功能材料-光学理论-.ppt

粒子数反转：在通常情况下，因为热力学的平衡态服从波尔兹曼分布律，使得处于基态（最低能级）的原子数远远多于处于激发态（较高能级）的原子数。为了形成足够的激发辐射，得到强相干的激光束，必须激发原子群体，使亚稳态上的原子数目超过基态上的。该过程称为粒子数反转。 各种激发方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了使激光持续输出，必须不断地“泵浦”以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。 例如，氦氖激光器中，通过氦原子的协助，使氖原子中的两个能级实现粒子数反转而获得激光。 亚稳态 一、能级结构 ?ν1 ?ν2 ?ν3 激发态 基 态 钕钇铝石榴石 红宝石 P167 （a）示意图 (b) 实物图 冷却管 二、激光器工作原理 1 2 3 4 5 6 激光工作物质 产生、发射激光的物质，固体单晶，气体等；通过掺杂控制亚稳态能级。Cr3+-Al2O3，Nd3+-YAG (P170) 激发光源 使1从基态达到激发态， 聚光腔 使各向同性的受激辐射（激光），向轴向聚集； 光学谐振腔 对轴向聚集的激光进行多次全反射，大量相干、放大，获得单色、高功率激光，从部分反射端发射； 冷却系统 对激光器及腔体进行冷却保护； 第五节 光性能 5.1 概论 5.2 光吸收与透射 5.3 光发射 5.4 光电效应 （1）光电导效应 （2）光生伏特效应 （3）光电发射效应 半导体的光电效应 因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应 半导体的光电效应可分为:内电光效应与外电光效应 内电光效应: 光电导效应 光生伏特效应 外电光效应: 光电发射效应 光电导效应 光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应 当光照射到半导体材料时,材料吸收光子的能量，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。 主要有本征光电导与杂质光电导。 光电导效应 当入射光功率为 为常数时： 用来产生光电效应的光功率: 产生非平衡载流子的光子数： 在单位体积内产生非平衡载流子的浓度： 在稳定光照下，光生载流子不断产生，同时也不断复合。在稳定时光生载流子的浓度为： 在外电场下，载流子定向运动，载流子数量会有变化，光电导为： 短路光电流密度为： 产生的短路光电流： 光生伏特效应 光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。 产生机制： 光生载流子的浓度梯度 光电磁效应 势垒效应（PN结） 太阳电池经历了四代的发展 27.6%, Amonix, 2005 12.3% Gr?tzel, 2009 7.9%, Green, 2010 19.9%, Repins 2008 41.6%, King, 2009 19.9%, Repins 2008 第一第二代p-n结太阳能电池基本原理 太阳能电池是由电性质不同的n型半导体和p型半导体连接合成，一边是p区,一边是 n 区，在两个相互接触的界面附近形成一个结叫p - n结，结区内形成内建电场，成为电荷运动的势垒。 p-n结太阳能电池基本原理 当太阳光入射到太阳电池表面上后，在p-n结中产生电子-空穴对，在p-n结内建电场作用下，空穴向p区移动，电子向n区移动，形成电流。 第三代染料敏化太阳电池 1991年在Nature发表的论文 技术突破：在光电极上引入多孔二氧化钛层 转换效率：7.1% 2010年最高转换效率突破12% 染料敏化太阳电池的结构 典型染料敏化太阳电池组成： （1）光电极：TCO+多孔二氧化钛层 （2）敏化剂：染料(N719/N3)+溶剂 （3）电解质：I-/I3-(LiI/I2)+溶剂 （4）对电极：TCO+Pt催化层 染料敏化太阳电池的工作原理 染料结构 An arylamine or dialkylamine as the electron donor, a 2-acrylic acid as the electron acceptor, and a conjugated spacer between the donor and the acceptor.  电荷分离机制 由内建电场实现电荷分离 半导体材料即参与电荷分离，又参与光子捕获 P-N结太阳电池 染料敏化太阳电池 由光合作用过程的动力学竞争实现电荷分离 半导体材料仅参与电荷分离，不参与光子捕获 * 功能材料-光学理论 天津大学材料学院 杜希文 第五节 光性能 5.1 概论 5.2 光吸收与透射 5.3 光发射 5.4 光电效应 （1）光电导效应 （2）光生伏特效应 （3）光电发射效应 400 — 760 nm范围内的电磁波可被人眼感受到，该波段内电磁波叫可见光。