太阳能有效利用

材料科学与工程学院凌涛功能材料研究与应用Project

太阳能有效利用教学安排教学方法课堂+实验考察方法报告：工作总结(20%)Presentation：文献综述(10%)+工作进展(20%)+工作报告(40%)考勤：10%上课安排第2周周一(3.16)14:00太阳能有效利用背景介绍第6周周一(4.13)14:00文献综述+实验计划第10周周一(5.11)14:00工作进展报告第14周周五(6.8)14:00工作总结+工作报告课题选择课题4：超薄ZnS纳米片应用于光催化制氢课题1：Cu2ZnSnS4纳米线应用于光电催化制氢课题3：超薄CdS纳米片应用于光解水制氢课题2：CdS反蛋白石结构应用于光电催化制氢负责研究生周雨竹责研究生宋吉鹏责研究生刘晓华责研究生张锐阳能有效利用简介12太阳光的吸收3太阳能电池4光解水制氢引言1.引言-环境和能源是迫切需要解决的社会问题1.引言-太阳能电池1.引言-太阳能分解水制氢太阳能有效利用简介12太阳光的吸收3太阳能电池4光解水制氢引言2.太阳光的吸收太阳光谱当太阳光入射到地表时，便会受到大气层中空气分子和尘埃的散射，以及气体分子的吸收，所以太阳光会随着在大气层中行走路径的长短而有不同的衰减，故空气质量的定义为：空气质量简单的说，空气质量是指太阳光入射到海平面在大气层中经过的距离，与垂直入到海平面在大气层所经过的距离之比值。图为AM1.0、AM1.5、AM2.0的示意图，从上述的定义和示意图中即可推知，当入射太阳光与垂直于地表的法线夹角的cosθ值为0.666之时（入射角为48.2度），即为AM1.5的条件。一般在地面应用的情况下，如无特殊说明，通常是指AM1.5的情况。θ为入射太阳光和垂直于地表的法线的夹角。2.太阳光的吸收2.太阳光的吸收本征吸收：电子由价带到导带之间的跃迁所形成的吸收。本征吸收条件：hvEg本征吸收限波长：hv>Eg时，除产生一个电子-空穴对外，多余的能量hv-Eg将以热的形式耗散掉。非本征跃迁：如果hv<Eg，则只有当禁带内存在合适的化学杂质或物理缺陷引起的能态时，光子才会被吸收。本征吸收和非本征吸收2.太阳光的吸收吸收系数假设半导体被一光源照射，沿光传播方向上，在距离表面x处的光通量(单位时间通过垂直方向平面的光子数)为吸收系数是光子能量h的函数，称为吸收曲线。吸收系数在截止波长c处急剧下降，截止波长附近的吸收曲线称为吸收边。2.太阳光的吸收直接跃迁

