光电化学范文

2024-05-27

光电化学范文（精选9篇）

光电化学第1篇

1 光电化学及其应用发展

光电化学简单说就是光化学和电化学的结合, 是化学与电学的交叉学科, 它研究的对象是光能与电能和化学能之间的转换。在光照下, 光被一些特殊材料 (如金属或半导体电极材料) 所吸收, 从而产生能量的积累或者电极反应的发生。随着经济社会的发展和技术的日益成熟, 光电化学的应用越来越普遍, 例如:利用光电化学知识制造的太阳能电池等, 便是以利用太阳能为目的的关电化学。除此之外, 由于光电化学与半导体材料之间的关系, 当前发展的大规模集成电路等都利用了光电化学的相关知识。

2 半导体材料及其应用发展

所谓半导体就是按照常温下的导电性能对一些导电性能介于导体和绝缘体之间的物质 (例如:硅、锗) 的总称。相对于导体 (如:金、银、铜、铁等) 和绝缘体 (如:陶瓷、橡胶等) , 半导体的发现最晚, 但是由于其特点 (如:掺杂性、光敏性、热敏性等) , 却使得其在生产生活中的应用非常广泛。人们对半导体进行掺杂, 将其导电性变得可控, 将其大量使用于收音机、电视机、大规模集成电路中作为元器件;利用半导体材料的热敏性特点, 将其用于温度测量;利用光敏性等特点将其用作光敏电阻等。

3 光电化学在半导体表面装饰中的应用

3.1 半导体表面装饰的目的

3.1.1 增加美观程度

虽然美观并不是对半导体表面进行装饰的首要目的, 却也是一个不可忽视的重要指标。拿最常见、最常用的半导体材料硅来说, 不管是晶体硅呈现出来的灰黑色, 还是无定型硅呈现出的黑色外观都是面目可憎的。

3.1.2 延长使用寿命

半导体材料无论是作为电子元器件还是其他, 其使用寿命始终是人们关注的一个重要指标。尽管通常情况下半导体材料的化学性质并不活跃, 但是仍然会由于种种原因而发生变化从而导致其使用寿命缩短。例如:硅, 虽然不溶于一般的有机酸, 却会溶于碱溶液;在高温条件下会与氧反应而被氧化, 对其进行表面装饰可以避免其与氧直接接触, 从而尽可能避免其被氧化, 延长使用寿命。

3.1.3 增强性能

对于半导体材料来说, 性能永远是第一位的。增强半导体材料的性能的方法有很多, 通过掺杂改变其导电性是其中一种, 除了掺杂外, 进行表面装饰也可以达到增强性能的目的。半导体表面在与其他介质接触中容易吸附一些杂质, 极易形成表面态, 对于半导体材料性能的发挥产生非常大的不良影响。在大规模集成电路中, 对于半导体表面的要求越来越高, 一方面要求表面的光滑程度达到纳米级, 另一方面也要求半导体的表面态被控制在可接受的范围内, 只有这样才能够使半导体组件的性能得到充分发挥, 从而使得机体的性能等达到最优。

3.2 传统的半导体表面装饰技术及其优缺点

传统的半导体表面装饰主要采取的是镀金、镀银等技术, 也就是在半导体表面利用传统技术, 在半导体材料表层镀上一层金或银等, 以增加表面的光度和亮度, 同时形成保护膜。传统的半导体表面装饰技术有自身的优点, 这些优点使得这些技术被长期使用。传统的镀金镀银技术长期被用于首饰加工等方面, 因此技术比较成熟, 运用起来更加的心应手。

当然, 传统的半导体表面装饰技术也有自身的一些致命缺陷, 使我们不得不注意。传统技术采取的是镀金、镀银等, 金银作为贵金属价格不菲, 虽然仅是薄薄的一层但是批量使用其成本问题仍然值得关注。金银虽然化学性质并不活跃, 但是长期使用也会被氧化、被腐蚀, 从而失去其作为保护层的作用。金银作为金属与半导体存在着较大的差别, 由于金属与半导体之间存在较大的功函数差, 也就是它们的费米能级不同, 当金属与半导体直接接触时会产生空间电荷区, 操作不当会导致半导体表面态的产生, 严重影响到其性能的发挥。

3.3 利用光电化学进行半导体表面装饰

为了达到半导体表面装饰的作用同时避免传统装饰技术的不足所带来的不良后果, 对于半导体表面装饰应当做出必要的改革。

3.3.1 技术上的可行性分析

光电化学中光能与化学能和电能的转换, 为半导体外部装饰上采用创造了条件, 提供了可能。光电化学经过多年发展, 其理论和实践上已经比较成熟, 并且在各个领域得到了验证。光电化学作为一个交叉学科, 在不同的学科领域都有比较通透的研究, 这为光电化学的快速发展和广发应用打下了坚实的基础。近些年光电化学在各领域的应用不断增加, 也使其成为炙手可热的学科, 人们给予了更多的研究, 于是光电化学技术的发展和应用进入了良性循环, 将其应用于半导体表面装饰成为其重要成果。

3.3.2 运用上的优势分析

运用一些材料的光电化学性质进行半导体表面装饰, 可以避免使用金银等贵金属, 从而降低成本, 避免贵金属的无形流失。同时, 避免金属材料因为与空气接触而被氧化带来的使用寿命缩短的问题。利用材料的光化学性质, 可以将半导体表面与装饰材料变为一体, 使他们的各种性质都符合需要, 同时能够得到比较符合要求的表面光度和亮度, 极大提升性能。例如:半导体的掺杂性结合光电化学性质, 可以使其既符合装饰的要求, 同时又能够起到传统半导体表面装饰所不具有的效果, 使得半导体自身的优势能够在生产生活中得到更加充分地显露。

4 结语

半导体在生产生活中的应用越来越广泛, 地位和作用越来越突出, 半导体表面装饰对于其作用发挥的重要性越来越明显。传统的半导体表面装饰技术在凸显其优势的同时, 其缺陷也明显了起来。利用现代光电化学技术进行半导体表面装饰能够有效克服传统装饰技术的弊端, 将半导体的使用寿命延长、性能提高。

摘要：半导体表面装饰对于半导体的性能的提高有着非常重要的作用, 本文从光电化学的特点、传统半导体表面装饰技术的特点及不足、光电化学在半导体表面装饰中的优势等进行分析, 力求为光电化学与半导体的发展提供有限的帮助。

关键词：光电化学,半导体,表面装饰

参考文献

[1]岳林涛, 徐铸德.半导体的表面修饰与其光电化学应用[J].化学通报, 1998 (09) :28-31.

[2]柳闽生, 杨迈之.半导体纳米粒子的基本性质及光电化学特性[J].化学通报, 1997 (01) :20-24.

光电化学第2篇

量子点CdS修饰纳米结构TiO2复合膜的光电化学研究

半导体量子点作为宽禁带半导体材料的敏化剂有着重要的意义[1-5],利用量子点作为光敏剂有许多优点:第一,通过控制量子点的尺寸可以调节它们的能带以至于他们的`吸收光谱能够被调节去匹配日光的光谱分布;第二,半导体量子点由于量子局限效应而有大的消光系数,并且有可以导致电荷快速分离的固有极矩.第三,量子点敏化太阳电池有一个独特的潜在的能力,即能够产生大于一的量子产额.因此人们开始尝试将量子点应用于光电化学电池.本文用原位化学方法在纳米尺度TiO2多孔膜电极上修饰了Q-CdS,对其敏化效果进行了表征,并探讨了光电化学机理.

