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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,是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中问物态的固体颗粒材料。

一维纳米材料:指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。分为纳米线和纳米管。纳米膜:纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起,中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜[5]。

纳米光电材料具有纳米材料的四种特性(量子、.....)

3.纳米光电材料的制备方法

制备纳米材料的方法有很多,根据不同的纳米光电材料及其用途有不同的制备方法。

1.化学沉淀法:

通过在原料溶液中添加适当的沉淀剂,让原料溶液中的阳离子形成相应的沉淀物(沉淀颗粒的大小和形状由反应条件来控制),然后再经过滤、洗涤、干燥、热分解等工艺过程而获得纳米粉体的方法。依其沉淀方式可分为:直接沉淀法和均匀沉淀法两种。TiO2常用此方法来制备。

2.溶胶凝胶法:

以无机盐或金属醇盐为前驱物,经水解缩聚过程逐渐凝胶化,然后作相应的后处理而得到所需的纳米粉体,溶液pH值、溶液浓度、反应时间和温度是影响溶胶、凝胶质量的主要因素。此方法也常用来制备TiO2。3.微乳法:

由水、油(有机溶剂)、表面活性剂及其助剂组成透明或半透明的,各相同性的热力学稳定体系。其中水被表面活性剂及其助剂单层包裹形成“微水池”,通过控制“微水池”的尺寸来控制粉体的大小,制备纳米物质。CdTe常用此法制备。

3.微乳法:

由水、油(有机溶剂)、表面活性剂及其助剂组成透明或半透明的,各相同性的热力学稳定体系。其中水被表面活性剂及其助剂单层包裹形成“微水池”,通过控制“微水池”的尺寸来控制粉体的大小,制备纳米物质。CdTe常用此法制备。

4.水热合成法:

在密闭体系中,以水或其他有机物作为溶剂,在一定温度和水的自生压强下,原始混合物进行反应的一种合成方法。由于反应在高温、高压、水热条件下,反应物质在水中的物性与化学反应性能发生了很大变化,而不同于一般制备方法。如制备ZnO、ZnSetc。

5.激光诱导气相沉积法:

它是利用反应气体分子(或光敏剂分子)对特定波长激光束的吸收,引起反应气体分子的激光分解、激光裂解、激光光敏化和激光诱导化学反应,获得超细粒子空间成核和生长。如制备CdMnTeetc。

二、纳米光电材料的问题及其发展

纳米光电材料要得到广泛的应用,必须具备良好的综合性能。

一个具有实际应用价值的半导体光电化学体系必须具有光照稳定性,高效和选择性,以及宽的光谱响应。而实际的纳米光电材料不能完全满足所有的要求。对其表面进行修饰非常必要,可以把光响应范围扩展至可见区,有效阻止电荷在转移过程的复合,从而提高对太阳能的利用并改善其催化活性。常见的方法有:染料表面敏化、鬼金属表面沉积、半导体复合等等

2.1染料表面敏化

目前研究非常的热门的染料敏化太阳能电池(DSSC)正是基于此。TiO2只对紫外光敏感,而染料吸附后可以吸收可见光区的能量,从而极大地提高太阳光的用效率。吸光后激发态的染料产生电子和空穴的分离,电子通过回路中时可以对外接负载供电。其原理图[6]如下:

(1)染料吸光激发DYE+hλ→DYE*

(2)激发态的染料分子将电子注入二氧化钛的导带DYE*-e→DYE+

(3)电子穿过二氧化钛进入外电路

(4)染料和电解液间发生下面反应,从而染料还原DYE++I-→DYE+I3-(5)从外电路流回的电子将还原e+I3-→I-(6)e(导带中)+DYE+→DYE(7)e(导带中)+I3-→3I-

目前,染料敏化太阳能电池正处于热门研究过程中并不断取得新进展,上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室[7],材料科学与工程学院张荻教授创立及领导的“遗态材料”科研小组“启迪于碟翅的染料敏化太阳能电池的创新研究”在国际范围内率先提出,通过遗态工艺,以蝶翅鳞片为生物模板,成功获取了保留原始蝶翅结构的TiO2材料。研究发现,相对于普通的TiO2薄膜,具有蝶翅

结构TiO2的光吸收率可提高2倍以上,以此为光阳极,可以大大提高光采集效率,进而有望提高该类太阳能电池的光电转换效率。

另外,日本九州岛大学的山田淳教授,日前开发出可以提高染料敏化型太阳能电池发电效率的技术[8]。新技术使用直径数纳米至数十纳米的金微粒子。在取出电力的电极表面,积层配置金的微粒子;金的微粒子表面,则涂上使光转换成电的染料phthalocyanine,以增加受光的表面积,提高发电效率。

