当然，特殊用途和实验室中用的太阳电池效率，特殊用途和实验室中用的太阳电池效率要高得多。如美国波音公司开发的由砷化镓半导体要高得多。如美国波

43、音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳能电池，光电变换同锑化镓半导体重叠而成的太阳能电池，光电变换效率可达，快赶上了燃煤发电的效率，但是效率可达，快赶上了燃煤发电的效率，但是由于它太贵，目前只能限于在卫星上使用。由于它太贵，目前只能限于在卫星上使用。八、太阳能电池的展望八、太阳能电池的展望uIII-VIII-V族化合物及族化合物及铜铟硒铜铟硒等系由稀有元素所制备，等系由稀有元素所制备，但从材料来源看，这类太阳能电池很难占据主导地但从材料来源看，这类太阳能电池很难占据主导地位。位。u另两类电池染料敏化太阳能电池和有机薄膜太阳能另两类电池染料敏化太阳能电池和有机薄膜太阳能电池，它们

44、的研究刚刚起步，短时间内不可能替代电池，它们的研究刚刚起步，短时间内不可能替代硅系太阳能电池。硅系太阳能电池。u从转换效率和材料的来源角度讲，多晶硅和非晶硅从转换效率和材料的来源角度讲，多晶硅和非晶硅薄膜电池将最终取代单晶硅电池，成为市场的主导薄膜电池将最终取代单晶硅电池，成为市场的主导产品。产品。u今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低成本上来，近来国外曾采用某些技术制在如何降低成本上来，近来国外曾采用某些技术制得硅条带作为多晶硅薄膜太阳能电池的基片，以达得硅条带作为多晶硅薄膜太阳能电池的基片，以达到降低成本的目的，效果还是比较理想

45、的到降低成本的目的，效果还是比较理想的。太阳能电池在航天技术发展中有着不可替代的作用。太阳能电池在航天技术发展中有着不可替代的作用。由于材料与器材结构的研究与开发由于材料与器材结构的研究与开发, ,太阳电能池的太阳电能池的地面应用的潜在能力得到了发挥。地面应用的潜在能力得到了发挥。从微观上认识光伏太阳能电池的本质，开展原位表从微观上认识光伏太阳能电池的本质，开展原位表征和超快时间分辨技术研究光生电子的迁移传输规征和超快时间分辨技术研究光生电子的迁移传输规律，为人们设计较高光电转换效率的半导体材料及律，为人们设计较高光电转换效率的半导体材料及染料敏化剂提供理论指导。染料敏化剂提供理论指导。太阳能

46、的开发利用是人类进入太阳能的开发利用是人类进入2121世纪必须解决的难世纪必须解决的难题。题。太阳能电池作为清洁太阳能转换装置将有利于太阳能电池作为清洁太阳能转换装置将有利于缓解世界的能源危机和环境污染问题。太阳能电池缓解世界的能源危机和环境污染问题。太阳能电池的研究有着重要的意义。的研究有着重要的意义。1、传统的化石能源资源日益枯竭，严重的环境污染制约了世界经济的可持续发展。2、能源的需求有增无减，能源资源已成为重要的战略物资。3、太阳能利用和光伏发电是最有发展前景的可再生 能源。4、世界各国竞相出台发展可再生能源的扶持政策、法令、法规。5、从2006年1月1开始，我国可再生能源法开始实施。

47、根据欧盟的预测：根据欧盟的预测：到到20302030年年 太阳能太阳能发电将占总能耗发电将占总能耗10%10%以上以上 可再生能源可再生能源在总能源结构中占在总能源结构中占30%30%到到20502050年年 太阳能太阳能发电将占总能耗发电将占总能耗20%20% 可再生能源可再生能源在总能源结构中占在总能源结构中占50%50%以上以上1 1、世界光伏电池产量快速增长，最近年的、世界光伏电池产量快速增长，最近年的平均增长速度超过平均增长速度超过0%0%。 20052005年世界太阳电池产量达到年世界太阳电池产量达到1650MW1650MW，比比20042004增加了增加了38%38%。日本光伏电