作者：王伟郝彦忠 WANG Wei HAO Yan-zhong 作者单位：河北科技大学理学院,河北,石家庄,050018 刊名：化学研究与应用 ISTIC PKU英文刊名：CHEMICAL RESEARCH AND APPLICATION 年，卷(期)：2007 19(2) 分类号：O6 关键词：量子点CdS TiO2/Q-CdS复合膜电极光电化学

光电化学第3篇

第三代太阳能电池即染料敏化电池 (DSSCs) 首先由Gratzel教授等发明, 因为具有良好的光电转化效率 (目前超过了12%) [1]、生产成本低廉、生产过程中对环境友好等特点, 并具有进一步提高效率和降低成本的潜在优势, 越来越受到重视[2,3,4]。

染料敏化电池 (DSSCs) 主要由导电玻璃、纳米晶氧化半导体薄膜 (主要是纳米晶TiO2或者SnO2等) 、光敏染料、电解质和对电极组成[5]。为了提高DSSCs的稳定性及转化效率, 目前的研究重点主要有光敏染料, 已经开发了金属配合物染料、卟啉类和酞菁类R染料、纯有机光敏染料等染料[6,7]。另外一部分研究重点在于纳米晶氧化半导体薄膜的研究, 纳米晶氧化半导体薄膜材料有TiO2、ZnO、SnO2和Nb2O5等, 研究表明锐钛矿型TiO2效果最好。

TiO2介孔薄膜由于超高的比表面积, 可以更多的吸收有机染料, 其次介孔结构更利于反应物和产物的扩散, 被广泛应用于光催化等研究中[8]。

本研究采用PVC-g-POEM为模版在FTO导电膜上制备TiO2介孔薄膜, 然后组装成染料敏化太阳能电池, 测试分析其光电化学效应。

1 实验部分

1.1 原料

FTO玻璃 (F:SnO2, 14Ω/square) , 武汉格奥;去离子水 (自制) 、无水乙醇、异丙醇钛、异丙醇、疏水性的PVC、POEM (均为分析纯) , 中国医药集团上海化学试剂公司。以上试剂均没有进行前处理。

1.2 实验设备

旋涂机用于制作TiO2薄膜, X射线衍射 (XRD, Bruker D8Advance XRD system, Cu K1radiation, 德国) 研究样品的晶体结构和种类;场发射电子显微镜 (Sirion 200型, 荷兰FEI公司) 用于测试产物的外观形貌;紫外-可见分光光度计 (岛津) 用于测试薄膜的吸光系数。太阳能模拟器 (150-300W型) , 美国Newport公司;电化学工作站 (PGSTAT302S型) , 瑞士万通, 用于测试DSSCs的光电转化效率。

1.3 实验原理

TiO2纳米晶薄膜按照传统的溶液-凝胶法制备, 具体示意图如图1 (a) 所示。TiO2介孔薄膜采用PVC-g-POEM接枝共聚物法制备, 具体方法是原子转移自由基聚合物法[9], 原理图如图1 (b) 所示。

1.4 实验方法

TiO2纳米晶薄膜的制备:第1步, 配备TiO2前驱物, 按一定比例调试无水乙醇、异丙醇钛、异丙醇溶液, 搅拌, 然后采用旋涂机在FTO玻璃上沉积TiO2薄膜, 真空干燥箱中干燥;第2步, 将TiO2薄膜晶体在水平管式炉中煅烧30min (温度为450℃) 。

TiO2介孔薄膜的制备:第1步, A溶液的配置, 按照上述方法, 配备TiO2前驱物;B溶液的配置, 将一定质量比的PVC和POEM用无水乙醇混合、搅拌。然后将溶液A和溶液B混合搅拌1h, 采用旋涂机在FTO玻璃上沉积TiO2薄膜, 真空干燥箱中干燥。第2步, 将TiO2薄膜晶体在水平管式炉中煅烧30min (温度为450℃) 。

通过旋涂次数来控制薄膜的厚度, 为了方便后续比较两种方法制备的材料的差异性, 保持旋涂的次数一致, 均为20次。

分别将TiO2介孔薄膜及TiO2纳米晶薄膜组成的光阳极在N719染料 (5mmol/L) 中敏化, 45℃下静置20h, 然后取出放入真空干燥箱内进行干燥。

2 结果与分析

2.1 XRD分析

图2为TiO2纳米晶薄膜与TiO2介孔薄膜的XRD图, 样品的XRD数据以FTO玻璃的XRD数据作为参考。TiO2纳米晶薄膜与TiO2介孔薄膜均为锐钛矿相, 其 (101) 和 (002) 峰, 与 (112) 峰为主要衍射峰。其中TiO2介孔薄膜在低角度具有明显的衍射峰, 这是介孔TiO2的特征峰[10]。

2.2 SEM测试分析

图3 (a) 为TiO2纳米晶薄膜的场发射扫描电镜图, 可以看出薄膜一致性较好, 致密程度高。图3 (b) 为TiO2介孔薄膜的场发射扫描电镜图, 可以看出介孔的大小比较均匀, 分布比较均匀。说明PVC-g-POEM接枝共聚法可以制备高质量的制备的TiO2介孔薄膜结构。且孔的大小约为10~20nm, 介孔结构极大的增加了TiO2薄膜的的比表面积。

2.3 吸光性分析

图4为TiO2纳米晶薄膜和TiO2介孔薄膜在染料敏化后吸光性测试。从图4可知, 添加了染料后, 材料对全波段的吸光性均有吸收, 特别是在可见光范围吸收比较明显。TiO2介孔薄膜结构在全波段的吸收率比纳米晶TiO2薄膜有很大提高, 这可能是TiO2介孔薄膜结构较大的比表面积可以吸收更多的染料, 导致吸光性能增强。

2.4 光电性能分析

根据式 (1) 计算IPCE。

式 (1) 中, j为光电流密度, λ为波长, I为入射光强度。

从图5可以看出基于纳米介孔薄膜比单纯的TiO2纳米晶的染料敏化太阳能电池的光电转化效率明显升高, 而且在各个波段均有提高, 这和图2中测试的两种薄膜的吸光性是吻合的, 说明纳米介孔薄膜比单纯的TiO2薄膜在染料敏化后具有更高的吸光性及光电转化效率。

TiO2介孔薄膜与纳米晶薄膜的太阳能电池的I-V特性如图6所示, 相应的参数如表1。结果表明, 基于TiO2介孔薄膜的DSSCs的短路电流 (Jsc) 比TiO2纳米晶薄膜明显增强, 从2.5mA/cm2增加到了5mA/cm2 (大约增加了2倍) , 这是因为TiO2介孔薄膜与相同厚度的TiO2纳米晶薄膜相比, 具有更高的比表面积, 可以吸收更多的染料敏化剂, 可以吸收更多的可见光, 导致产生的光电流密度明显增加。两者的开路电压 (Voc) 几乎一样, 为8.3mV左右, 可能两者的薄膜厚度一样, 电阻大小也基本一致。说明吸收染料的多少仅仅是增加材料的吸光性, 对薄膜的导电性等其他性质无本质影响。

开路电压 (Voc) 、短路电流 (Jsc) 、填充因子 (FF) 和电池效率 (η) 如表1所示。填充因子的计算公式见式 (2) 。

电池效率 (η) 的计算公式见式 (3) 。

式 (2) 、式 (3) 中, Pmax为电池最大的输出功率, Pin为光强, 光强为100mW/cm2 (AM 1.5G) 。TiO2介孔薄膜与TiO2纳米晶薄膜的光阳极相比较, 开路电压 (Voc) 无明显变化、但是短路电流 (Jsc) 、填充因子 (FF) 都有了显著的提高。电池效率 (η) 从1.5%提高到了3.2%。

3 结论

(1) 采用PVC-g-POEM作为模版, 在FTO玻璃上制备了TiO2介孔薄膜, 经过SEM分析, 孔洞的分布及大小非常均匀。

(2) 与纳米晶薄膜相对比发现, 基于TiO2介孔薄膜的染料敏化光阳极的吸光效率及光电性能 (IPCE) 明显提高。

(3) 进一步光电化学研究表明, TiO2介孔薄膜比TiO2纳米晶薄膜组成的的DSSCs的光电转化效率增加了两倍, 由1.5% (TiO2纳米晶薄膜) 增加到3.2% (TiO2介孔薄膜) 。

摘要：采用溶液-凝胶法分别制备TiO2介孔薄膜和TiO2纳米晶薄膜, 其中TiO2介孔薄膜的制备过程中采用PVC-g-POEM为模版。XRD分析结果表明, 两者的晶体结构无法明显变化, 均为锐钛矿, SEM分析表明TiO2介孔薄膜的孔洞大小及分布均匀。经过染料敏化处理组成光阳极后, TiO2介孔薄膜的吸光性, 及光电化学性能明显增强。

关键词：二氧化钛,溶液-凝胶法,介孔薄膜,光电化学性能,光电转化效率

参考文献

[1]Yella A, Lee H W, Grtzel M.Porphyrin-sensitized solar cells with cobalt (II/III) -based redox electrolyte exceed 12percent efficiency[J].Science, 2011, 334:629-634.

[2]李祥高, 吕海军, 等.染料敏化太阳能电池用敏化剂[J].化学进展, 2011, 23 (2-3) :569-586.

[3]Kumar A, Jose R, Fujihara K, et al.Structural and Optical properties of e1ectrospun TiO2nanofibers[J].Chem Mater, 2007, 19 (26) :6536-6542.

[4]于哲勋, 李冬梅, 秦达, 等.染料敏化太阳能电池的研究与发展现状[J].中国材料进展, 2009, 28 (7-8) :8-15.