2.2贵金属表面沉积

只要增加一层金属纳米粉末涂层,就能显着地改变硅薄膜型光电探测器的光吸收特性,通过精心选择纳米粉体涂层的材料和颗粒大小,可使光电响应的光谱范围由可见光和近红外区扩展到红外区。

三、纳米光电材料的应用

3.1纳米光电子技术应用概况

纳米光电材料的一项重要应用是制备纳米电子器件。目前,纳米光电子技术是一门新兴的技术,近年来越来越受到世界各国的重视,而随着该技术产生的纳米光电子器件更是成为了人们关注的焦点。到目前为止开发出了各种各样的纳米光电子器件,在这里主要介绍各类激光器

1.纳米导线激光器

2001年,美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在只及人的头发丝千分之一的纳米光导线上制造出世界最小的激光器一纳米激光器。这种激光器不仅能发射紫外激光,经过调整后还能发射从蓝色到深紫外的激光。研究人员使用一种称为取向附生的标准技术,用纯氧化锌晶体制造了这种激光器。他们先是“培养”纳米导线,即在金层上形成直径为20nm-150nm,长度为10000nm的纯氧化锌导线。然后,当研究人员在温室下用另一种激光将纳米导线中的纯氧化锌晶体激活时,纯氧化锌晶体会发射波长只有17那nm的激光。这种纳米激光器最终有可能被用于鉴别化学物质,提高计算机磁盘和光子计算机的信息存储量

2.紫外纳米激光器

3.量子阱激光器

3.2纳米光电材料的应用

3.2.1纳米颗粒在光电探测器中的应用

到目前为止,纳米尺度器件的可靠制备仍然是一个挑战。它要求纳米尺度精度的模板图案或所要合成材料的精确位置选择沉积。近几年,这种位置选择沉积得到了长足的发展,如化学官能团模板的选择性吸附或在亚微米尺度上的双向电泳(DEP)。DEP被证明是制备功能器件最常用的方法。WeijingYanetal通过ZnO纳米颗粒的双向电泳组装成了紫外探测器阵列[9]。

3.3纳米光电薄膜的应用

纳米光电薄膜可用于纳米硅异质二极管、纳米硅薄膜太阳电池、纳米硅薄膜紫外光电探测器等等诸多方面。这里简单介绍纳米硅薄膜紫外光电探测器的制备方法[11]。

1.电化学分解法在HF-H2O2中制备Si纳米晶;

2.P型衬底上生长500nm的氧化层;

3.氢氟酸在氧化层上刻蚀器件图形;

4.纳米Si晶沉积刻蚀图形中;

5.纳米Si晶膜上沉积Au(4nm),Au层之上和衬底背面沉积Au凸点以作为电极(暑假参观的光电薄膜工业园)

这方面进行过的研究课题

项目名称:基于纳米材料的太阳能光伏转换应用基

础研究

首席科学家:戴宁中国科学院上海技术物理研究所起止年限:2012.1至2014.8依托部门:上海市科委中国科学院

其中提到

纳米硅薄膜材料的生长

硅基太阳电池在光伏领域是不可或缺的。有序高电子迁移率纳米硅薄膜材料生长、能带结构调控以及光电输运特性方面的探索现在依然是研究热点,这些研究主要面向进一步提高太阳电池的性能和降低成本。通过生长条件调节晶粒大小或掺杂浓度,借助于纳米尺度效应和晶格应变技术可以调控纳米硅薄膜材料的光学带隙和电导率,以满足高效理想太阳能电池的需要。再加上我们所采用的等离子体增强化学气相沉积方法具有成膜温度低、制膜面积大、薄膜质量好、易调控和适用性强等优点,非常适合于大规模低成本工业化生产。

纳米硅薄膜太阳电池与其它硅系列太阳电池相比具有明显的优势。首先纳米硅薄膜同非晶硅薄膜的制备技术相容,只需在生产过程中增加反应气体中的氢稀释比。多晶硅薄膜的生长温度在650度以上,单晶硅材料的生长需要1000-1500度的高温,而纳米硅薄膜可以在不超过300度的温度下生长,能耗非常低,可以大大缩短能量回收期,非常有利于降低生产成本。同时纳米硅的低温生长条件也有利于在柔性衬底(如聚合物等)上制备太阳电池,使应用领域大为拓展,而且其耐高温性能优于晶体硅电池。与传统的单晶硅、多晶硅硅片(即wafer,目前厚度约180-350微米)比较,用纳米硅薄膜(厚度小于10微米量级)来制备太阳能电池可以节省更多的硅材料。

文件夹里有个ppt,里面有很多应用例子的图片,做的时候可以选一些放在ppt里。

我院博云新材也有专门做光电纳米的,在光伏电池板块应用前景广阔。文件夹里有截图