48、池产量再次。日本光伏电池产量再次领先增长到领先增长到762MW762MW，增长率为，增长率为27%27%；欧洲产；欧洲产量增加量增加48%48%，达到，达到464MW464MW；美国增加；美国增加12%12%，达，达到到156MW156MW；世界其他地区增加；世界其他地区增加96%96%，达到，达到274MW274MW。二、世界光伏产业及应用特点二、世界光伏产业及应用特点公司公司2005年产量年产量排名排名2006年预测产量年预测产量排名排名夏普夏普428 MW兆兆瓦瓦 1500 MW1Q-Cells166 MW2234 MW2京瓷京瓷142 MW3175 MW3三洋三洋125 MW4150

49、MW4三菱三菱100 MW5125 MW6肖特肖特95 MW6110 MW7BP太阳能太阳能86 MW7105 MW10尚德尚德82 MW8150 MW4茂迪茂迪60 MW9110 MW7Detsche cell包括壳牌太阳能包括壳牌太阳能 96 MW壳牌太阳能壳牌太阳能5910110 MW72 2、在光伏应用和安装方面，德日美依然是、在光伏应用和安装方面，德日美依然是世界三个最大最主要的光伏应用市场。世界三个最大最主要的光伏应用市场。 20052005年全球安装太阳电池组件年全球安装太阳电池组件1460MW,1460MW,比前一年增长了比前一年增长了34%34%。德国安装。德国安装837MW

50、,837MW,比比前一年增长了前一年增长了53%53%；占世界安装量的；占世界安装量的57%57%；日本安装日本安装292MW,292MW,比前一年增长了比前一年增长了14% 14% ，占，占世界安装量的世界安装量的20%20%；美国安装；美国安装102MW102MW，占世，占世界安装量的界安装量的7%7%；欧洲其它地区安装；欧洲其它地区安装88MW88MW，占世界安装量的占世界安装量的6%6%；世界其它地区安装；世界其它地区安装146MW146MW，占世界安装量的，占世界安装量的10%10%。 2005年世界各地光伏安装量及所占比例地区地区2005年安装年安装量（量（MW）德国德国837日本

51、日本292美国美国102欧洲其它地区欧洲其它地区88世界其它地区世界其它地区1463 3、晶体硅太阳电池继续保持领先地位，、晶体硅太阳电池继续保持领先地位，占据了占据了90%90%以上的份额，其中多晶硅太以上的份额，其中多晶硅太阳电池的份额为阳电池的份额为52.3%52.3%，单晶硅为，单晶硅为38.3%38.3%，带硅，带硅/ /片硅电池片硅电池2.9%2.9%。预计今。预计今后十年内晶体硅仍将占主导地位。后十年内晶体硅仍将占主导地位。1999200020012002200320042005单晶硅单晶硅40.837.434.636.432.236.238.3多晶硅多晶硅42.148.250.

52、251.657.254.752.3带硅带硅/片硅片硅4.14.35.64.64.43.32.9非晶硅非晶硅12.39.68.96.44.54.44.7锑化镉锑化镉0.50.30.50.71.11.11.6铜铟化锡铜铟化锡0.20.20.20.20.60.40.2年份年份200420052006(e)2007(e)2008(e)全球硅料产量全球硅料产量(吨吨)2800032000360004200052000半导体消耗量半导体消耗量(吨吨)1800018000189001984520837太阳能硅料太阳能硅料(吨吨)1000014000171002215531163每瓦消耗量每瓦消耗量(克克)1

53、312111110硅片产量硅片产量(MW)7691167155520142833电池片产量电池片产量(MW)900137382923703333电池片需求量电池片需求量(MW)12001560202826363427供需缺口供需缺口(MW)30018719926794公司名称公司名称产量产量(吨吨)扩产后的产能扩产后的产能(吨吨)20042005200620072008Hemlock(美国美国)7000740077001000011000Wacker(德国德国)50005000550065009000Tokuyama(日本日本)52005200540054008400MEMC(美国美国/意大利意大利)2500370