[5]周娴, 潘华锦.染料敏化纳米薄膜太阳能电池[J].染料与染色, 2010, 47 (4) :9-16.

[6]郑冰, 朱海军, 白续铎.有机染料敏化纳米晶太阳能电池[J].化学进展, 2008, 20 (6) :828-840.

[7]安彦彦, 韩军锋, 霍东升, 等.染料敏化太阳能电池中染料敏化剂研究进展[J].广州化工, 2011, 39 (23) :28-30.

[8]黄靓, 李俊, 王军.二氧化钛介孔材料的制备[J].化工进展, 2009, 28 (3) :453-457.

[9]Ahn S H, et al.Direct assembly of preformed nanoparticles and graft copolymer for the fabrication of micrometer-thick, organized TiO2films:high efficiency solid-state dye-sensitized solar cells[J].Adv Mater, 2012, 24 (4) :519-522.

光电总结（精选）第4篇

在可见光波段，波长最长的是红光，能量最高的是紫光。光是电磁波且为横波，具有偏振性，可见光的波长380～780nm。偏振光（非偏振光、完全偏振光、部分偏振光）光辐射的度量：辐射度量光度量P3~4 [计算] P29-1,2,3

光辐射的调制指光的强度、相位、偏振、频率/波长的调制光电发射效应、光电导效应、光生伏特效应、热电效应的应用

简要说明以下应用是根据哪些光电效应或光学定律或理论： 3D偏光眼镜（过滤偏振光）光敏电阻（光电导效应）

光电池（势垒效应产生的光生伏特效应）

强功率辐射探测器ie CO2脉冲激光输出波形的检测（光子牵引的光生伏特效应）热电偶（热电效应——温差电效应）热电阻（热电效应——热阻效应）

红外探测器（外加磁场的光生伏特效应（光磁效应），或热释电效应）辐射和非接触式温度测量、红外摄像（热电效应）

实验发现电磁波的发射和吸收不是连续的，是一份一份进行的。（光电发射第二定律（爱因斯坦定律））

第二章光辐射信息探测器件

主要器件：

光电发射效应：光电倍增管PMT 光电导效应：光敏电阻

光生伏特效应：光电池、光敏二极管PD、光敏三极管、光电位置探测器PSD 热释电效应：热释电探测器件

光电导效应（光敏电阻）

光电导的灵敏度：Sg=g/E（s/lx）[计算]P75—2-7, 2-8 应用：P41—图2-14路灯控制电路

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恒流偏置电路、恒压偏置电路：

光谱特性：下述系统中应选用哪一种光敏电阻

    照度计的探头

照相机自动曝光电路的测光探头路灯自动控制电路的测光探头火焰探测器的探头

光生伏特效应（光电池、光敏二极管、光敏三极管）光电池通常在零偏下工作，光敏二极管通常在反偏下工作。光电流放大电路：

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光电二极管：无光照时，与普通二极管相同；光照后，反向电流的大小与入射光照度成正比，几乎与反向电压无关。

光电二极管与光电池的特性比较：（频率特性不同，PD的频率特性比光电池好；灵敏度不同，PD的光敏面积比光电池小得多，光电流在微安级；工作方式不同：零偏、反偏）

光电二极管与光电三极管的特性比较：（灵敏度不同；光电特性线性不同，光电二极管线性好与三极管；频率特性不同，晶体管比二极管慢；应用不同，光电检测器件和光电开关）光电二极管基本控制电路：光电三极管基本控制电路：

光电三极管应用： a亮通光控制电路

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b暗通光控制电路：

光电位置探测器PSD（一维PSD的结构及工作原理）：（光电二级光的横向光电效应）

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光电耦合器（光电三极管）的应用：逻辑门电路的分析、设计

光电耦合器件的优点：输入输出完全没有电、磁路的联系；信号单向传输；抗干扰和噪声；既有耦合特性又具有隔离特性。

光热电效应（热释电探测器件）

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热释电效应与温度的变化率有关，与温度无关。

热释电的应用：安全警示、自动门、防盗报警器、感应照明灯等。

第三章光电成像器件

主要器件：

电荷耦合器CCD、CMOS图像传感器、自扫描光电二极管阵列SSPA、接触式图像传感器CIS、直视型光电成像器件

CCD电荷耦合器件

CCD的工作过程：信号电荷的产生注入、存储、转移耦合、检测 [计算]P113-3-1，3-2，3-4，3-5 CMOS图像传感器

CMOS像素单元结构 P92-图3-23 CMOS的特点，与CCD图像传感器的比较：（系统集成，低功耗，成像速度快，响应范围宽，抗辐射性强，成本低）（灵敏度差异CCD高，成本差异CCD高，成品率差异CMOS高，分辨率差异CCD高，噪声差异CCD好，功耗差异CMOS低）P98 接触式图像传感器CIS CIS体积小、光路短、安装简单、成本低，其应用如：扫描仪、传

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真机、复印机、纸币清分机等。

直视型光电成像器件（变像管、像增强管、“微光夜视技术”）[了解]

第四章发光器件

主要器件：LED、OLED、激光器

LED LED直流驱动电路：

[计算]P146-4-1，4-3，4-5，4-6 LED、LD（半导体激光器）的数字调制：P119-图4-6

LED的脉冲驱动：

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LED的应用：照明、显示屏、背景光源、汽车应用、红外LED等。白光LED照明的优点举例：光效率高、发热少、能耗低、寿命长等。

OLED的特点举例P124（表面发光、效率高、透明轻薄、坚固耐用、环保、电流驱动器件等）激光器

激光产生的三个基本要求：激励/泵浦源、实现粒子数反转、光学谐振腔实现受激辐射的振荡放大

激光器的组成及各部分的作用：增益介质、泵浦源、光学谐振腔激光的特点/优点：方向性好，发散角小；单色性好，颜色极纯；相干性好；能量密度高，能量的空间、时间密度大，即光束小，光点小，作用范围小，脉冲持续时间短。[计算]P146-4-7 激光器的应用：激光武器、焊接、切割、热处理等半导体激光器LD LD的特点：LD具有体积小、功耗低、方向性好、谱线窄，相干性好等。

LD与LED的区别：LED的掺杂浓度没有LD大，不需要较高的注入

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电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔。LED发射的是非相干光，LD发射的是受激辐射光。

LD的应用：光纤通信系统光源，光学测量系统的光源，激光打印机等光纤激光器

光纤激光器的特点：小巧灵活可集成化性价比高，工作条件不严格，相当好的可调谐参数和选择性等P139 光纤激光器的应用举例：激光切割、焊接加工等

第十章光电信息显示技术

主要器件：LCD液晶显示、PDP等离子显示

LCD液晶显示器

显示原理，判断常白型、常黑型：

常白型（不加电时光透过，加电时光遮断），正液晶、LCD分子旋转90度排列，两偏光片垂直。

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液晶显示器是被动显示器件，本身不会发光，需要背照光源。为了防止液晶劣化，液晶显示器一般采取交流驱动方式。薄膜晶体管液晶显示器（TFT LCD）

TFT LCD的优点：（低功耗，低电压运行，元件为薄型，而且从大型显示到小型显示都可满足，适用于便携式装置等）

LCD显示器的缺点：（显示对比度与观察方向有关，视角受到限制。响应时间与环境温度有关，低温时工作不能充分保证等）P328 LCD的应用：数字、字符显示，平面显示，光开关等

等离子显示器PDP 表面放电型交流PDP（AC PDP）

等离子显示器是自发光显示器件，不需要背照光源，一般采用交流（脉冲存储：书写脉冲、擦除脉冲）的方式驱动。

PDP显示器与LCD显示器相比优点有：亮度高。属于自发光型显示，灰度丰富、可以实现全彩色。响应速度快。视野开阔，视角大(可达160度)。可实现大屏幕显示等。P331 PDP显示器与LCD显示器相比缺点有：功耗大，寿命短，只能大屏不能小屏，不能在海拔2000m以上使用，制造成本高等。LCD显示器与PDP显示器相比优点有：工作电压低、发热量小、耗电量低。无辐射。体积小。寿命长很多。

LCD显示器与PDP显示器相比缺点有：可视角度偏小。亮度和对比度低。需要靠外界光源辅助发光。响应速度慢，显示快速运动画面时就会产生影像拖尾现象。不易维修。

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第十一章光电信息技术的应用脉宽法测长：直径的光电检测：

分析直径变大或小时输出的U1、U2、U3/U4

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光控电焊眼罩：

（等）

光纤通信

光源常采用LED（低容量、短距离），LD（大容量、长距离）。信息

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加载直接采用光强度的调制，即

光电化学第5篇

另外一部分研究重点是无机半导体量子点,由于本身的禁带宽度小,可以拓宽对波段的吸收范围,充分利用量子点的直径大小,理论上可以做到整个波段的全吸收,目前主要研究有采用CdS、PbS、CdSe等量子点敏化TiO2薄膜等作为光阳极[7,8],但实际上,量子点的直径大小很难控制,无法做到对整个波段的全吸收,得到的光电转化效率没有得到明显提升。

