光电化学电极的研究及其在太阳能转化方面的应用

物理学和高新技术

光电化学电极的研究及其在太阳能转化方面的应用

3

罗文俊 于　涛

邹志刚

(南京大学物理系　环境材料与再生能源研究中心　南京　210093)

摘　要 Ti O 2半导体光电极的发现引发了科学界大量关于半导体光电极的研究.目前,对Ti O 2的掺杂,对新材料的探索以及对异质结的深入研究,目的都是为了提高半导体光电极的太阳光利用效率.敏化太阳能电池的出现是半导体光电极在实用化方面迈进的一大步.文章简述半导体光电极的研究历史,并对该领域将来的研究方向进行了展望.

关键词 半导体光电极,异质结,染料敏化,太阳能

Se m i conductor photoelectrodes and thei r appli ca ti ons

i n sol ar energy conversi on

LUO W en 2Jun Y U Tao

Z OU Zhi 2Gang

(Eco m aterials and Rene w able Energy Research Center ,D epart m ent of Physics ,N anjing U niversity,N anjing 210093,China )

Abstract Since it was found that Ti O 2phot oelectrodes can s p lit water into H 2and O 2directly under UV irradi 2ati on,much research has focused on sem iconductor electrodes,including doped Ti O 2,new materials,and heter o 2juncti ons,in efforts t o i m p rove the conversi on efficiency of solar energy .Subsequently,the appearance of dye -sensitized solar cells made sem iconduct or electr odes p ractically feasible .The hist orical devel opment of sem icon 2duct or photoelectrodes is briefly introduced,and their future p r os pects discussed .

Keywords sem iconductor phot oelectr odes,heterojunction,dye -sensitized,s olar energy

3　国家自然科学基金(批准号:20373025,50472067)、2005年度教

育部留学回国人员科研启动基金资助项目

2005-05-26收到初稿,2005-09-16修回

　通讯联系人.Email:yutao@nju .edu .cn

能源和环境问题是人类在21世纪面临的两大

主要难题,如何解决这两大难题给人类提出了巨大挑战.在能源方面,太阳能和氢能被认为是本世纪最有可能逐步代替化石能源的绿色能源.但是目前生产氢气的成本太高,探索降低生产氢气成本的新方法、新工艺已经成为当前世界各国亟待解决的战略问题.采用半导体光电极的技术,利用太阳能制备氢气或者直接将太阳能转化成电能被认为是最有希望的研究方向之一.

1　半导体光电极的发现

1839年,Becquerel 在巴黎的一次学术会议上报

道了他的研究结果

[1]

.他在两种不同的金属电极上

镀一层卤化银作为电化学电池的电极,浸泡在电解液中,当让光照射到其中一根电极上时,他惊奇地发现在外电路中有电流通过.当时Becquerel 只有18岁,受实验条件和认识水平的限制,他在这一方面并没有做更为深入的研究.

直至20世纪50年代,随着半导体工业的迅速发展和半导体理论的日渐成熟,众多科学家在半导体材料及半导体器件方面做了大量的研究工作,积累了丰富的实验数据,半导体材料以其特殊的光电性质,在电化学研究中作为电极发挥了重要作用.诺

贝尔奖获得者B rattain 和Garrett 在1955年对Ge 电极的光电化学性质的研究被认为是半导体光电化学领域的先驱性工作.在B rattain 的研究之后,其他各种常见的单晶半导体(见表1)的光电化学性质都逐渐得到研究(图1).

表1[1]　各种典型半导体光电极材料的研究时间

半导体电极

研究时间

n 2Ge 1955年n 2Si 1958年n 2CdS 1960年n 2,p 2GaA s 1965年n 2ZnO 1966年p 2N i O 1966年n 2ZnSe 1967年n 2,p 2GaP 1968年n 2SnO 21968年n 2KTaO 3

1968年

图1　各种常见半导体相对于标准氢电极(NHE )电位的能带示意图[6,15,16]

20世纪60年代末,日本东京大学的Honda 教授也在从事各种单晶半导体方面的光电化学性质的研究,但他刚开始的研究只是重复了上文提到的一些研究结果,并没有取得突破性的进展.1969年前后,紧挨Honda 实验室的东京大学工业科学研究所正在进行以Ti O 2作为光接受体的电照相研究.受此启发,Honda 的合作研究者Fujishi m a 在Saita ma 大学T .Iida 教授的建议下,生长了一块Ti O 2单晶,并用它作为光电极来进行光电化学研究,发现Ti O 2电极非常稳定,于是他们就用Pt 作为对电极,Ti O 2作为工作电极,在高压汞灯的照射下,Ti O 2电极上产生了O 2,而Pt 对电极上则产生了H 2;同时还可以检测到在外电路中有电流通过.

起初Honda 研究Ti O 2单晶光电化学性质纯粹是基于学术研究的目的,并没有意识到它潜在的巨

大应用前景.这一研究成果在1972年的Nature 上报

道后[2]

,世界各地的研究者纷纷向Honda 等询问Ti O 2单晶的制备方法.由于受当时技术条件限制,制备氧化物单晶的难度非常大,当时ZnO 单晶价格甚至比钻石还要贵,因此这种单晶光电极并不具备实用价值.尽管如此,这一重大发现还是开创了光电化学分解水制氢气的新纪元.1973年,石油大危机的爆发大大促使人们对替代能源尤其是太阳能的研究,其中光电化学反应体系被认为是一种有效利用太阳能的手段,引起了科学家广泛的兴趣.两年后,Honda 通过Ti 金属的表面氧化制备出多晶Ti O

2薄

膜并首次在户外使用.

半导体光电极的实验进展非常迅速,同步的理论研究也得到很快发展.而当时半导体固体结方面的理论已经比较完善,理论工作者尝试把半导体结的理论应用到光电化学领域中,他们把半导体电极与电解液的接触形成的结,简化成一个双电层模型,它能解释半导体光电化学中出现的很多实验现象,因此被认为是一个标准模型.从这个模型还可以得出在没有任何外加偏压情况下,如果想分解水必须满足的三个基本条件(见图2):(1)半导体带隙E g >1.23e V ,(2)半导体在标准氢电极(NHE )图中的导带位置CB 要比H +

/H 2的氧化还原电位更负,(3)半导体的价带位置VB 要比O 2/H 2O 的氧化还原电位更正.

