光電效應(yīng)與光伏電池(完整版)
【正文】 導(dǎo)電；半導(dǎo)體的價(jià)帶也是全滿的，但由于其具有較窄的禁帶寬度，所以在一定的條件下能夠?qū)щ姟? 化石能源行將枯竭帶給人類巨大的挑戰(zhàn)。 167。 ?外光電效應(yīng)：在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。 1887年 Heinrich Hertz在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，愛(ài)因斯坦因采用光量子 (photon)的概念成功的解釋了光電效應(yīng)而獲得了 1921年諾貝爾物理獎(jiǎng)。 167。 化石能源的開發(fā)利用造成環(huán)境污染。太陽(yáng)表面釋放的能量換算成電能的功率約為 1023KW左右，其中約 22億分之一到達(dá)地球，約 1014KW(,太陽(yáng)常數(shù) )，這相當(dāng)于現(xiàn)在地球上消耗能量的約 1萬(wàn)倍。常見的本征半導(dǎo)體有硅 (Si)、鍺 (Ge)、砷化鎵 (GaAs)等。 ?摻雜 5價(jià)元素磷后的示意圖： 黃色表示 P元素，紅色點(diǎn)表示多余的電子，它非?；钴S，容易流動(dòng)形成電流。 ②這種觀點(diǎn)中的光電效應(yīng)定義不同，即 photoemission非 photoelectric，其對(duì)應(yīng)的材料僅指的是金屬 。 ?光伏電池的主要性能參數(shù)有開路電壓 VOC、短路電流 ISC、最大輸出功率 Pm、填充因子 FF、能量轉(zhuǎn)換效率 PCE等。 A V 太陽(yáng)電池 電壓計(jì) 電流計(jì) 可變電阻 ? 除了以上 5個(gè)主要參數(shù)，有些文獻(xiàn)上還提到了其它參數(shù)，如光電轉(zhuǎn)換效率IPCE(monochromatic incident photontoelectron conversion efficiency )、外量子效率 EQE(external quantum efficiency )及內(nèi)量子效率 IQE(Internal Quantum Efficiency )。 單晶硅太陽(yáng)電池 塊狀多晶硅太陽(yáng)電池 第一代太陽(yáng)電池 Silicon based 多晶硅薄膜太陽(yáng)電池 薄膜多元化合物太陽(yáng)電池 單層結(jié)構(gòu) 雙層異質(zhì)結(jié) 本體異質(zhì)結(jié) 無(wú)機(jī) /有機(jī)雜化太陽(yáng)電池 非晶硅薄膜太陽(yáng)電池 疊層太陽(yáng)電池 染料敏化太陽(yáng)電池 量子點(diǎn)太陽(yáng)電池 熱載流子太陽(yáng)電池 多能帶太陽(yáng)電池 熱光伏太陽(yáng)電池 有機(jī)化合物太陽(yáng)電池 第二代太陽(yáng)電池 thin films 第三代太陽(yáng)電池 new concept ?硅材料太陽(yáng)電池： ①單晶硅太陽(yáng)電池： 以純度為 %的單晶硅棒為原料制作而成，工藝復(fù)雜，電耗很大。其光電轉(zhuǎn)換效率較低，為 10%左右，實(shí)驗(yàn)室可達(dá) %。此外，無(wú)機(jī)半導(dǎo)體中吸收一定能量的光子后將會(huì)產(chǎn)生分離的自由點(diǎn)子和空穴，而有機(jī)半導(dǎo)體中產(chǎn)生的電子將束縛在空穴周圍，形成呈電中性的電子空穴對(duì) 激子 (exciton)。 C. W. Tang于 1986年第一次提出了雙層有機(jī)太陽(yáng)電池的概念。被氧化的染料分子被電解質(zhì)溶液中的 I?還原為基態(tài)，電解質(zhì)中產(chǎn)生的 I3?又被電子還原為 I?，從而構(gòu)成了一個(gè)電化學(xué)循環(huán)。目前制備雜化太陽(yáng)電池薄膜的主要方法為旋涂法、電沉積法和層層自組裝法 (LBL:layerbylayer assembly)。 Solar cells、 Organic Electronics、 J. Mater. Chem等雜志上介紹了利用卷對(duì)卷 (rolltoroll)絲網(wǎng)印刷 (screen printing)、涂布 (spin cost)等技術(shù)制作的聚合物柔性太陽(yáng)電池， PCE達(dá)到 %，并對(duì)提高這種電池的能量轉(zhuǎn)換效率、生產(chǎn)成本和空氣穩(wěn)定性等性能的技術(shù)進(jìn)行了分析。 。 ② 光伏材料開發(fā)與性能改善。 △制備出能在氯苯 (或氯仿 )與甲醇的混合溶液中穩(wěn)定存在的 ZnO納米粒子，與溶解有 MDMOPPV的氯苯溶液混合后旋涂在提前旋涂一層 PEDOT： PSS的ITO玻璃上，通過(guò)前驅(qū)體溶液中 Zn2+： OH濃度的比值調(diào)節(jié) ZnO粒子的尺寸由 7nm不等，粒子尺寸越小，器件性能越高。 tzel教授制作了第一個(gè)染料敏化太陽(yáng)電池，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 %，目前這種電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)11%以上，而其成本僅為硅太陽(yáng)電池的 1/5。 將施主材料和受主材料混合分布在同一層中，大大增加了施主 /受主界面的面積，使激子能夠運(yùn)動(dòng)非常短的距離就可以得到有效分離，這種結(jié)構(gòu)叫分散式 (混合或本體異質(zhì)結(jié) Bulk Heterojuntion, BHJ)異質(zhì)結(jié)。多數(shù)的有機(jī)和高分子半導(dǎo)體材料是 p型的，如聚 (苯乙烯撐 ) (PPV) 、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺等衍生物等。砷化鎵系列太陽(yáng)能電池包括單晶GaAs、多晶 GaAs、鎵鋁砷 GaAs異質(zhì)結(jié)、金屬 半導(dǎo)體 GaAs、金屬 絕緣體 半導(dǎo)體 GaAs、 GaSb（銻化鎵）、 GaInP等。 ②多晶
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