本研究通过采用无机CdS量子点及有机染料共同敏化TiO2多孔薄膜,充分利用有机染料对光波段的吸收范围及CdS量子点对特定波段光吸收强度的优势,提高光电转化效率。

1实验部分

1.1主要原料

FTO玻璃,无水乙醇,PVC及POEM,Cd(NO3)3溶液, Na2S晶体,去离子水、四异丙氧基钛,商业N719染料等。

1.2实验设备

旋涂机及水平管式炉用于制备TiO2多孔薄膜,场发射电子显微镜用于测试产物的外观形貌。紫外-可见分光光度计用于测试各种阳极的吸光特性。太阳能模拟器提供整个光波段的光谱能量,电化学工作站用于测试电化学性能。

1.3实验方法

TiO2纳米薄膜的制备:配制一定质量比的PVC和POEM用无水乙醇混合,搅拌。将TiO2前驱体溶液加入其中,混合搅拌1h,采用旋涂机在FTO玻璃上沉积TiO2薄膜,真空干燥箱中干燥。将TiO2薄膜晶体在水平管式炉中煅烧30min (温度为450℃)得到多孔TiO2纳米薄膜[9]。

TiO2/CdS-QDs阳极的制备:分别配制0.05mol/L的Cd(NO3)3溶液及0.05mol/L的Na2S水溶液,TiO2衬底首先插入Cd(NO3)3溶液并保持2min,取出用去离子水冲洗,然后插入Na2S并保持2min,取出用去离子水冲洗,重复3次,自然干燥。

TiO2/N719阳极的制备:将多孔的TiO2纳米薄膜插入5mol/L的N719染料中,常温静置24h。

TiO2/CdS-QDs/a-TiO2/N719的制备:将TiO2/CdS-QDs阳极插入0.5mol/L四异丙氧基钛(Ti(OiC3H7)溶液中,用电脉冲沉积方法在TiO2/CdS-QDs阳极表面沉积非晶TiO2薄膜,先用5mA直流电沉积50s,再用0.2mA直流电沉积300s。取出阳极,用去离子水冲洗几次,在真空干燥箱内(80℃)干燥30min,得到阳极命名为:TiO2/CdS-QDs/a-TiO2。将其插入5mol/L N719染料中,常温静置24h。

2结果与分析

2.1XRD分析

图1为TiO2、TiO2/CdS-QDs及TiO2/CdS-QDs/a-TiO2结构的XRD图,可以看出TiO2为典型的单晶锐钛矿结构,无明显杂峰,结晶度非常好。TiO2/CdS-QDs的XRD图谱中有部分弱的CdS特征峰,这可能是TiO2的峰太强,掩盖了部分CdS的特征峰。在经过电沉积以后,杂峰显著增加,这是因为产物没有经过高温退火处理,表现出TiO2非晶状态,由于TiO2非晶薄膜很薄,还是以单晶TiO2特征峰为主。

2.2SEM测试分析

图2(a)为TiO2单晶纳米多孔薄膜的SEM放大图,可以看出,薄膜的多孔一致性较好,这有利于吸附更多的量子点及有利于电解液渗入。在多孔薄膜上沉积CdS量子点以后,阳极外观颜色变成轻微黄色,CdS量子点颗粒直径很小,大部分渗透到多孔薄膜内部。在经过电沉积TiO2非晶薄膜以后,整个表面被TiO2非晶薄膜覆盖,多孔消失,如图2(b)所示。

2.3光谱吸收分析

图3分别为TiO2/CdS-QDs、TiO2/N719及TiO2/CdSQDs/a-TiO2/N719 3种阳极的光谱吸收特征曲线,从图中可以看出,经过CdS量子点敏化以后,阳极吸收范围几乎拓展到整个可见波段,但是以紫外及500nm左右波段的吸收为主,特别是500nm左右吸收较强,这是因为CdS量子点本身的吸收区间主要集中在黄色可见光波段。采用染料N719敏化TiO2以后,整个波段都有吸收,TiO2/CdS-QDs/a-TiO2/N719的吸收波段范围广,而且在几乎每个光波段的吸收强度均强于TiO2/CdS-QDs及TiO2/N719这2种阳极。

2.4光电性能分析

将摩尔浓度分别为0.1mol/L、0.05mol/L、0.6mol/L、 0.50.1mol/L的LiI、碘单质、碘化1-丙基-2,3-二甲基咪唑及4-叔丁基吡啶分别溶入5mL碳酸丙二醇酯溶剂中,形成I-/ I3-还原电解液。用滴管分别在TiO2/CdS-QDs、TiO2/N719及TiO2/CdS-QDs/a-TiO2/N719 3种阳极表面滴3滴I-/I3还原电解液,然后分别与对电极(镀Pt的FTO)组装成太阳能电池。采用太阳能模拟器作为光源,电化学工作站测试3种电极的光电化学性能。测试结果如图4所示,结果表明3种电极的开路电压均为750mV左右,这可能是因为均采用TiO2多孔薄膜作为电子的输运介质,电子在传输过程中的电阻基本一致。TiO2/N719的光电流密度比TiO2/CdS-QDs的光电流密度稍微高一些,这可能是因为染料对可见光的吸收范围要广。TiO2/CdS-QDs/a-TiO2/N719比单纯的TiO2/CdSQDs或者TiO2/N719阳极的光电流密度高出3倍以上,这是因为量子点和染料共同敏化TiO2多孔薄膜,使得对波段的吸收范围得到拓展,同时吸收强度得到提高,使得产生的光电流密度得到大幅提升。

通过对不同波段的光电转化效率 (IPCE)来进一步分析TiO2/CdS-QDs、TiO2/N719及TiO2/CdS-QDs/a-TiO2/N719 3种阳极的光电性能。

根据式(1)计算IPCE:

式(1)中,j为光电流密度;λ 为波长;I为入射光强度 (W·m-2)[10]。

从图5可以看出TiO2/CdS-QDs阳极的光电转化效率较高波段主要集中在红光区域,这可能是CdS量子点尺寸变小, 发生“红移”,即由本身的黄光吸收波段移到红光波段。TiO2/ N719吸收波段几乎覆盖整个可见光波段,但是在某些波段吸收强度不够,导致在某些波段光电转化效率不高。TiO2/CdSQDs/a-TiO2/N719对整个波段的转化效率均有较大提升,其光电转化效率几乎是TiO2/CdS-QDs和TiO2/N719光电转化效率的叠加。

3结论

(1)通过电脉冲沉积法在TiO2/CdS-QDs上沉积非晶态TiO2薄膜,利用这层薄膜吸附有机染料,得到CdS-QDs及有机染料共敏化的阳极。

(2)比较研究TiO2/CdS-QDs、TiO2/N719及TiO2/CdSQDs/a-TiO2/N719 3种阳极的光谱吸收特性,CdS-QDs及有机染料共敏化的阳极的吸收范围及吸收强度明显得到提高。

(3)光电化学性能研究表明,CdS-QDs及有机染料共敏化的阳极的光电流密度比单纯的量子点敏化或者染料敏化提高了3倍。光电转化效率几乎是TiO2/CdS-QDs、TiO2/N719的叠加。

参考文献

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[5]郑冰,朱海军,白续铎.有机染料敏化纳米晶太阳能电池[J].化学进展,2008,20(6):828-840.

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[9]Ahn S H,et al.Direct assembly of preformed nanoparticles and graft copolymer for the fabrication of micrometer-thick,organized TiO2films:high efficiency solid-state dye-sensitized solar cells[J].Adv Mater,2012,24(4):519-522.