图2　半导体光电极受光激发后的电子传输示意图

在光的照射下,半导体电极受光激发产生的电

子流入电极表面与H 2O 的H +

反应生成H 2,而H 2O 中的OH -

则将电子传递到半导体的价带,自身被氧化而形成O 2.这样半导体才能达到电荷平衡而保持稳定.主要的光电极反应如下:

Sem iCond +h

υ→e -+h +,(1)物理学和高新技术

e-+H+→1/2H2,(2)

h++OH-→1/2O2,(3) Sem iCond+h+→M x++1/2O2,(33)其中,Se m i Cond代表半导体光电极,M x+代表光电极中的金属阳离子,(33)式是半导体光电极的腐蚀的化学反应,大部分情况下,两种电极反应(3)、(33)同时存在,因此,光电极的腐蚀问题也成为光电极应用中的一个很大障碍.

2　半导体异质结光电极的发展

Ti O2虽然具有优异的光电特性,但其在太阳能利用方面依然存在很多困难.最主要的困难在于Ti O2的带隙太宽,大约3.2eV,只能吸收太阳光谱里占能量很少一部分的紫外光.而太阳光中占总能量约50%的可见光没能得到利用,所以导致Ti O

2

光电极对太阳光的利用率低.

为了提高Ti O

2

对可见光的光响应,Maruska

等[3]通过理论计算发现Ti O

2

的光响应与入射光波长、载流子扩散长度、势垒宽度等参数有关,于是想靠改变这些参数来提高光电极的转换效率.为了到

达这个目的,他们在Ti O

2

单晶中掺入A l,Cr等离子.计算表明,如果少数载流子的扩散长度越大,则

光响应越大.实验测得掺杂A l的Ti O

2

的载流子扩散长度4.5μ(μ是迁移率),而未掺杂的只有1.2μ,

因此提高了Ti O

2

单晶在紫外光区的光电转换效率,

使Ti O

2

的量子效率(流过外电路的电子的数目与特定波长入射光子数之比)在波长<360nm时达到80%,而未掺杂的Ti O2单晶的量子效率约为其1/10.然而A l掺杂的Ti O2并没有扩大吸光范围,对

提高太阳光的利用效率有限.通过Cr掺杂的Ti O

2单晶则扩大了其吸光范围,使其在可见光波段有光响应,但是在紫外光下的光电转换效率又大大降低,导致整体太阳能利用效率也没有很大改善.

当时研究者对光电极的研究范围仅限于单晶,可是很多单晶样品难于制备,导致光电极材料的选择受到很多限制.1977年,Bard等人提出光电极要大规模应用必须满足容易制备、成本低、长期稳定性和吸光范围大等特性[4].他们发现用CVD方法生长

出的Ti O

2和Fe

2

O3多晶样品的光电转换性能接近

单晶的水平,研究多晶薄膜可以很快得到一种新材料光电极的光电流和稳定性等方面的信息.Bard也

研究了其他氧化物,如V

2O5,WO3,B i2O3,PbO,

CuO,Cr2O3,CoO,CdO,Mn O2,Sr O等多晶薄膜,发现

Fe2O3和WO3有窄的带隙、好的光稳定性以及相对

较高的光电转化效率.其他多晶材料有些不稳定,有

些则光电转换效率太低.他们采用多晶材料来研究

光电转换性能为后来的研究者提供了一个新的研究

方法,使得对电极材料的选择范围大大拓宽,也为找

到更有潜力的光电极材料提供了一个更好的途径.

除了用CVD方法制备多晶薄膜外,溶液热沉积、金

属氧化法、溶胶凝胶法、电沉积等制备手段也用来制

备光电极.不过单晶光电极样品在研究载流子输运、

界面问题等基础研究方面依然有不可替代的作用.

在寻找新的光电极材料过程中,研究人员发现

一般宽带隙材料具有良好的光稳定性,但不吸收可

见光;而窄带隙材料吸收可见光,却又有光腐蚀性.

这样使得用制备单一电极来提高光电转换效率的方

法难以奏效.很自然的想法就是把宽带隙材料覆盖

在窄带隙材料上做成异质结电极,以避免窄带隙材

料与电解液直接接触,从而防止光电极腐蚀.1977

年,Woodall提出了SI E结构———半导体/绝缘体/电

解液[5],其中半导体指窄带隙半导体材料Ga A s,

Ga A l A s,而绝缘体指Ti O2,Sn O2,Nb2O5,A l2O3,Si3N4

等宽带隙材料,这种结构实际上是一个半导体异质

结.Woodall通过溅射的方法把Ti O

2

等覆盖在窄带

隙半导体上,在500W Xe灯照射下,除了Ti O

2

覆盖

的光电极光电流达到100—200μA/c m2外,其他SI E

结构的光电流比没有覆盖的要小好几个量级,只有

几个μA/c m2.Woodall还考察了光激发的窄带隙半

导体内的空穴是否穿过宽带隙半导体而到达电解液

中.他们用波长>480nm的光照射在Ti O

2

/GaA s/Pt

上(Ti O

2

薄膜厚度约为40nm),如果还有光电流产

生的话,则可以判断Ti O

2

薄膜中有空穴的输运,否

则就没有,结果表明在这种结构中Ti O

2

不能起到传

输载流子的作用.尽管Woodall等人尝试各种方法

把覆盖的宽带隙材料做得更加致密均匀,但窄带隙

半导体的光腐蚀依然无法避免.

Bard等人也利用CVD方法把Ti O2多晶膜覆盖

在窄带隙半导体(n-Si,p-Si,n-CdS,n-Ga A s,

n-GaP,n-I nP)上[6],当Ti O2薄膜是致密无裂痕

时,窄带半导体的光腐蚀被大大抑制,但是光电流还

不如单纯的Ti O

2

光电极的光电流大.Bard用一种简

化的异质结模型(见图3)来说明光电流减小的原

因.由图可以看出:由于Si的导带位置比Ti O

2

更

高,Ti O

2

受光照激发产生的电子要传输到Si上要越

过很大的界面势垒.同时Ti O

2

的价带又大大低于Si

物理学和高新技术

的价带,如果没有极大的能带弯曲,窄带隙半导体激发的空穴不可能移动到Ti O 2的价带.因此,Ti O 2就不能起到传输空穴的作用.Woodall 和Bard 的异质结研究只考虑了两种半导体的能带大小,没有考虑到能带匹配,是导致异质结光电流没有很大改善的一个重要原因

.

