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纳米半导体薄膜电极的制备及光电效率研究 杨彦秋 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，也是清洁能源，不产生任何的环境污染，我们只需要利用其中很小的一部分就可以满足人类的需要 Thank you ! * * 2011.3.30 太阳能电池概述 1 纳米及改性TiO2在太阳能电池中的应用 2 提高光电转换效率的方法 3 纳米TiO2与生物相结合技术 4 Contents 　在太阳能的有效利用当中，太阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是解决世界范围内的能源危机和环境污染的一条重要途径。 太阳能电池的研究意义： 中国太阳能电池产业： 多元 化合物 非晶硅 多晶硅 单晶硅 纳米晶化学太阳能电池 太阳能电池的发展历史： 太阳能的发展：1954年Bell实验室研发出第一个单晶硅太阳能电池，效率为6%。 太阳能电池的比较： 禁带宽度 光电转化效率 环 保 ④材料便于工业化生产且性能稳定 制作太阳能电池材料的一般要求： ①半导体材料的禁带宽度不能太宽 ②具有较高的光电转化效率 ③材料本身对环境无污染 稳定性 太阳能电池概述 1 纳米及改性TiO2在太阳能电池中的应用 2 提高光电转换效率的方法 3 纳米TiO2与生物相结合技术 4 Content 　一方面纳米TiO2具有良好的光电转换能力，故一般将其修饰到透明的导电玻璃上作为光阳极。 在太阳能电池中的应用 　另一方面纳米TiO2膜表面具有多孔的结构，可以通过吸附作用把染料固定在纳米TiO2表面，以进一步提高电池的光电转换效率。所以纳米TiO2在太阳能电池上受到人们的普遍关注。 TiO2在太阳能电池中的应用： 第二步 第一步 　制备钛的氢氧化物凝胶即前躯体，反应体系有四氯化钛与氨水体系和钛醇盐与水体系等。在这个过程中生成的凝胶大多是无定形，需要进一步结晶。 将凝胶转入高压釜内，按一定的升温速度加热，达到所需温度(250℃)，恒温一段时间，卸压后洗涤、干燥即可得到纳米级的二氧化钛。 纳米TiO2粒子的制备方法： 溶胶凝胶 热蒸发 电子束 磁控溅射 在大于10-3Pa真空下用钨、钼电阻发热至2000℃左右，使TiO2膜材料气化，获得足够分子自由程及能量而沉积在被镀工件上形成不大于1 um厚度TiO2薄膜。 加速电子束轰击阳极TiO2膜材料，使TiO2获得热能而真空气化沉积凝结于被镀工上，形成厚度不大于1um的薄膜。 TiO2阴极靶材，受到高速阳离子气体的动能、动量撞击传输，溅射高能的TiO2分子或分子团，这种获能粒子在电场作用下飞奔并沉积在阳极基板上。 纳米TiO2薄膜的制备方法： 制备溶胶，溶胶通过涂覆或者提拉浸泡法在电极上附着、晾干，最后通过在马弗炉中煅烧或红外灯烘烤等方法进行热处理。 改性研究 　辐射到地球表面的太阳光中可见光43%，紫外光占4%，TiO2的禁带宽度为3.2eV，吸收位于紫外区，对可见光的吸收较弱。 DSSC电池 把染料吸附在TiO2表面，借助染料对可见光的敏感效应，增加了整个染料敏化太阳能电池对太阳光的吸收率。 增加对太阳光的利用率 提高半导体的光电转换效率 纳米TiO2的改性研究： 　　在绝对零度温度下，半导体的价带是满带，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴，导带中的电子和价带中的空穴合称为电子－空穴对。 光电转换原理： S0 S1 S2 S3 禁带 空带 e- 满带 导带 电子跃迁示意图 上述产生的电子和空穴均能自由移动，成为自由载流子它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流。 DSSC原理示意图： DSSC是由透明导电玻璃、TiO2、多孔纳米膜、敏化染料、电解质溶液以及镀Pt对电极构成的“三明治”式结构电池。 (4)处于氧化态的染料分子(S*)与电解质(I-/I3-)溶液中的电子供体(I-)发生氧化还原反应而回到基态，染料分子得以再生； (5)在对电极附近，电解质溶液得到电子而还原。 光电转换机理： (1)太阳光(hv)照射到电池上，基态染料分子(S)吸收太阳光能量被激发，染料分子中的电子受激跃迁到激发态 (S*)； (2) 激发态的电子快速注入到TiO2导带中； (3)电子在TiO2膜中迅速的传输，在导电基片上富集，通过外电路流向对电极； TiO2薄膜电极的表征： 染料敏化太阳能电池的性能分析： 能量转换效率η的定义： — Pin 太阳光模拟器的　　　　　　　　　　　　　　　入射折射功率密度 — Voc 开路电压 — Jsc 短路电流密度 — FF 填充因子 由此计算出能量转化效率。 将TiO2电极从染料溶液中取出，用乙醇冲洗，洗去吸附在表面的染料，薄膜电极作为光