光电化学第6篇

钛酸锶(SrTiO3)具有典型的钙钛矿型结构,具有禁带宽度高、光催化活性优良等特点,并具有独特的电磁性质和氧化还原催化活性,在光催化分解水制氢、光催化降解有机污染物和光化学电池等领域也得到了广泛的应用[7,8]。钙钛矿型SrTiO3与TiO2在一定程度上结构相似,可以看做一个高掺杂的TiO2结构[9]。SrTiO3的带隙宽度(Eg=3.2eV)与TiO2相同,导带和价带能级不同[10],若将二者复合,就可以在其界面形成势垒和能谷,改变光生载流子的迁移过程,促进光生电子-空穴的有效分离,达到提高光催化效率的目的。目前已有部分学者采用SrTiO3对TiO2光阳极进行包覆改性,在一定程度上提高了DSSCs的光电转换效率,但仍有进一步探讨SrTiO3包覆层对DSSC光电性能影响的必要性[11,12]。本工作采用水热法制备核壳结构TiO2/SrTiO3光阳极,探讨水热反应时间对包覆光阳极组装DSSCs的光电化学性能的影响。

1 实验

1.1 TiO2/SrTiO3核壳结构光阳极的制备和DSSCs的组装

将一定比例的钛酸丁酯、无水乙醇、二乙醇胺混合搅拌,缓慢滴加去离子水,强烈搅拌形成溶胶,用旋转涂膜法在FTO表面涂膜,并在500℃ 保温30min,即得TiO2致密膜。然后采用丝网印刷法在其上再涂一层多孔TiO2膜(有效面积为0.5cm×0.5cm),于500℃保温30min,自然冷却后即可得到复合的TiO2薄膜。取适量Sr(NO3)2溶于20mL蒸馏水中,完全溶解后用1.0mol/L NaOH调节溶液pH=12,然后转移到内衬聚四氟乙烯的反应釜中,置于烘箱中于180℃下分别加热3,5,8h,取出反应釜,将所得样品用蒸馏水反复清洗多次,于70℃下干燥12h,然后将其浸到N719乙醇溶液中12h,取出用无水乙醇洗去表面残留染料,烘干,即得TiO2/SrTiO3光阳极。以铂电极为对电极,用夹子固定好光阳极与对电极,然后从一侧滴入电解质(LiI/I2液体电解质),引出导线,组装成DSSCs。

1.2 性能表征

采用D/Max-3B型X射线衍射仪(XRD)分析TiO2/SrTiO3光阳极的物相,采用JSM-6460LV型扫描电子显微镜(SEM)、JEM-2100(UHR)型透射电子显微镜(TEM)观察TiO2/SrTiO3光阳极的微观结构。用X-Max50型能谱仪(EDS)分析TiO2/SrTiO3光阳极的成分。采用Lambda-35型紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱仪表征吸光性能。采用SS50(AM1.5,100mW/cm2)型太阳光模拟器作为光源,Keithley2400数字源表以及CHI660C型电化学工作站测试所组装的DSSCs的光电化学性能。采用分光计器(Model SM-25)测定DSSC的单色光转化效率(IPCE)。

2 结果与分析

2.1 物相分析

图1 是P25 TiO2与TiO2/SrTiO3-5h粉末的XRD图。从图1 可以看出,在2θ=32.38°,46.44°,57.76°有3个衍射峰,经与标准卡片(JCPDS No.11-018)对比,分别对应(110)(200)(211)衍射面,符合钙钛矿型SrTiO3的特征。在2θ=25.26°,37.78°,48.02°,54.06°,55.06°,62.76°有6 个特征峰,经与标准卡片(JCPDS No.40-477)对比,分别对应着锐钛矿TiO2的(101)(004)(200)(211)(204)(220)衍射面。

2.2 微观形貌分析

图2是TiO2和TiO2/SrTiO3-5h电极的SEM照片。从图2中可以看出,颗粒大小分布都比较均匀,没有出现较大的团聚现象。由图2(a)可以看到TiO2晶粒的清晰度较好,而且表面也比较光滑。图2(b)为水热反应5h时,在TiO2电极表面包覆了一薄层SrTiO3的形貌,形成了TiO2为核SrTiO3为壳的电极。包覆后样品的晶粒表面略显粗糙,颗粒的边缘较之前稍显模糊,且看起来像鳞片状。SrTiO3包覆TiO2电极的壳层-核层结构使得两相界面间形成能量势垒,改变了光生载流子的迁移过程,促进光生电子-空穴的分离,加快电子的循环过程,在一定程度上可提高DSSCs的光电转换效率。

图2 TiO2和TiO2/SrTiO3-5h电极的SEM照片(a)纳米多孔TiO2电极;(b)TiO2/SrTiO3-5h电极Fig.2 SEM images of TiO2and TiO2/SrTiO3-5helectrode(a)nanoporous TiO2electrode;(b)TiO2/SrTiO3-5helectrode

图3是TiO2/SrTiO3-5h电极整体和局部的EDS图。由图3 可以看出,不论是整体扫描还是局部扫描的EDS图,含有的元素都是相同的,且元素含量大致相同,整体扫描的Sr元素含量稍微低于局部扫描,可能是由于水热反应比较复杂,在局部个别小区域反应比较充分,所以生成的SrTiO3较多。根据EDS结果对样品的组成分析如下:由于SrTiO3中Sr,Ti,O的摩尔比是1∶1∶3,TiO2中Ti与O的摩尔比是1∶2,而根据EDS结果计算其比例,可以算出,Sr,Ti,O的摩尔比是1∶27∶52,说明样品中SrTiO3与TiO2的摩尔比应为1∶26。由此可见,Sr并未完全取代Ti进入TiO2的晶格,而是部分生成SrTiO3与TiO2纳米颗粒相复合存在,这与XRD分析结果相符。

图4是TiO2/SrTiO3-5h(从水热反应5h时形成的TiO2/SrTiO3核壳结构光阳极表面刮下少量粉体进行测试)的TEM照片。由图4(a)和图4(b)可以看出,TiO2表面覆盖着一薄层物质,这一薄层呈现锯齿状,表面高低不平,不太均匀的平铺着。结合前面XRD,SEM,EDS分析结果可知,此薄层物质应该是在TiO2表面生成的SrTiO3,该SrTiO3包覆TiO2晶粒的尺寸,从4(a)看出约为21.18,27.35,25.88nm,从图4(b)看出约为26.06,23.89nm。图4(c)展示了TiO2晶粒表面包覆着SrTiO3薄层,图4(d)为对应的选区电子衍射(SAED)。由图4(d)可以看出,SAED图形呈现斑点状分布,说明衍射样品是单晶,根据单晶电子衍射花样的标定计算出各个晶面的晶面指数,在图4(d)中斑点处标示出。衍射图谱结合其晶面指数证实了SrTiO3单晶的生成。

分析认为,TiO2在碱性介质中部分溶解,生成Ti(OH)62-,Ti(OH)62-与溶液中的Sr2+反应生成Sr-TiO3,从而在TiO2表面覆盖了薄薄的一层SrTiO3,反应式为:

图4 TiO2/SrTiO3-5h核壳结构的TEM照片(a)低倍像;(b)高倍像;(c)带有SrTiO3壳的TiO2核;(d)对应的选区电子衍射Fig.4 TEM images of TiO2/SrTiO3-5hcore-shell structure(a)low-magnification image;(b)high-magnification image;(c)TiO2core with SrTiO3shell;(d)corresponding SAED

在水热反应初期,表现出“原位结晶”机制。随着反应的进行,部分TiO2颗粒继续溶解形成[Ti(OH)6]2-结构单元,依据其在溶液中的浓度不同,单体结构单元可通过羟联作用或氧联作用而形成多聚体[11]。而在水热反应后期,表现出“溶解-结晶”机制。当小的晶核经过生长超过一定的临界尺寸时,它们就处于稳定状态。按照奥斯特瓦尔德熟化机制[13],小晶粒越聚越大,最终长成骨苞,再在骨苞上按照SrTiO3固有的结晶习性生长,最终形成由多个单晶体组合而成的SrTiO3生长在TiO2纳米颗粒表面上的结构。

2.3 UV-Vis吸收光谱分析

图5是TiO2和TiO2/SrTiO3电极的UV-Vis吸收光谱。从图5中可以看出,在370~400nm波长范围内,TiO2/SrTiO3电极的吸收边有一些红移,增大了光电子在可见光范围内的吸收能力,有利于电子的运输,从而在一定程度上提高光电转换效率。

2.4 光电化学性能分析

图6 是TiO2/SrTiO3电极组装成的DSSC的IPCE曲线。从图6可以看出,IPCE随波长先增大后减小,在反应5h时,IPCE在530nm处达到了最高值86.47%,然而,进一步增长反应时间到8h,IPCE反而降低。相对于TiO2光阳极电池(IPCE是72.41%),TiO2/SrTiO3电极电池在水热反应为5,3,8h时,分别提高了14.06%,5.8%,3.78%。IPCE的提高归因于TiO2与SrTiO3的界面形成的势垒,改变了光生载流子的迁移过程,促进光生电子-空穴的有效分离,从而提高光电转换效率。