图3　Ti O 2/Si 异质结接触前和接触后的能带结构图

为抑制窄带半导体光腐蚀,Woodall 和Bard 在实验过程中必须保证宽带半导体薄膜致密牢固地覆盖在窄带隙上,这给电极制备带来很多困难.如果窄带隙半导体用稳定的氧化物,可能会有更好的稳定性和更高的转换效率.1982年,L i ou 等人总结了当时所报道的各种实验结果

[7]

,选择了Ti O 2/Fe 2O 3组

合,这两种半导体都有很好的光稳定性,且Fe 2O 3的带隙只有约2.2e V ,能够扩大对可见光的吸收范围.他们在实验中选用铁片作为衬底在1100℃高温下氧化得到暗红色的Fe 2O 3薄膜,然后用CVD 方法在Fe 2O 3上生长一层约120n m 厚Ti O 2多晶薄膜.实验

结果表明Ti O 2/Fe 2O 3/Fe 异质结的光电流比Fe 2O 3的光电流大,但比Ti O 2的光电流小.在他们的实验中还发现一个新的实验现象,就是在波长>420n m 光照下,一个很小的偏压(0.1V 以上)依然能使双层膜有光电流产生,这说明Fe 2O 3受激发产生的空穴能够经过Ti O 2薄膜而到达电解液中.而不是像上文Woodall 和Bard 等人提到的在Ti O 2/Ga A s,Ti O 2/n -Si 等异质结中Ti O 2薄膜中没有空穴的传输.此

后的十年间,为了提高半导体光电极的光电转化效率,很多研究者作出了努力,比如把不同带隙的半导体做成复合纳米颗粒薄膜Ti O 2/SnO 2[8]

,CdS/Ti O 2

[9]

,CdSe /Ti O 2

[10]

,Fe 2O 3/Ti O 2

[11]

,

Ti O 2/

I n 2O 3

[12]

等,发现它们比单纯Ti O 2纳米颗粒光电流

虽有所增大,但增加有限.

3　染料敏化太阳能电池

20世纪90年代以来,纳米科学的兴起和迅速

发展大大推动了物理、化学、材料科学等学科的发展,也促进了半导体光电极的研究.瑞士联邦技术研究所的Gratzel 等人发现用Ru 的络合物敏化Ti O 2纳米颗粒薄膜具有很高的太阳能利用效率.这一成

果发表在1991年的Nature 杂志上[13]

,他们采用溶胶凝胶方法在导电玻璃上沉积一层Ti O 2纳米颗粒

薄膜,薄膜厚度约为10

μm ,Ti O 2平均尺寸15nm.制备过程中加入聚合物,表面活性剂使Ti O 2膜中出现

孔结构.在薄膜表面吸附单分子层Ru 的配合物

RuL 2(u (CN )Ru (CN )L 2′

)2,其中L 是联吡啶44′二羧酸,L ′是联吡啶.它可以将薄膜的吸收波段扩展到750nm.由于这种染料分子的LUMO

比Ti O 2的导带位置更负,因此受激发的染料分子能够将电子直接注入到Ti O 2颗粒中,然后经过Ti O 2薄膜传输到透明电极上,电子通过外电路传输到对电极上,电解液再把对电极上的电子传输到染料分子的HOMO 轨道,形成了一个电子的循环回路.这种电极结构把光子的捕获和光生载流子的传输两种功能分开,正是由于染料/半导体结的存在,使得光生电子直接注入到Ti O 2薄膜内,而不是与空穴复合,这样既提高了量子效率,又扩大了对光的吸收范围,因此大大提高了对太阳能的利用效率.这种电池在太阳光直接照射下,效率达到7.12%,如果采用漫反射技术的太阳光照射,可以将效率提高到12%的水平,这个转化效率已经超过普通非晶硅太阳能电池,而且成本更加低廉.这是自半导体光电极发现以来,第一次将太阳能的利用效率提高到实用化的水平.由于染料分子体积较大,不能进入Ti O 2多孔膜的小孔中去,使其能吸附的染料较少,吸收可见光的能力较低.如果能够制备出更大的孔结构或者换用其他更小的高效注入的染料分子,将可以进一步提高敏化太阳能电池的太阳能利用效率.此外Ti O 2电极也可以用其他一些能够吸收可见光的异质结材料替代,从而减少染料使用量.

4　非Ti O 2异质结光电极的进展

无论是敏化太阳能电池,还是半导体异质结的研究依然围绕Ti O 2展开,这与当时光电极材料的选择有限有关,想找到带隙大小匹配,导带价带相对位

物理学和高新技术

置匹配且稳定的半导体系列很困能.Bard 等人在异质结研究过程中得到的实验结果不理想,主要原因是由于他们只考虑了带隙的大小与光电极的稳定性,而忽视了能带匹配问题.如果能够解决这一问题,异质结光电极依然是一种提高光电转化效率的有效途径.最近在光催化领域发现了大量具有很高

光催化活性的多元金属氧化物材料[14]

,如果能够把这些新材料做成光电极甚至异质结的话,可能使光电极的光电转化效率得到更大提高.

为此我们设计了一种异质结结构,见图4.当光从宽带隙一侧入射时,宽带隙导带上受激发产生的电子向窄带半导体的导带迁移.而空穴的迁移则正好相反.从窄带隙材料价带迁移到宽带隙材料上.由带隙不同的I n Nb O 4和I nTa O 4组成的异质结可以吸收不同的波段的太阳光,扩大对光的吸收范围,并且能够从空间上使电子空穴分离,减少复合几率,从而提高光电极的光电转换效率

.

图4　作者设计的异质结能带结构图以及光照后电子传输过程

作者已经制备了几种异质结电极,并对他们的

光电化学性质作了表征,得到了一些有意义的实验结果.在光电极制备过程中发现各种材料的成相温度,衬底的选择,以及界面扩散等因素都对异质结的光电化学性质产生重要影响.

5　总结与展望

从Becquerel 对卤化银的研究开始,到B rattain

对Ge 半导体的研究,半导体光电极的发展经历了很多阶段.Honda 等人发现Ti O 2光电极在紫外光照射下能够产生氢气和氧气,其巨大的应用前景一直吸引着众多研究者从事相关研究工作.他们在寻求新的光电极材料方面作了很大努力,测试了很多半导体的光电化学性能,为异质结光电极进一步研究打下了基础.染料敏化太阳能电池的突破又给半导体光电极研究注入了一股新的活力,指出了一个新的研究方向.如果把异质结光电极应用染料敏化太阳能电池中,势必会使其太阳能转化效率,达到更高的水平,为最终解决人类能源问题提供了新途径.

