材料科學與工程學院凌濤功能材料研究與應用Project

太陽能有效利用教學安排教學方法課堂+實驗考察方法報告：工作總結(20%)Presentation：文獻綜述(10%)+工作進展(20%)+工作報告(40%)考勤：10%上課安排第2周周一(3.16)14:00太陽能有效利用背景介紹第6周周一(4.13)14:00文獻綜述+實驗計劃第10周周一(5.11)14:00工作進展報告第14周周五(6.8)14:00工作總結+工作報告課題選擇課題4：超薄ZnS納米片應用于光催化制氫課題1：Cu2ZnSnS4納米線應用于光電催化制氫課題3：超薄CdS納米片應用于光解水制氫課題2：CdS反蛋白石結構應用于光電催化制氫負責研究生周雨竹責研究生宋吉鵬責研究生劉曉華責研究生張銳陽能有效利用簡介12太陽光的吸收3太陽能電池4光解水制氫引言1.引言-環境和能源是迫切需要解決的社會問題1.引言-太陽能電池1.引言-太陽能分解水制氫太陽能有效利用簡介12太陽光的吸收3太陽能電池4光解水制氫引言2.太陽光的吸收太陽光譜當太陽光入射到地表時，便會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，所以太陽光會隨著在大氣層中行走路徑的長短而有不同的衰減，故空氣質量的定義為：空氣質量簡單的說，空氣質量是指太陽光入射到海平面在大氣層中經過的距離，與垂直入到海平面在大氣層所經過的距離之比值。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，當入射太陽光與垂直于地表的法線夾角的cosθ值為0.666之時（入射角為48.2度），即為AM1.5的條件。一般在地面應用的情況下，如無特殊說明，通常是指AM1.5的情況。θ為入射太陽光和垂直于地表的法線的夾角。2.太陽光的吸收2.太陽光的吸收本征吸收：電子由價帶到導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：hv>Eg時，除產生一個電子-空穴對外，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，則只有當禁帶內存在合適的化學雜質或物理缺陷引起的能態時，光子才會被吸收。本征吸收和非本征吸收2.太陽光的吸收吸收系數假設半導體被一光源照射，沿光傳播方向上，在距離表面x處的光通量(單位時間通過垂直方向平面的光子數)為吸收系數是光子能量h的函數，稱為吸收曲線。吸收系數在截止波長c處急劇下降，截止波長附近的吸收曲線稱為吸收邊。2.太陽光的吸收直接躍遷