图7是TiO2/SrTiO3电极组装DSSC的J-V曲线,其性能参数列在表1。从图7 中可以看出,与纯TiO2光阳极相比,经过3,5,8h水热反应制备的电极组装DSSC的光电转化率分别提高了16.81%,35.65%,12.17%,且5h时光电转化率最高。文献[14]指出,包覆层变厚以后,不仅会使电荷从染料向TiO2层的注入效率降低,还会减少染料吸附量,导致开路电压或短路电流下降,从而降低光电转化率。如表1所示,水热反应8h时DSSC光电转化率降低了,这与文献报道的一致。

从表1可以看出,开路电压Voc和短路电流密度Jsc都有不同程度的提高。文献[15]指出,Voc取决于纳米半导体的费米能级和电解质氧化还原电对的氧化还原电势之差,纳米TiO2多孔薄膜平带电势改变能够很好地反映相应电池Voc的变化趋势,在DSSC中电解质环境相同的情况下,如果TiO2电极的平带电势越向负方向移动,则Voc越大,由此可知,SrTiO3包覆以后,薄膜的平带电势向负方向移动。薄膜的导带边负移和势垒层抑制电子复合共同作用,最终使Voc提高。Jsc的大小主要取决于激发态染料数目、电子注入TiO2导带的数目、电荷在TiO2薄膜中的传输和损耗等[16],SrTiO3包覆后的电池Jsc提高的原因是光阳极吸附的染料分子量比较多,电池的自由电子密度增大,形成能带势垒,最终提高了电池的总体转化率。水热反应8h时,由于时间较长,SrTiO3势垒层薄膜的厚度较厚,导带边负移,激发态染料与半导体导带能级之间的差值减小,造成电子注入动力减弱,注入电子数量减少,在一定程度上造成Jsc降低。因此,势垒层的厚度起着至关重要的作用。

另外,电池填充因子FF对电池性能也有一定的影响。从表1中可以看出,SrTiO3包覆以后电池的填充因子反而降低了,这可能是由于电池的串联电阻较大,因而影响了电池的转化效率。一般来说,J-V曲线的平滑部分越长,填充因子越高,电池的电阻越小,转化率也就越高。

图8是TiO2和TiO2/SrTiO3电极组装DSSC的EIS曲线。在DSSC中,一般Pt对电极/电解质界面电荷交换电阻为Rs,TiO2/电解质/染料界面的电荷转移电阻为Rct。从图8 可以看出,TiO2/SrTiO3-5h电极最小电阻Rs是17.2Ω,TiO2光阳极电阻Rs是20Ω左右,两者对比,TiO2/SrTiO3电极电阻有一定程度的降低,有利于改善电池的光伏性能。与包覆处理前相比,Rct有所增大,降低了电池的填充因子,这对电池的光伏性能不利,但是却降低了电池暗电流,从另一方面提高了光伏性能。

3 结论

(1)采用水热法成功制备出TiO2为核SrTiO3为壳的核壳结构光阳极,测试表明,一薄层SrTiO3包覆在纳米TiO2光阳极表面。

光电化学第7篇

兴业太阳能技术控股有限公司是这次活动的主要主办单位之一, 在活动中扮演重要角色, 中国建筑金属结构协会副会长、兴业太阳能技术控股有限公司董事局主席刘红维在发言中说:“兴业太阳能之所以组织这次摄影大赛, 其目的就是用相机记录下太阳能发电这一新生能源为社会带来的好处。接着, 刘主席介绍了兴业在这方面所做出的努力。他说, 通过光电建筑的不断探索和推进, 我们看到了希望。从屋顶建筑到现在的分布式发电规划, 从政府到媒体, 从我们企业自身的努力到社会的支持, 我们更加有信心为清洁能源做出应有的贡献。兴业的整体发展模式是:下一步将在重点城市、重点地区和重点行业寻找屋顶, 并同当地政府共同合作。刘主席还透露, 不久的将来, 兴业太阳能将用三至五年的时间, 计划在珠海建设500MW分布式光伏发电, 项目完成后, 珠海将成为全国地级市中最大的分布式光伏发电示范区。根据计划, 2014年底将在珠海建成150MW分布式光伏发电项目, 2015年底建成350MW光伏发电项目, 届时每年将为珠海发电5亿度, 为珠海市提供10%左右的用电量。

对于专项建设需要的庞大资金, 刘红维称, 将由兴业太阳能建立融资建设平台, 在境内外寻找投资人进行融资, 企业无需承担投资风险, 可享受优惠电价, 减轻电费压力。刘红维还强调, 目前我们的选择有两种, 整合资源是目前最大的工作, 兴业太阳能已经跟一些大的央企合作, 在一些经济较发达的地区寻找发展模式, 同时把分布式发电和绿色建筑有机的结合起来。他说, 作为以建筑市场起家的兴业太阳能公司, 我们从来就没有离开过建筑, 目前我们正跟北京建筑大学合作, 共同创建绿色建筑。他用一加一减的方式告诉大家, 做分布式发电建筑的规划和设计, 减法就是传统能源少一些, 加法就是新科技能源多一些。他说在政府的支持下, 我们看到了未来的希望, 看到了绿色建筑为环境所做出的贡献。我相信, 在不久的将来, 每个建筑都是小型的发电厂, 人人都是绿色能源的自助生产者。

国家应对气候变化战略研究和国际合作中心主任李俊峰在会上作了简短的即席讲话, 他说:从去年和今年年初的情况来看, 国内分布式的发展不是特别理想, 其政策还没那么到位。去年国内分布式完成3GW的装机容量, 这主要归功于财政部的金太阳工程, 2014年国家规划8GW的分布式发展目标, 这其中大部分是要通过自发自用的方式来完成, 完成起来是有难度的。实际上在资金流、现金流的透明度与可活动性方面, 分布式发电都面临着比较困难的局面, 银行现在与分布式电站接触并不是很多, 这就造成企业要想融资比较困难。虽然有关部门连续提出来要国家开发行和地方政府打造一个融资平台, 但这不是短期内能够很快做成的事情。如果项目不盈利, 打造任何一个融资平台都是解决不了问题的。如何盈利、如何融资是当前分布式面临的最大难题。这两年大型的光伏电站工程建设与发展情况相对较好, 这是因为大型光伏电站的投资回报是确定的, 而分布式的投资回报不确定, 电价政策透明度不够是导致分布式难以大规模推广的症结所在。

国家能源局制定的2014年光伏装机目标为14GW, 其中6GW为地面光伏电站项目, 剩余的8GW则要通过分布式发电实现。业内甚至将2014年称为中国分布式光伏发展的元年。不过, 目前分布式光伏发电要真正落地, 仍然面临较多待解决的难题。去年业内预计有较多的分布式发电, 但实际分布式占比不到四分之一。今年8GW的分布式光伏发电目标较难实现, 融资是目前面临的最大问题。他提到今年六月初, 美国白宫奥巴马总统在一次讲话中, 把光伏发电放在很高的位置。这说明世界各国都重视光伏发电。那么, 国外可以借鉴的模式有哪些, 在电网方面我们该如何做?一方面, 电网必须为分布式发展提供支持。光伏发电的消纳、转供必须通过电网来完成。在这里, 电网的态度很关键。另一方面, 要保证现金流的透明度。电费还是通过电网来结算比较好一些, 因为两个用户之间一结算, 很容易造成纠纷。特别是在光伏发电与电量消纳结合不是特别好的条件下, 光伏发电量并不能全部自己用完, 剩余的电量无法输送出去、没法消纳, 在这种情况下就必须通过电网转送, 所以电网的这种作用还是特别重要的。即使是在德国用户实现了分布式平价上网的条件下, 电网的这种作用还是很大的。若没有电网的参与, 分布式做起来是很困难的。