参考

文

献

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2002,14:2812

物理学和高新技术

光电化学电池的发展和未来发展趋势

光电化学电池的发展和未来发展趋势 1508471008赵世南随着人类的工业文明得以迅猛发展，由此引发的能源危机和环境污染成为急待解决的严重问题，利用和转换太阳能是解决世界范围内的能源危机和环境问题的一条重要途径。世界上第一个认识到光电化学转换太阳能为电能可能实现的是Becquere，他在1839年发现涂布了卤化银颗粒的金属电极在电解液中产生了光电流，以后Brattain、Garrett及Gerisher等人先后提出和建立了一系列有关光电化学能量转换的基本概念和理论，开辟了光电化学研究的新领域。 光电化学池即通过光阳板吸收太阳能并将光能转化为电能。光阳板通常为光半导体材料，受光激发可以产生电子——空穴对，光阳极和对极（阴极）组成光电化学池，在电解质存在下光阳极吸光后在半导体带上产生的电子通过外电路流向对极，水中的质子从对极上接受电子产生氢气。 光电化学池中染料敏化纳米晶光电化学电池以其低成本和高效率而成为硅太阳能电池的有力竞争者。染料敏化太阳电池主要由透明导电玻璃、TiO2多孔纳米膜、电解质溶液以及镀铂镜对电极构成的“三明治”式结构。与p-n结固态太阳能电池不同的是，在染料敏化太阳电池中光的吸收和光生电荷的分离是分开的。染料敏化太阳能电池(DSSC)是由二氧化钛多孔膜、光敏化剂（染料）、电解质（含氧化还原电对）、镀铂对电极及导电基板组成的夹层结构。 光电化学池中染料敏化纳米晶光电化学电池其基本工作原理是：在染料分子的激发态、TiO2导带、SnO2（导电玻璃）导带、Pt（对电极）功函之间存在着一个能级梯度差，当染料分子吸收太阳光其中基态的电子受光激发跃迁到染料激发态能级后，在能级差的驱动下，电子将会迅速转移到TiO2导带中，经纳米晶TiO2膜空间网格的输运进入到SnO2导带，后经外路到达对电极，并与氧化还原电对进行电子交换后，依靠氧化还原电对在氧化态染料和对电极间完成电子转移，从而实现整个光电循环。 染料敏化太阳能电池的核心部分是纳米多孔半导体氧化物薄膜电极。敏化染料中染料分子是染料敏化太阳能电池的光捕获天线，是染料敏化太阳能电池的一个重要组成部分，它的作用就是吸收太阳光，将基态电子激发到高能态，然后再转移到外电路，它的性能是决定电池转换效率的重要因素之一。整个光电转换的性能决定于染料能级与TiO2能级的匹配情况以及它对太阳光谱的响应性能。到目前，最有效的敏化染料是含有4,4-二羧基-2,2-联吡啶配体的钌有机配

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是更长时间以来太阳能辐射到地球上的一部分能源储存到古生物，经沧海桑田的变化而演化成今天地球上的能源矿藏。经过人类数千年，特别是近百年的消费，这些化石能源已经被消耗了相当的比例。随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持续增长，世界上的化石能源消费总量总有一天将会到达极限[1]。太阳能电池作为解决人类所面临的能源与环境问题的最佳选择，具有来源广泛、使用方便、无污染等优点，在航空、航天、通讯及微功耗电子产品等领域具有广阔的应用前景［2］，因而逐渐成为研究的重点方向和主流。太阳能电池， 一种利用光生伏特作用直接将太阳能转换为电能的光电池，自问世以来，受各国专家的重视，且迅速发展。因其具有众多优点，将在更多的领域中有广泛的应用。因此，对其的组成及原理的研究有着极其重要的作用。本文在对太阳能电池基本原理进行介绍的基础上，综述了近年来光电转换材料的发展情况，重点对各种材料的优缺点、制备方法以及未来的发展趋势进行探讨[3]。 2、太阳能电池的基本原理 太阳能电池的基本原理［4］: 当电池的表面受到光照时，由于减反射膜的作用，入射光线小部分被反射，大部分进入光吸收层。其中，能量大于禁带宽度的光子被吸收后，激发出光生载流子。在电池内部产生的光生电子－空穴对扩散到PN 结并受结电场影响而分开。太阳能电池的PN 结处存在一个由N 区指向P 区的内电场。在N 区产生的光生空穴会向PN 结扩散，进入PN 结后，即被内电场推向P 区; 在P

太阳能电池工作原理和应用

太阳能电池的分类简介 （1）硅太阳能电池 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%（截止2011，为18%）。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 薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代 产品。 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%（截 止2011，为17%）。因此，多晶硅薄膜电池不久 将会在太阳能电池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的主要发展产品之一。

2）多晶体薄膜电池 多晶体薄膜电池硫化镉、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。 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。但是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。 （3）有机聚合物电池 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，成本低等优势，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，还有待于进一步研究探索。 （5）有机薄膜电池 有机薄膜太阳能电池，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。大家对有机太阳能电池不熟悉，这是情理中的事。如今量产的太阳能电池里，95%以上是硅基的，而剩下的不到5%也是由其它无机材料制成的 6）染料敏化电池 染料敏化太阳能电池，是将一种色素附着在TiO2粒子上，然后浸泡在一种电解液中。色素受到光的照射，生成自由电子和空穴。自由电子被TiO2吸收，从电极流出进入外电路，再经过用电器，流入电解液，最后回到色素。染料敏化太阳能电池的制造成本很低，这使它具有很强的竞争力。它的能量转换效率为12%左右。 （7）塑料电池 塑料太阳能电池以可循环使用的塑料薄膜为原料，能通过“卷对卷印刷”技术大规模生产，其成本低廉、环保。但塑料太阳能电池尚不成熟，预计在未来5年到10年，基于塑料等有机材料的太阳能电池制造技术将走向成熟并大规模投入使用。 太阳能工作原理 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能发电有两种方式，一种是光一热一电转换方式，另一种是光一电直接转换方式。其中，光一电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光一电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种大有前途的新型

