超薄膜吸收器及其在太阳能光解水制氢和太阳能光伏中的应用 刘东.docVIP

中国工程热物理学会 学术会议论文 超薄膜及其在太阳能光解水制氢和太阳能光伏中的应用* 杨震1 段远源Wang2 （1清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室， 2Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, Massachusetts 02139, USA） （电话：010 E-mail: yyduan@tsinghua.edu.cn） 摘 要 太阳能利用重要途径之一极具潜力的材料但是氧化铁光生穴的扩散长度（nm）小于其穿透（nm时nm）在参与光催化反应之前发生严重的复合从而极大降低太阳能利用效率。提出一种氧化铁/孔阵列的双层氧化铁的厚度仅为nm，且具有很强的可见光吸收特性因此电流比相同厚度的氧化铁电池高%。关键词 ；；；光解水；光伏 0 言 能源危机降低光解水制氢是太阳能的重要途径之一，它可以将太阳能以氢气化学能的形式储存起来，因此解决了太阳能利用地域和时间上的限制2]。要求材料在水溶液中稳定存在，间隙大于水氧化还原反应的吉布斯自由能提高太阳能利用效率要求材料可见光范围具有的光学吸收特性同时为了世界还需要具备廉价和储量丰富的特征3]。具备上述要求因此是极具潜力的材料。 氧化铁缺点是电荷输运能力差。的反应原理是：氧化铁吸收能量大于能带间隙光子产生电子对；输运到氧化铁和水的面，将水氧化成氧气；电子输运到阴极还原成氢气。在氧化铁中的扩散距离为nm，远小于在氧化铁的穿透距离（nm时为nm）因此电子电穴对会在远离氧化铁和水的产生，电穴在输运到界面之前会电子发生严重的，其不能参与氧化还原，从而极大降低太阳能效率3]。研究通过采用纳米结构氧化铁或利用表面等离子体激元效应在保证的光学吸收的同时减小氧化铁的厚度4-7]，但是这些结构中氧化铁的厚度为nm量级，仍然存在严重的电子电穴复合损失8]，光生电流和电池效率理论效率的四分之一更低9, 10]。 减小了复合损失同时此结构1 氧化铁/银双层超薄膜结构(a)为常见的减反射率的介质透明材料，为λ的入射波在界面发生反射的1相位为π厚度，界面发生反射后的光波2在介质传播了半个波长因此2的相位为π；同理，次反射后的光波k的为π；1和r2…rk相互抵消，从而减小射率提高吸收率。吸收率最小厚度。介质吸收性材料时，和处于同一量级），例如氧化铁，b)所示，反射波1-k的相位将不仅限于π，因此当介质时也可能存在1和r2…rk相互干涉抵消、吸收率增强的情况11]。亚波长干涉共振效应是强化光学吸收的第一种机理。 (a) 减小反射结构(a) Anti-reflection structure (b) 氧化铁/银超薄膜结构 图干涉共振效应Fig.1 Ultrathin film interference resonance 本文计算了/银光学吸收特性银的厚度为nm，超薄膜光学不透明；氧化铁的厚度为nm。nm，因为nm时，太阳能能量密度很小，可以忽略；波长上限为nm，于氧化铁的能带间隙eV。在中的扩散距离为nm，因此本文只计算距离氧化铁/水界面nm以内的吸收率。本文还计算了nm厚的氧化铁薄膜的吸收率作为比较基准。计算光学特性需要求解Maxwell方程，本文采用时域有限差分法（Finite Difference Time Domain，FDTD）[12]求解Maxwell方程，并进一步计算结构的光学特性。FDTD方法对电场和磁场分量在空间和时间上采用交替抽样的离散方式，每一个电场分量周围有四个磁场分量环绕，并且电场和磁场在时间上交替更新，Maxwell方程中的旋度项和时间偏导项被离散为差分形式[12]。求解Maxwell方程获得顶部和离氧化铁/水界面nm处平面处的电磁场后，可以计算出反射率ρ和透过率τ，吸收率αρ-τ。 计算结果。可以看出，氧化铁超薄膜光学吸收特性在整个波长范围内都显著强于氧化铁薄膜可以看出，当波长大于nm时，衰减。这是大于nm时，氧化铁光学常数8]的虚部实部，，如图因此作用减弱氧化铁超薄膜吸收率趋向于氧化铁薄膜的吸收率。小于nm时，吸收率氧化铁厚度增大而减小，因为厚度增大时，更多的光子在距离氧化铁/水界面的地方被吸收。波长nm时，吸收率随着氧化铁厚度增大而增大，因为此时作用厚度的影响主导作用，厚度增大使得氧化铁能吸收更多光子。 图2 氧化铁/银超薄膜结构的光学吸收特性 .2 Optical absorption properties of Fe2O3/Ag ultrathin film 图3 氧化铁的光学常数.2 Optical