不管怎样, 随着新能源的运用和推广, 光伏和建筑的结合, 光伏服务百姓, 并确保万无一失是我们的期待。

中欧清洁与可再生能源学院教授刘建平以“中国的能源战略和应用”为题给大家讲了一堂意义深远的能源课。刘教授首先从我国的能源战略讲起, 他说, 所谓的战略、规划和计划, 都是针对未来, 战略是泛指重大的、带全局性的或决定全局的谋划、方案和对策。战略的特征是其决定全局性、长远性和宏观性。其本质是针对于未来某特定对象。在我们中国, 长期的叫战略, 中期的叫规划, 近期的称其为计划。三者的关系是需要相互支撑和相互配合。计划和规划、规划和战略, 换句话说, 规划是战略的组成部分, 计划是规划的组成部分, 从三者的性质看, 战略具有全局性、方向性和预见性。能源战略是能源可持续发展, 保障其安全的总体思路, 是致力于能源规划、能源计划和能源政策的研究目标。新中国成立以来, 历届的中央政府, 都没有把中国的能源战略公开发表过, 不发表并不是没有战略, 实际上是有的。只不过是根据当时的历史发展和经济社会发展状况、发展规划和发展纲要, 来确定当时的能源发展方向和发展重点。刘教授接着讲, 大家知道, 人类文明形态的演进与能源形式的更替是密切关联的, 我们人类文明发展的历史就是最早简单的柴薪历史, 到化学石油煤炭为主的化石时代, 我们现在的能源是以各种远古能源和现代能源混合交织在一起的能源来做支撑的。能源从我们远古文明的支撑到近代的工业文明和现代的信息文明, 随着全球人口的急剧膨胀, 人类的能源消费大幅度增长。众所周知, 煤炭、石油均为矿物能源, 是古生物在地下历经数亿年沉积变迁而形成的, 不可再生, 其储量极为有限。按现在的能源消耗, 世界上的石油、天然气和煤等生物化石能源将在几十年至两百年内逐渐耗尽。另外, 大量矿物能源的燃烧, 是造成大气污染、“酸雨”和“温室效应”的罪魁祸首。因此, 能源革命的呼声日渐高涨, 能源革命正在覆盖全球, 就目前而言, 我国面临着经济对能源的硬约束, 加之环境的压力, 所以尽快研究新型能源必须认真严肃的对待。科学制定国家能源发展战略规划, 制定能源长期发展目标已提到日程。

去年, 国家能源局重组, 经过大家的深入研究, 起草了国家能源战略安全报告, 并在中南海怀仁堂汇报, 党和国家领导人亲临并认真听取报告。这也是自新中国成立以来的首次。这说明能源问题已引起我国最高层领导人的重视。报告的战略思路基本清晰, 再经过讨论和完善后, 应该会有尽快的行动。报告确立的战略方针是:“安全、清洁、高效、经济”的八字方针。确立的目标是:着力构建现代开放条件下的现代能源体系。为了实现这个目标, 必须围绕着能源消费、能源生产、能源科技来大力推进能源革命, 顺应能源革命的潮流, 完成能源革命的任务。具体而言, 应该从减法、加法和乘法上做足文章。他说, 刚才刘红维主席也讲了, 那么什么是减法呢?所谓的减法就是切实改变能源消费的观念和消费的方式, 倡导能源节约, 淘汰落后产能, 采取多种方式来控制能源消费总量, 和能源消费的强度。所谓的加法就是积极推动传统能源转型, 保障人人供给, 在此基础上, 同时要大力促进新型能源发展, 在能源发展增量上提前预报, 科学预测, 以此来加大能源结构的调整和优化。所谓的乘法就是, 通过能源科技创新和体制变革来提升能源开发力度和产业运行的整体效率, 达到事倍功半的效果。刘教授接着说:工业、建筑、交通是能源消耗的著名三大领域。尽管目前还没有对建筑能耗全面统计, 但相关的研究已经表明, 中国的建筑能耗约占全社会能耗的20%, 他突出强调了“约”。

我们大家都知道, 从太阳日照时, 太阳就扮演着光明与温暖使者的角色, 伴随着我们新的能源革命, 就我们今天认识和使用的能源, 几乎所有的大都与太阳有着天然的联系。因此, 在新的历史条件和新的形势下, 我们必须给太阳赋予新的使命, 无论从资源储量角度, 还是从环境影响角度, 太阳能都让我们充满期待。据估计, 国外一项研究测算, 到2050年, 如果新能源在整个能源比例若超过50%, 那么至少有一半能源将会来自于太阳能。因此, 将代表重点能源领域消费的建筑业和代表新能源发展方向的太阳能有机地结合起来, 叫光电建筑。它是符合安全、清洁、高效和经济的能源战略方针的。也符合构建开放条件下现代能源体系的战略目标。刘教授进一步从理论上阐述道, 能源战略是指出发展方向, 能源规划是指出行动发展方案, 能源政策是为了促进更有效的实施, 能源法律是提供基础保障。所以, 战略目标的实现, 规划方案的落实, 需要政府主导, 更需要企业和全社会的联合行动。目前, 我们已欣喜地看到, 已经有像兴业太阳能这样的一大批企业, 已经自觉地行动起来, 成为顺应能源革命, 实现能源战略目标的生力军。《能源革命重塑中国》这本书正在起草之中, 我们相信, 能源革命不仅将重塑中国, 必将重塑世界。希望新能源和兴业太阳能继续探索前行, 为发展我国能源事业, 促动能源革命, 做出新的更大贡献。

中国建筑金属结构协会光电建筑应用委员会专家, 具有光电建筑业“马前卒”之称的罗多副院长, 以“绿色建筑中的分布式光伏应用”为题作了发言。她讲的主要内容有:绿色建筑为什么需要太阳能, 太阳能光伏与建筑的结合及相关案例介绍。

她首先从绿色建筑概况——绿色建筑的定义与发展讲起。她说, 在建筑的全寿命周期内, 绿色建筑能最大限度地节约资源, 包括节能、节地、节水和节材。以保护环境和减少污染, 为人们提供健康、适应和高效的使用空间, 是与自然和谐共生的建筑。在这里, 她用实例介绍了1974年美国欧伯罗斯生态住宅和21世纪太阳能绿色住宅建筑理念。她以人类对长生不死的神兽信仰“永远的欧伯罗斯”为例, 来呼吁绿色建筑, 建立可持续家园。那么, 什么是欧伯罗斯呢?欧伯罗斯是古希腊神话中的一个怪兽的名字, 此怪兽可以吞食自己不停生长的尾巴而长生不死。它象征不断改变形式, 但永不消失的一切物质与精神的统合, 也隐喻着毁灭与再生的循环。由于欧伯罗斯可以完全不靠外界食物而长存, 并富有神秘、轮回、生生不息的气氛 (功能) , 因此一些西洋炼金术或早期基督教神秘教派, 常以欧伯罗斯为其图腾标志。人类如果能像欧伯罗斯那样, 不消耗外界食物而能自我生生不息的话, 那么世界上就会减少绝大多数的资源掠夺与社会争端, 也就不会导致今天的地球环境危机了。

人类需要绿色建筑, 绿色建筑的三个目标为:一是舒适健康的人居环境, 二是最少的消耗自然资源, 三是最少的影响外界环境。从“中国太阳能的分布情况看, 中国是一个制造业大国, 2011年工业用电占到了全国用电的75%, 就耗电量而言无疑是最大的。而工业建筑面积有多少呢?目前中国建筑面积达到了614亿平方米, 其中住宅面积有430亿平米, 公共建筑面积有89亿平方米, 工业建筑面积则为95亿平米。目前中国的厂房建设不再是零散式, 多数是以工业园区的形式集中规划, 这种规划使得园区内大面积建筑都是低矮建筑, 没有遮挡, 而且大部分屋顶平坦, 对于光伏发电设施的建设十分有利。因此, 我国在屋顶利用光伏技术发电, 具有极大的潜力。她又从六个方面进行了仔细说明:1, 实现经济与生态协调发展和可持续发展将使绿色建筑成为未来建筑的必然选择;2, 上游产业的成熟及国家扶持将促进绿色建筑成为未来建筑的必然选择;3, 因地制宜, 成本控制将成为未来绿色建筑发展的方向;4, 绿色建筑将逐步从公共建筑向普通住宅发展;5既有建筑建造将成为绿色建筑发展的新增长点, 6, 分布式能源将成为绿色建筑发展新亮点。以2008-2012年太阳能光伏组件成本, 以10亿平米为例, 以增量成本258元/平米, 那么, 经济效益就是2580亿元, 人均产值每年50万元, 可解决就业10.32万人。“十二五”期间, 完成新建绿色建筑10亿平方米, 其增量成本就是100元/平米, 共计经济效益可达1000亿元, 人均产值可达每年50万元, 并可解决4万人就业。到2015年末, 大约有20%的新建城镇, 其建筑将达到绿色建筑标准。

根据发改委价格司2013年8月26日发布的最新光伏电价政策, 罗多归纳了五方面的要点:1, 三个分区标杆电价 (统购统销模式) :0.90、0.95、1.0元/kwh;2, 对于分布式光伏自用电, 给以0.42元/kwh的补贴;3, 分布式光伏的返送电量按照当地脱硫电价收购;4, 其执行期原则上20年;5, 绿色建筑的光伏发电主要为建筑自发自用。光伏电价政策的出台, 良好的解决了分布式光伏投资风险的问题。