(完整版)光电材料

目录 目录 ------------------------------------------------------------------------------------------- 1 1前言----------------------------------------------------------------------------------------- 2 2 有机光电材料 ------------------------------------------------------------------------------ 2 2.1光电材料的分类 --------------------------------------------------------------------- 2 2.2有机光电材料的应用 ---------------------------------------------------------------- 3 2.2.1有机太阳能电池材料--------------------------------------------------------- 3 2.2.2有机电致发光二极管和发光电化学池 --------------------------------------- 4 2.2.3有机生物化学传感器--------------------------------------------------------- 4 2.2.4有机光泵浦激光器 ----------------------------------------------------------- 4 2.2.5有机非线性光学材料--------------------------------------------------------- 5 2.2.6光折变聚合物材料与聚合物信息存储材料 ---------------------------------- 5 2.2.7聚合物光纤------------------------------------------------------------------- 6 2.2.8光敏高分子材料与有机激光敏化体系 --------------------------------------- 6 2.2.9 有机光电导材料 ------------------------------------------------------------- 6 2.2.10 能量转换材料 -------------------------------------------------------------- 7 2.2.11 染料激光器----------------------------------------------------------------- 7 2.2.12 纳米光电材料 -------------------------------------------------------------- 7 3 光电转化性能原理 ------------------------------------------------------------------------- 7 4 光电材料制备方法 ------------------------------------------------------------------------- 8 4.1 激光加热蒸发法 ------------------------------------------------------------------- 8 4.2 溶胶-凝胶法 ---------------------------------------------------------------------- 8 4.3 等离子体化学气相沉积技术（PVCD）------------------------------------------ 9 4.4 激光气相合成法 ------------------------------------------------------------------ 9 5 光电材料的发展前景---------------------------------------------------------------------- 10

太阳能光热光电综合利用

本文由hpshu贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 2009 年第 1 期 上海电力 可再生能源发电 太阳能光热光电综合利用 倪明江 ,骆仲泱 ,寿春晖 ,王 ,赵佳飞 ,岑可法涛 ( 浙江大学能源清洁利用国家重点实验室 ,浙江杭州 310027) 摘 : 太阳能光热光电的综合利用技术是将聚光、要分光、热电联用等技术集成 ,通过对太阳能全波段能量进行一体化地利用 ,可极大地提高太阳能的利用效率 ,降低成本 ,具有重要的研究价值和市场应用价值。文章介绍了太阳能光热光电综合利用系统的技术情况 ,分别对集中式和分布式两种技术路线作了阐述 ,分析了聚光 PV/ T 系统以及与建筑一体化设计的 PV/ T 系统的未来发展方向。最后 , 结合各类太阳能利用系统的特点 , 比较分析了各种光热光电技术存在的问题 ,提出了综合利用各种光热光电技术来提高应用效果的理念。关键词 : 太阳能利用技术 ; 热发电 ; 聚光热电联用 ; 光热光电综合利用中图分类号 : T K513 文献标识码 :A 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目(50676082) 1 引言 传统化石能源的大量使用 , 不仅造成了化石能源本身的短缺 , 也给世界环境带来了极大的危害 ,给人类生存空间造成了严重威胁。寻求可再生能源的高效清洁利用成了目前人类面临的共同问题 [ 1 ,2 ] 发展。而以现今的发展趋势来看 , 太阳能热力发电和光伏发电将是世界各国在太阳能利用领域研究的新重点。 2. 1 热利用 太阳能热利用方面 , 中国已成为世界上最大的太阳能热利用产品的生产、应用和出口的国家。 2007 年 ,集热器总保有量约为 10 800 万 m2 。热 。太阳能作为可再生清洁能源蕴藏着巨 15 大能量 ,被普遍认为是理想的新能源。太阳辐射到达地球表面的能量高达 4 ×1 0 5 利用形式多样 , 包括了太阳能热水器、太阳能空调、太阳能干燥和太阳能海水淡化等。 ( 1 ) 太阳能热水器太阳能热水器是太阳能热利用中最常见的一种装置。其基本原理是将太阳辐射能收集起来 , 通过与物质的相互作用转换成热能供生产和生活利用。我国是世界上最大的太阳能热水器制造中心 , 由我国生产的集热器推广面积约占世界的 76 % 。随着太阳能热水器的发展 ,出现了闷晒式、 M W , 相当于 每年 3. 6 ×亿 t 标准煤 ,约为全球能耗的 2000 10 倍。太阳能可以免费使用 ,又不需要运输 ,对环境无任何污染。在传统化石能源储备减少、价格快速上升 ,在温室气体排放引发的气候环境问题愈来愈显著的今天 , 太阳能作为可再生能源和新能源的代表 , 得到越来越多的关注 , 太阳能的利用、太阳能材料及相关技术的开发在世界范围内引起了重视

太阳能电池的的性能主要取决于它的光电转换效率和输出功率

太阳能电池板 太阳能电池的的性能主要取决于它的光电转换效率和输出功率. 1.效率越大,相同面积的太阳能电池板输出功率也就越大, 用高效率的太阳能电池板可以节省安装面积, 但是价格更贵. 2.太阳能电池的功率, 在太阳能电池板的背面标牌中, 有关于太阳能电池板的输出参数, 如VOC开路电压,ISC短路电流,VMP工作电压,IMP工作电流, 等. 但我们只需要用工作电压和工作电流就可以了, 这两个相乘就可以得这块太阳能电池板的输出功率. 太阳能电池板介绍：采用高质量单晶/多晶硅材料,经精密设备树脂封装生产出来的太阳能板,有良好的光电转换效果,外形美观,使用寿命长。 太阳能电池板的作用是将太阳的光能转化为电能后，输出直流电存入蓄电池中。太阳能电池板是太阳能发电系统中最重要的部件之一。 太阳能电池组件可组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。太阳能电池板的功率输出能力与其面积大小密切相关，面积越大，在相 同光照条件下的输出功率也越大。 2.太阳能电池板的种类 (1)单晶硅太阳能电池 目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。 (2)多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12%左右(2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。 ：