hk’–hk=光子动量但一般半导体吸收的光子，其动量远小于能带中的电子的动量，光子动量可忽略不计，k’k

，电子吸收光子产生跃迁时波矢保持不变，如价带中状态A的电子只能跃迁到导带中的状态B，这种跃迁称为直接跃迁，属于本征跃迁。

光照下，电子吸收光子的跃迁过程，除满足能量守恒外，还必须满足动量守恒。2.太阳光的吸收直接跃迁任何一个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应等于禁带宽度。直接带隙半导体：半导体的导带极小值和价带极大值对应于相同的波矢。在本征吸收过程中，产生电子的直接跃迁。2.太阳光的吸收直接带隙半导体带隙的测定理论计算表明，直接跃迁中吸收系数和光子能量的关系为A为常数Eg吸收谱2.太阳光的吸收间接跃迁间接带隙半导体：Ge、Si一类半导体，价带顶和导带底对应于不同的波矢k。间接跃迁：电子不仅吸收光子，同时还和晶格交换一定的振动动量，即放出或吸收一个声子。声子的能量非常小，可以忽略不计。间接跃迁的概率(光吸收系数)比直接跃迁的概率(光吸收系数)小得多。2.太阳光的吸收激子：受激电子和空穴互相束缚而结合在一起成为一个新的系统，这种系统称为激子。激子吸收：光子能量hv<Eg，价带电子受激发后虽然跃出了价带，但还不足以进入导带而成为自由电子，仍然受到空穴的库仑场作用，这种吸收即激子吸收。激子吸收2.太阳光的吸收入射光子能量小于带隙时，自由载流子在同一带内的跃迁。自由载流子吸收2.太阳光的吸收杂质吸收：束缚在杂质能级上的电子或空穴的吸收。电子可以吸收光子跃迁到导带能级；空穴也同样可以吸收光子而跃迁到价带。晶格振动吸收：远红外区，光子能量直接转换为晶格振动动能。杂质和晶格振动吸收太阳能有效利用简介12太阳光的吸收3太阳能电池4光解水制氢引言3.1太阳能电池的I-V特性EcpEFpEvpq(VD-V)EcnEFnEvnpp0np0nn0pn0-xpxnEcpEFpEvpEcnEFnqVDEvnPN结暗特性0VI3.1太阳能电池的I-V特性PN结的光生伏特效应PN结的光生伏特效应是指半导体吸收光能后在PN结上产生电动势。3.1太阳能电池的I-V特性PN结的光生伏特效应PN结的光生伏特效应主要涉及三个主要的物理过程：(1)半导体材料吸收光能产生非平衡的电子-空穴对；(2)产生的非平衡电子和空穴从产生处以扩散或漂移的方式向势场区(PN结的空间电荷区)运动，这种势场也可以是金属－半导体的肖特基势垒或异质结的势垒等；(3)进入势场区的非平衡电子和空穴在势场的作用下向相反方向运动而分离，在P侧积累空穴，在N侧积累电子，建立起电势差。3.1太阳能电池的I-V特性PN结的光生伏特效应3.1太阳能电池的I-V特性PN结的光生伏特效应填充因子：光电转换效率：开路电压Ｖoc：PN结开路时，两端的电势差。短路光电流ISC：PN结短路时的电流，是PN结太阳能电池能提供的最大电流。3.1太阳能电池的I-V特性PN结的光生伏特效应单色光电转化效率，即入射单色光子-电子转化效率(monochromaticincidentphoton-to-electronconversionefficiency，用缩写IPCE表示)，也叫外量子效率。即单位时间内外电路中产生的电子数与单位时间内的入射单色光子数之比。光吸收效率电子注入效率电子收集效率量子效率3.2标准硅太阳能电池单晶硅太阳能电池的制备1.单晶硅(P型)的制备2.硅片的切割3.扩散制结4.沉积减反射层5.丝网印刷电极6.共烧形成金属接触3.3新型太阳能电池太阳能电池的发展概况Nature1991,353,737;Nature2001,414,338.3.3染料敏化太阳能电池过程1：染料吸收太阳光后产生电子-空穴对；过程2：染料的电子注入到纳米半导体的导带中；过程3：光电子扩散至导电基底；过程4：氧化态的染料被还原态的电解质还原；过程5：氧化态的电解质在对电极接受电子被还原3.4量子点太阳能电池量子点太阳能电池-量子限制效应量子点(QuantumDot):

把导带电子、价带空穴及激子在三个方向上束缚住的半导体纳米结构。当它们的尺寸与激子波尔半径相近时(1.6倍块体材料的激子波尔半径)，系统形成一系列离散量子能级，电子在其中运动受到约束，这就是量子限制效应。Angew.Chem.Int.Ed.2002,41,2368.3.4量子点太阳能电池量子限制效应量子点:

把导带电子、价带空穴及激子在三个方向上束缚住的半导体纳米结构。当它们的尺寸与激子波尔半径相近时(1.6倍块体材料的激子波尔半径)，系统形成一系列离散量子能级，电子在其中运动受到约束，这就是量子限制效应。Angew.Chem.Int.Ed.2002,41,2368.3.4量子点太阳能电池量子限制效应量子点应用在太阳能电池上，可通过选择不同能带的材料及控制粒径的尺寸来调控所需的吸光波长。3.4量子点太阳能电池半导体材料中，当外界提供大于两个能带的能量时，被激发的电子会以热电子的形式存在，当此热电子由高能级激发态回到低能级激发态时，所释放的能量可将另一个电子由价带激发至导带。利用此效应，一个高能量的光子可以激发两个或数个热电子，称为多激子效应(Multipleexcitongeneration,MEG)。InorganicChemistry2005,44,6893.碰撞离化效应3.4量子点太阳能电池过程1：量子点吸收太阳光后产生电子-空穴对；过程2：量子点的电子注入到纳米半导体的导带中；过程3：光电子扩散至导电基底；过程4：氧化态的量子点被还原态的电解质还原；过程5：氧化态的电解质在对电极接受电子被还原量子点敏化太阳能电池结构3.4量子点敏化太阳能电池密堆量子点太阳能电池J.Mater.Chem.2011,21,2883–2889.3.4量子点敏化太阳能电池密堆量子点太阳能电池J.Mater.Chem.2011,21,2883–2889.3.4量子点敏化太阳能电池密堆量子点太阳能电池J.Mater.Chem.2011,21,2883–2889.3.4量子点敏化太阳能电池密堆量子点太阳能电池LingT,etal.Adv.F