hk’–hk=光子動量但一般半導體吸收的光子，其動量遠小于能帶中的電子的動量，光子動量可忽略不計，k’k

，電子吸收光子產生躍遷時波矢保持不變，如價帶中狀態A的電子只能躍遷到導帶中的狀態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程，除滿足能量守恒外，還必須滿足動量守恒。2.太陽光的吸收直接躍遷任何一個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等于禁帶寬度。直接帶隙半導體：半導體的導帶極小值和價帶極大值對應于相同的波矢。在本征吸收過程中，產生電子的直接躍遷。2.太陽光的吸收直接帶隙半導體帶隙的測定理論計算表明，直接躍遷中吸收系數和光子能量的關系為A為常數Eg吸收譜2.太陽光的吸收間接躍遷間接帶隙半導體：Ge、Si一類半導體，價帶頂和導帶底對應于不同的波矢k。間接躍遷：電子不僅吸收光子，同時還和晶格交換一定的振動動量，即放出或吸收一個聲子。聲子的能量非常小，可以忽略不計。間接躍遷的概率(光吸收系數)比直接躍遷的概率(光吸收系數)小得多。2.太陽光的吸收激子：受激電子和空穴互相束縛而結合在一起成為一個新的系統，這種系統稱為激子。激子吸收：光子能量hv<Eg，價帶電子受激發后雖然躍出了價帶，但還不足以進入導帶而成為自由電子，仍然受到空穴的庫侖場作用，這種吸收即激子吸收。激子吸收2.太陽光的吸收入射光子能量小于帶隙時，自由載流子在同一帶內的躍遷。自由載流子吸收2.太陽光的吸收雜質吸收：束縛在雜質能級上的電子或空穴的吸收。電子可以吸收光子躍遷到導帶能級；空穴也同樣可以吸收光子而躍遷到價帶。晶格振動吸收：遠紅外區，光子能量直接轉換為晶格振動動能。雜質和晶格振動吸收太陽能有效利用簡介12太陽光的吸收3太陽能電池4光解水制氫引言3.1太陽能電池的I-V特性EcpEFpEvpq(VD-V)EcnEFnEvnpp0np0nn0pn0-xpxnEcpEFpEvpEcnEFnqVDEvnPN結暗特性0VI3.1太陽能電池的I-V特性PN結的光生伏特效應PN結的光生伏特效應是指半導體吸收光能后在PN結上產生電動勢。3.1太陽能電池的I-V特性PN結的光生伏特效應PN結的光生伏特效應主要涉及三個主要的物理過程：(1)半導體材料吸收光能產生非平衡的電子-空穴對；(2)產生的非平衡電子和空穴從產生處以擴散或漂移的方式向勢場區(PN結的空間電荷區)運動，這種勢場也可以是金屬－半導體的肖特基勢壘或異質結的勢壘等；(3)進入勢場區的非平衡電子和空穴在勢場的作用下向相反方向運動而分離，在P側積累空穴，在N側積累電子，建立起電勢差。3.1太陽能電池的I-V特性PN結的光生伏特效應3.1太陽能電池的I-V特性PN結的光生伏特效應填充因子：光電轉換效率：開路電壓Ｖoc：PN結開路時，兩端的電勢差。短路光電流ISC：PN結短路時的電流，是PN結太陽能電池能提供的最大電流。3.1太陽能電池的I-V特性PN結的光生伏特效應單色光電轉化效率，即入射單色光子-電子轉化效率(monochromaticincidentphoton-to-electronconversionefficiency，用縮寫IPCE表示)，也叫外量子效率。即單位時間內外電路中產生的電子數與單位時間內的入射單色光子數之比。光吸收效率電子注入效率電子收集效率量子效率3.2標準硅太陽能電池單晶硅太陽能電池的制備1.單晶硅(P型)的制備2.硅片的切割3.擴散制結4.沉積減反射層5.絲網印刷電極6.共燒形成金屬接觸3.3新型太陽能電池太陽能電池的發展概況Nature1991,353,737;Nature2001,414,338.3.3染料敏化太陽能電池過程1：染料吸收太陽光后產生電子-空穴對；過程2：染料的電子注入到納米半導體的導帶中；過程3：光電子擴散至導電基底；過程4：氧化態的染料被還原態的電解質還原；過程5：氧化態的電解質在對電極接受電子被還原3.4量子點太陽能電池量子點太陽能電池-量子限制效應量子點(QuantumDot):

把導帶電子、價帶空穴及激子在三個方向上束縛住的半導體納米結構。當它們的尺寸與激子波爾半徑相近時(1.6倍塊體材料的激子波爾半徑)，系統形成一系列離散量子能級，電子在其中運動受到約束，這就是量子限制效應。Angew.Chem.Int.Ed.2002,41,2368.3.4量子點太陽能電池量子限制效應量子點:

把導帶電子、價帶空穴及激子在三個方向上束縛住的半導體納米結構。當它們的尺寸與激子波爾半徑相近時(1.6倍塊體材料的激子波爾半徑)，系統形成一系列離散量子能級，電子在其中運動受到約束，這就是量子限制效應。Angew.Chem.Int.Ed.2002,41,2368.3.4量子點太陽能電池量子限制效應量子點應用在太陽能電池上，可通過選擇不同能帶的材料及控制粒徑的尺寸來調控所需的吸光波長。3.4量子點太陽能電池半導體材料中，當外界提供大于兩個能帶的能量時，被激發的電子會以熱電子的形式存在，當此熱電子由高能級激發態回到低能級激發態時，所釋放的能量可將另一個電子由價帶激發至導帶。利用此效應，一個高能量的光子可以激發兩個或數個熱電子，稱為多激子效應(Multipleexcitongeneration,MEG)。InorganicChemistry2005,44,6893.碰撞離化效應3.4量子點太陽能電池過程1：量子點吸收太陽光后產生電子-空穴對；過程2：量子點的電子注入到納米半導體的導帶中；過程3：光電子擴散至導電基底；過程4：氧化態的量子點被還原態的電解質還原；過程5：氧化態的電解質在對電極接受電子被還原量子點敏化太陽能電池結構3.4量子點敏化太陽能電池密堆量子點太陽能電池J.Mater.Chem.2011,21,2883–2889.3.4量子點敏化太陽能電池密堆量子點太陽能電池J.Mater.Chem.2011,21,2883–2889.3.4量子點敏化太陽能電池密堆量子點太陽能電池J.Mater.Chem.2011,21,2883–2889.3.4量子點敏化太陽能電池密堆量子點太陽能電池LingT,etal.Adv.F