太阳能电池的的性能主要取决于它的光电转换效率和输出功率

太阳能电池板太阳能电池的的性能主要取决于它的光电转换效率和输出功率. 1.效率越大,相同面积的太阳能电池板输出功率也就越大, 用高效率的太阳 能电池板可以节省安装面积, 但是价格更贵. 2.太阳能电池的功率, 在太阳能电池板的背面标牌中, 有关于太阳能电池 板的输出参数, 如VOC开路电压,ISC短路电流,VMP工作电压,IMP工作电流, 等. 但我们只需要用工作电压和工作电流就可以了, 这两个相乘就可以得 这块太阳能电池板的输出功率. 太阳能电池板介绍：采用高质量单晶/多晶硅材料,经精密设备树脂封装生产出来的太阳能板,有良好的光电转换效果,外形美观,使用寿命长。 太阳能电池板的作用是将太阳的光能转化为电能后，输出直流电存入蓄电池中。太阳能电池板是太阳能发电系统中最重要的部件之一。 太阳能电池组件可组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。太阳能电池板的功率输出能力与其面积大小密切相关，面积越大，在相同光照条件下的输 出功率也越大。 2.太阳能电池板的种类 (1)单晶硅太阳能电池 目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。 (2)多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12%左右(2004年7月1日日本夏普上市效率为%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单 晶硅太阳能电池还略好。

光电化学电极的研究及其在太阳能转化方面的应用

物理学和高新技术 光电化学电极的研究及其在太阳能转化方面的应用 3 罗文俊 于　涛 邹志刚 (南京大学物理系　环境材料与再生能源研究中心　南京　210093) 摘　要 Ti O 2半导体光电极的发现引发了科学界大量关于半导体光电极的研究.目前,对Ti O 2的掺杂,对新材料的探索以及对异质结的深入研究,目的都是为了提高半导体光电极的太阳光利用效率.敏化太阳能电池的出现是半导体光电极在实用化方面迈进的一大步.文章简述半导体光电极的研究历史,并对该领域将来的研究方向进行了展望. 关键词 半导体光电极,异质结,染料敏化,太阳能 Se m i conductor photoelectrodes and thei r appli ca ti ons i n sol ar energy conversi on LUO W en 2Jun Y U Tao Z OU Zhi 2Gang (Eco m aterials and Rene w able Energy Research Center ,D epart m ent of Physics ,N anjing U niversity,N anjing 210093,China ) Abstract Since it was found that Ti O 2phot oelectrodes can s p lit water into H 2and O 2directly under UV irradi 2ati on,much research has focused on sem iconductor electrodes,including doped Ti O 2,new materials,and heter o 2juncti ons,in efforts t o i m p rove the conversi on efficiency of solar energy .Subsequently,the appearance of dye -sensitized solar cells made sem iconduct or electr odes p ractically feasible .The hist orical devel opment of sem icon 2duct or photoelectrodes is briefly introduced,and their future p r os pects discussed . Keywords sem iconductor phot oelectr odes,heterojunction,dye -sensitized,s olar energy 3　国家自然科学基金(批准号:20373025,50472067)、2005年度教 育部留学回国人员科研启动基金资助项目 2005-05-26收到初稿,2005-09-16修回 　通讯联系人.Email:yutao@nju .edu .cn 能源和环境问题是人类在21世纪面临的两大 主要难题,如何解决这两大难题给人类提出了巨大挑战.在能源方面,太阳能和氢能被认为是本世纪最有可能逐步代替化石能源的绿色能源.但是目前生产氢气的成本太高,探索降低生产氢气成本的新方法、新工艺已经成为当前世界各国亟待解决的战略问题.采用半导体光电极的技术,利用太阳能制备氢气或者直接将太阳能转化成电能被认为是最有希望的研究方向之一. 1　半导体光电极的发现 1839年,Becquerel 在巴黎的一次学术会议上报 道了他的研究结果 [1] .他在两种不同的金属电极上 镀一层卤化银作为电化学电池的电极,浸泡在电解液中,当让光照射到其中一根电极上时,他惊奇地发现在外电路中有电流通过.当时Becquerel 只有18岁,受实验条件和认识水平的限制,他在这一方面并没有做更为深入的研究. 直至20世纪50年代,随着半导体工业的迅速发展和半导体理论的日渐成熟,众多科学家在半导体材料及半导体器件方面做了大量的研究工作,积累了丰富的实验数据,半导体材料以其特殊的光电性质,在电化学研究中作为电极发挥了重要作用.诺

光电转换原理

光纤系统光接收部分光电转换原理 光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将来自光纤的光信号转换成电信号，恢复光载波所携带的原信号。图4.3.1-8给出了数字光接收机的组成框图。 1.光检测器 光电检测器是光接收机的第一个关键部件，其作用是将由光纤传送来的光信号转换成电信号。光电检测器主要有PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD两种。PIN管使用简单，只需10~20V 的反向偏压，但PIN管没有增益。APD管具有10~200倍的增益，可以提高光接收机的灵敏度，但需要几十伏以上的偏压，增益特性受温度的影响较严重 2、前臵放大器 经光电检测器检测到的微弱的信号电流，流经负载电阻建立起信号电压后，由前臵放大器进行预放大。除光电检测器性能优劣影响光接收机的灵敏度之外，前臵放大器对光接收机的灵敏度有十分重要的影响。为此，前臵放大器必须是低噪声、宽频带的放大器。 3.主放大器 主放大器用来提供高的增益，将前臵放大器的输出信号放大到适合判决电路所需的电平。前臵放大器的输出信号电平一般为mV量级，而主放大器的输出信号电平一般为1~3V。 4、均衡器 光在光纤中传输时，由于将受到色散的影响，信号将发生畸变与展宽，使码元间相互影响，出现误码。均衡器的作用是对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形，使之成为最有利于判决、码间干扰最小的波形，通常为升余弦波 5、判决再生与定时提取 判决即是用一判决电平与均衡器输出信号进行比较，当在判决时刻输出的电压信号比判决电平高，则判断为“1”码，否则判断为“0”码。这样，可在判决再生电路的输出端得到一个和发送端发出的数字脉冲信号基本是一致由矩形脉冲组成的数字脉冲序列。为了精确地确定“判决时刻”，就需要从信号码流中提取准确的定时信息用来标定，以保证和发送端一致。这个工作由“定时提取”电路来完成。 6、峰值检波器与AGC放大器