在建筑节能方面, 应根据区域气候特点和居民生活方式, 因地制宜, 着眼于降低总能耗。可分为:被动优先+主动优化到主被动结合。具体而言, 被动优先 (即合理的场地布置和建筑设计再到提高建筑物体本身的保温隔热的能力) , 主动优化 (即使用节能高效设备到使用可再生能源) , 最后达到科学合理的运行管理体系。在具体的运行中, 太阳电池与建筑材料结合在一起, 成为不可分割的建筑材料式建筑构件, 建材型光伏构件的重要性也体现在这里。体现在关键技术方面的领域主要有建筑、结构、艺术、热工、电子、电力、能源、环境等领域。对光伏产业链, 从系统设计到材料购置, 到装配加工, 再到现场安装, 到运营服务等。要达到被动优先和主动优化到多种技术的综合利用。

建筑用太阳电池组件种类方面, 单晶硅的效率最高16-20%, 可生成140-160W, 多晶硅的效率最高15-18%, 可生成120-140W, 非晶硅的效率较低6-10%, 而CIS效率较低9—12%, 还有其它不一一列举。

在各种通风技术减少空调使用量中, 基本有三种方式:一是用玻璃幕墙水平和垂直通风相结合;二是核心筒热通道;三是底层大开敞。在太阳能建筑一体化及热电联产部分, 可采用光伏+遮阳、采光顶、幕墙、雨棚及所有能做太阳能的地方。并要充分考虑经济、高效、安全的光伏光热一体化幕墙——热点联产。

关于计算机云系统与智能微电脑网及空调设备的耦合, 办公楼宇的智能微电网支持计算机主机的CPU系统。计算机云系统支持设置加班层, 可降低大型空调机组的使用量, 使计算机云系统降低设备能耗。室内和景观设计与建筑被动技术和智能化系统的耦合, 室内灯光、内窗帘等材料选择与建筑自然采光的结合 (灯导管) , 及灯光照明与窗帘的智能化控制策略, 室内水景和园林水景与中水系统相结合。

总之, 太阳能建筑一体化, 主动优化加被动优先, 根据不同的区域可应用到屋顶电站, 通风遮阳百叶, 彩光顶, 幕墙和裙楼雨棚, 太阳能发电, 可超过13%的大楼用电, 太阳能热水, 可给予大楼沐浴设施供水。智能微电网, 有四种状况:一是并网运行, 光伏发电量充足, 负荷用电量小 (包括节假日) ;二是并网运行, 光伏发电量为零, 负荷用电量小 (包括夜晚) ;三是储备变流器发生故障;四是市电发生故障, 微电网孤岛运行——为机房供电。特别在海岛, 无电的边远地区或远离大电网的地方, 提供必要供电。在通讯基站, 信息中心、科研院校、医疗机构等重要负荷领域, 提供关键电源。针对工商业用电、普通居民用电的高效户, 用光伏直流微电网系统, 并进行综合能源管理, 为用户带来经济效益。

高性能碳纳米管光电器件和光电集成第8篇

1 碳纳米管及其光电器件

1.1 碳纳米管

碳纳米管, 又名巴基管, 是一种具有特殊结构的一维量子材料。碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成, 因此按照石墨烯片的层含缺陷碳纳米管数可分为:单壁碳纳米管 (如图1) 和多壁碳纳米管。其中, 单壁碳纳米管可以看做是由单层石墨烯沿着一定方向卷曲而成。根据对称性碳管可以将其分为手性碳管和非手性碳管, 碳纳米管会因为手性不同的原因, 呈现很多独特的现象, 即它可能是导体, 也可能是半导体, 而且半导体的带隙也会随直径的变化而各不相同, 导致不同直径的碳管可以吸收不同波长的光子, 具有很高的光吸收系数, 被誉为“最黑的材料”, 因此它在光学领域有着巨大的应用前景。另外, 碳纳米管还是一种有意的电学材料, 碳纳米管的电导接近极限电导, 本征迁移率高, 平均自由程较长。就金属型碳纳米管来说, 其量子电导可以到2e2/h, 接近理论极限, 且可以承受高达109A/cm2电流密度。

1.2 碳纳米管光电器件

碳纳米管光电器件的工作原理为, 电子吸收光子能量后, 首先形成激子, 随后高能级的激子衰减为低能级的自由电子空穴, 激子衰减为自由电子空穴后再内建电场的作用下分离并被外电路收集, 从而形成输出信号。碳管的制备工艺包括光学曝光、电子束镀膜、SEM定位碳纳米管等, 通过制备就可以制作出由于生产碳纳米管光电器件的二极管。二极管是现代光电系统的最基本原件, 基于碳纳米管的二极管可以通过对碳纳米管进行化学掺杂来实现p-n结, 通过金半接触可实现内部电势差。通过分离栅结构等二极管制备工艺制作的非对称无势垒双极性二极管具有很明显的优势, 主要表现为:结构简单, 制作程序简便;器件尺寸小, 功耗低;有着很好的稳定性等。

碳纳米管光电器件的光电压与管径大小密切相关, 其中, 对于单壁碳纳米管来说, 其直径大约在0.8nm~3nm之间, 对应的光电压为0.2V~1.5V。然而这只是理论上的数据, 在实际测量中则要小得多, 一般的二极管光电压只有0.2V左右。在这种情况下, 光电集成电路很难有效驱动下一级的放大电路, 因此, 必须要提高其高效性。这就要引入非对称无势垒双极性二极管的研究。为了达到有效解决碳纳米管光电器件输出光电压信号小的问题, 可以通过在碳管二极管中引入级联结构。而且实践研究证明, 通过引入虚电极 (不会向外传导电流) 可以实现无势垒双极性碳管二极管的级联。这就有分为串联和并联两种情况。由于在串联电路中, 短路电流往往低于串联结构中的单独器件的电流, 因此, 可以在单根碳纳米管上引入并联结构, 这样二极管总短路电流为子器件之和, 以增加二极管的光电流输出强度。

2 高性能碳纳米管光电集成

2.1 光电集成

所谓光电集成就是为了制备稳定性高, 成本低廉的小型化光电集成回路。一般而言, 一个光电集成回路通常包括光发射器、光探测器、光波导、驱动电路和处理电路。相较于电子电路, 光电集成电路具有传输速率快、稳定性好、抗干扰能力强等优势, 因而基于光电器件的集成电路将会被广泛应用到通信、自动化控制、信息处理等高技术领域, 成为未来信息传输和信息处理的主要工具。然而, 不可否认的是, 当前这种集成电路的制备工艺受限, 没有标准化, 且生产成本高, 难以规模化生产, 发展速度缓慢, 现阶段的光电集成电路尚处于初级阶段。

2.2 光电集成与碳纳米管

光电集成电路在制备工艺上, 成本低廉、稳定性高的单片集成方式应用较为广泛, 当前光通信高速发展, 为了满足其发展的需要, 必须要寻找一种高效的片光电集成方法, 而碳纳米管就是一种不错的选择。碳纳米管具有很强的光学和电学性能, 具有高的光吸收系数, 有着很强的兼容性及较快的光响应特征, 是制备单片光电集成电路的理想材料。尤其是半导体单壁碳纳米管, 在集成电路制备方面已有了很大的进展。总之, 光电集成通过引入碳纳米管元件能够获得高性能的单片光电集成电路, 而且还会促使未来的光电集成逐步实现从微米量级的大小向亚微米级甚至是纳米量级的转变, 届时光电集成各方面的性能都将会得到最大程度的提高。

3 总结与展望

总之, 单壁碳纳米管具有很高的光吸收系数, 光响应速度极快, 且其能隙随直径可调, 因而在纳米尺度光电集成回路方面具有巨大的应用前景。当前光电集成回路存在着工艺不匹配、制备工作效率较低等问题, 寻找这些问题的解决方法, 探索新的解决思路, 将会不断促进碳纳米管一体化光电集成的向前发展。

另外, 在碳纳米管光电器件和光电集成领域取得了一些成绩的同时, 也应清醒的认识到, 基于碳纳米管的光电器件发展还有很长的一段路要走, 仍有很多技术性问题亟待解决, 比如, 光电器件的发光效率提升问题, 碳纳米管生长的可控性问题等, 未来随着碳纳米管材料生长技术和器件结构设计的日臻成熟, 碳纳米管光电器件将很有可能实现在片光互连。

摘要：当前, 由于大多数光电器件的工艺与硅基电路不相匹配, 致使其制备需要巨大的成本, 且制备过程异常繁琐。本文就以碳纳米管制备材料为切入点, 探讨高性能碳纳米管光电器件和光电集成的优化。

关键词：碳纳米管,光电器件,光电集成

参考文献

[1]北京大学在碳纳米管光电器件研究方面有新进展[J].中国粉体工业, 2011.