太阳能光电_光热综合利用系统

引言 随着节能减碳问题的日益紧迫，可再生能源的 开发利用受到了越来越多的关注。 而太阳能作为一种储量巨大，分布广泛，清洁安全的新能源，已经在世界范围引起了广泛的重视。太阳辐射到达地球表面的能量高达4×1015MW ，约为全球能耗的2000倍。目前太阳能的主要利用方式有：太阳能光伏发 电、太阳能热发电、太阳能制氢、太阳烟囱、太阳能 制冷、 太阳能热水器等。其中太阳能光伏利用技术已经日益成熟，从光伏电站到太阳能路灯，太阳能光伏技术已经被广泛应用。但在太阳能光伏利用方面仍存在两个亟待解决的问题：光伏发电成本较高以及光电转化效率相对较低。 工业生产的晶体硅太阳电池转化效率大约在16%~17%，转化效率较高 摘 要：太阳能储量巨大，分布广泛，清洁安全。但太阳能光伏发电存在成本较高和能量转化效率较 低的问题。因此本文提出太阳能光电-光热综合利用方式。通过聚光降低成本，通过分频综合利用提高系统效率。在分频利用技术上，寻找具有特定吸收发射特性的纳米流体流经光伏电池上层，吸收光伏电池不能加以利用的部分能量。此外，利用光学薄膜，将光伏电池可利用的波段反射给光伏电池，其余部分的能量透射用以其他形式的能量转换。文章对两种太阳能光电-光热综合利用系统进行了设计和探索。结果表明，通过光电-光热综合利用能够对太阳能利用效率实现有效提升。 关键词：太阳能；分频；纳米流体；光学薄膜；综合利用 Solar Energy Optic-Electro and Optic-Thermal Composite Utilization System Wei wei ，Luo zhong yang ，Zhao jia fei ，Shou chun hui ，Zhang yan mei ，Wu ting ting ，Ni ming jiang Abstract:solar energy is enormously reserved,widespread,safe and clean.But solar energy photovoltaic power cost is high and its conversion efficiency is low.So this article brings up Solar energy optic-electro and optic-thermal composite utilization.Through spotlights cost reducing and frequency division utilization it improves system efficiency.Based on frequency division technology,some specific absorption -emission characteristic nanometer fluid passing above photovoltaic battery will absorb some energy which can not be used by photovoltaic batter.Otherwise it will use optical thin-film to reflect some wave band which photovoltaic battery can use to photovoltaic battery,as for the rest energy,it will transmit into other means of conversion.This article discuss two ways of solar energy,designs and explores optic -electro and optic -thermal composite utilization system.The results shows that solar energy use efficiency improves a lot through optic-electro and optic-thermal composite utilization. Keywords:solar energy,frequency division,nanometer fluid,optical thin -film,composite utilization 太阳能光电-光热综合利用系统 魏 葳1骆仲泱1赵佳飞1，2寿春晖1张艳梅1武婷婷1倪明江1 1浙江大学能源清洁利用国家重点实验室 2大连理工大学海洋能源利用与节能教育部重点实验室

光电转换原理及电光转换原理

二、光电转换原理及电光转换原理 1．光电转换原理 光电转换是靠摄像管来完成的，其结构如图1-4所示： 图1-4 光电导摄像管 ⑴组成 ①电子枪灯丝用来加热阴极 阴极发射电子 栅极控制电子流的大小 （第一阳极）加速极（A1），加有300V电压 （第二阳极）聚焦极（A2）加有0-300V 的电压 网电极与A2 连在一起，在靶前形成均匀减速电场， 从而使电子束在靶面能均匀垂直上靶。 ②光敏靶 光敏靶是由几层不同的半导体材料构成的，其厚度只有10-20μm。 朝向景物的一侧是信号板也叫信号电极，它是喷涂在玻璃上的一层透明 金属导电层，在信号板的另一侧，则蒸镀了一层具有内光电效应的光敏半 导体材料。该材料在光的照射下电导率增加（即电阻减少），被摄景物各部 分亮度不同，靶面上各部分的电导率相应变化，与较亮像素对应的靶单元 电阻较小，而且各靶单元相互绝缘。于是图像上的不同亮度就变成了靶面 上各单元的不同电导率（即电阻）。 ⑵工作过程 当摄像管加上正常的工作电压时，阴极便向外发射电子，并在加速极和 聚焦电场的作用下，形成很细的一束电子流射向靶面，如图1-5 所示。 当电子束射向靶面某点时，便把该点对应的等效电阻R接入信号检，并 与负载电阻RL、电源 E 构成一个回路。如下图，于是回路便有电流产生，即I=E/（RL +R1）） 当对应的像素发生变化时，R 便发生变化，于是I 也发生变化。I 流过 负载RL 时，在RL 两端形成变化的电压VRL，由于这个电压反应了对应像素亮度随时间的变化，因而便为图像信号。 当在偏转磁场的作用下，电子束按照从左到右，从上到下的规律扫描靶 面上各像素点时，便把按平面分布的各个像素的亮度依次转换成按时间顺 序传送的电信号，实现了图像的分解与光电转换。 图1-5 光电转换原理示意图 ⑶图像信号的极性 ①正极性。被摄景物上的像素越亮，对应的信号电平越高，称正极性。 ②负极性。被摄景物上的像素越亮，对应的信号电平越低，称负极性。2．电光转换原理 电光转换是靠显像管来完成的。其结构如下图1-6所示。 图1-6显像管结构示意图 ⑴结构 ①电子枪 灯丝阴极栅极加速极（第一阳极）二、四阳极（高 压阳极）聚焦极（第三阳极） ②玻璃外壳

陕西有色光电科技有限公司1Gwp太阳能光伏电池项目(一期500MW)电池厂房

陕西有色光电科技有限公司1Gwp太阳能光伏电池项目（一期500MW）电池厂房 变压器及开关柜 安装方案 编制： 审核： 批准： 信息产业电子第十一设计研究院科技股份有限公司 陕西有色光电项目部 2015年1月

目录 一、施工内容 (1) 二、编写依据 (1) 三、施工准备 (1) 四、施工安排 (2) 五、施工工艺控制 (2) 1、变压器安装 (2) 2、开关柜安装 (4) 3、母线安装 (5) 3、开关柜调试 (6) 六、安全管理 (7)

一期500MW电池厂房变压器及开关柜安装施工方案 一、施工内容 1、安装10KVA的室内变压器6台及附件，及母线桥等附件； 2、安装开关柜72台； 二、编写依据 1、《电气装置安装工程电力变压器、油浸电抗器、互感器施工及验收规范》 GBJ 148—1990 2、《电气装置安装工程质量检验及评定规程第3部分：电力变压器、油浸 电抗器、互感器施工质量检验》DL/T 5161.3—2002 3、《电气装置安装工程高压电器施工及验收规范》GBJ 147—1990 4、《电气装置安装工程母线装置施工及验收规范》GBJ 149—1990 5、《电气装置安装工程盘、柜及二次回路结线施工及验收规范》GB 50171 —1992 6、《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》GB 50150—2006 三、施工准备 1、施工现场作业环境已达到开工条件 （1）工程所需的变压器、开关柜、母线等施工材料已到位，施工图纸、厂家安装说明书等技术资料齐全； （2）开工所需的施工技术人员、机具齐全； （3）配电房已经验收合格，满足电气安装条件。 （4）施工现场的作业环境满足变压器、开关柜的吊装。 2、施工机具配备

薄膜太阳能电池光电转换材料研究进展

收稿日期：2009－12－07 基金项目：国防科技大学校预研项目（JC08－01－06） 作者简介：郑春满， 1976年出生，博士，副教授．主要从事能源材料研究。E －mail ：zhengchunman@sohu．com 薄膜太阳能电池光电转换材料研究进展 郑春满 郭宇杰谢凯韦永滔 （国防科技大学航天与材料工程学院，长沙410073） 文 摘 在对太阳能电池基本原理进行介绍的基础上，综述了近年来光电转换材料的发展情况，重点对各 种材料的优缺点、制备方法以及未来的发展趋势进行探讨。 关键词 太阳能电池，薄膜，光电转换材料，转换效率 Recent Progress in Developing Photoelectric Conversation Materials for Thin-Film Solar Cells Zheng Chunman Guo Yujie Xie Kai Wei Yongtao （Department of Material Engineering and Applied Chemistry ，School of Aerospace ＆Materials Engineering ， National University of Defense Technology ，Changsha 410073） Abstract The photoelectric conversation materials are the key part ，which decides the conversation efficiency of the thin-film solar cells．The photoelectric conversation materials that can be used in the thin film solar cells mainly include inorganic semiconductor materials and organic materials．In the present paper ，the basic principle of thin film solar cells is introduced and the development of the two materials is reviewed．The advantage and disadvantage ，the preparation methods and the future trends of every material are discussed． Key words Solar cells ，Thin-film ，Photoelectric conversation materials ，Conversation efficiency 1 引言 太阳能电池作为解决人类所面临的能源与环境 问题的最佳选择，具有来源广泛、使用方便、无污染等优点， 在航空、航天、通讯及微功耗电子产品等领域具有广阔的应用前景［1］ ，因而逐渐成为研究的重点方向和主流 ［2－3］ 。 薄膜太阳能电池具有轻质、高效、高比功率、耗材 少等一系列优点，可同时作为能源部件和结构部件使用 ［4］ 。在薄膜太阳能电池制备中，光电转换材料被 沉积在不同的基底上，如玻璃、不锈钢箔或聚合物等。因此，太阳能电池要求光电转换材料具有强烈的光吸收，低温结晶、低温器件制作和稳定的材料特性等，是关系电池转换效率的重要组成部分，因此一直是太阳能电池开发研究的重点 ［5］ 。 可用于薄膜太阳能电池的光电转换材料主要包括无机半导体材料和有机材料两类，本文在对太阳能电池基本原理进行介绍的基础上， 综述了近年来光电转换材料的发展情况，重点对各种材料的优缺点、制 备方法以及未来的发展趋势进行探讨。2 太阳能电池的基本原理太阳能电池的基本原理 ［6］ ：当电池的表面受到 光照时，由于减反射膜的作用，入射光线小部分被反 射，大部分进入光吸收层。其中，能量大于禁带宽度的光子被吸收后，激发出光生载流子。在电池内部产生的光生电子－空穴对扩散到PN 结并受结电场影响而分开。太阳能电池的PN 结处存在一个由N 区指向P 区的内电场。在N 区产生的光生空穴会向PN 结扩散，进入PN 结后，即被内电场推向P 区；在P 区产生的光生电子先向PN 结扩散，进入PN 结后，即被内电场推向N 区；而在PN 结区附近产生的电子—空穴对，则立即被内电场分别推向N 区和P 区。因此，在N 区积累了大量的光生电子，而P 区积累了大量空穴，在PN 结两侧出现了光生电动势。若在两边 的集电极间接上负载， 则会产生光生电流。如图1所

-纳米光电材料

纳米光电材料 1.定义：纳米材料是一种粒子尺寸在1到100nm的材料。纳米光电材料是指能够将光能转化为电能或化学能等其它能量的一种纳米材料。其中最重要的一点就是实现光电转化。 其原理如下： 光作用下的电化学过程即分子、离子及固体物质因吸收光使电子处于激发态而产生的电荷传递过程。当一束能量等于或大于半导体带隙( Eg) 的光照射在半导体光电材料上时，电子(e-) 受激发由价带跃迁到导带，并在价带上留下空穴(h + )，电子与孔穴有效分离，便实现了光电转化[1]。 2.分类：纳米光电材料的分类 纳米光电材料按照不同的划分标准有不同的分类，目前主要有以下几种： 1. 按用途分类：光电转换材料：根据光生伏特原理，将太阳能直接转换成电能的一种半导体光电材料。目前，小面积多结GaAs太阳能电池的效率超过40 %[2]。 光电催化材料：在光催化下将吸收的光能直接转变为化学能的半导体光电材料，它使许多通常情况下难以实现或不可能实现的反应在比较温和的条件下能够顺利进行。例如，水的分解反应，该反应的ΔrGm﹥﹥0在光电材料催化下，反应可以在常温常压下进行[3] 2. 按组成分类： 有机光电材料：由有机化合物构成的半导体光电材料。主要包括酞青及其衍生物、卟啉及其衍生物、聚苯胺、噬菌调理素等； 无机光电材料：由无机化合物构成的半导体光电材料。主要包括Si、TiO2、ZnS、LaFeO3、KCuPO4·6H2O、CuInSe2等； 有机与无机光电配合物：由中心金属离子和有机配体形成的光电功能配合物。主要有2，2-联吡啶合钌类配合物等[4]。 3. 按形状分类 纳米材料大致可分为纳米粉末、一维纳米材料、纳米膜等。 纳米粉：又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原