纳米半导体薄膜电极的制备及光电效率研究杨彦秋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4Contents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 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：半导体材料 的禁带 宽度不 能太宽具有较高的 光电转 化效率材料本身对 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4Content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：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，薄膜电极作为光阳极，以镀 铂电极为光阴极。用热封膜将TiO2电极和铂对电极封装，从侧面预留 小孔中滴入电解液。把两片玻璃稍 微错开，以便利用暴露在外面的部 分作为电极的测试用。利用两个夹 子把电池夹住，这样，你的太阳能 电池就做成了。染料敏化太阳能电池的组装：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4Content思路1思路2思路3思路4电解质体 系： 液态电解质 存在如封装 困难, 易泄露等问题， 用固态或准 固态电解质 替代对电极： 以碳纳米颗 粒作为对电 极改进和完 善多孔、 高 比表面积碳 基等非金属 类对电极材 料的制备工 艺思路5提高光电转换效率的方法：薄膜电极: 改善TiO2 薄膜制备方 法孔的大小 晶体类型 与窄半导 体复合 过渡金属 离子掺杂 表面沉积 贵金属染料光敏化 剂： 主要有金属 配合物染料 和纯有机染 料，通过共 敏化方式可 以拓宽电极 的吸收光谱上转换发 光层： 用上转换发 光材料将红 外光转换为 电池可以吸 收利用可见 光和近紫外 光太阳能电池概述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4Content将酶燃料电池与光伏电池结合酶电极与光能转换电极结合，通过一个多步骤的催化过程，可 以实现生物催化的光能电能的转换。这种光/酶混合燃料电池为 利用有机体实现光电转换提供了一个新的思路。工作原理:当光照射到阳极，电子从激发态的染料(S*) 转移到涂有纳米TiO2的导电FTO/IT0玻璃电极(CB)上，失去电子的染料(S*+) 从酶电极氧化还原对NAD(P)H/NAD(P)+重新得到电子转变为S0。葡萄糖脱氢酶氧化葡萄糖同时将S*+与NAD(P)+还原为NAD(P)H，这个电池还可以用乙醇作燃料。这种光/酶混合燃料电池的研究尚处于初级阶段 ，目前只局限在对阳极的研究，没有与之配对的光/酶阴极，所以这种生物燃料电池仅能认为是准混合 光/酶燃料电池。TiO2型PE塑料薄膜抗菌性能：将纳米TiO2抗菌剂和聚乙烯塑料树脂均匀共混，制成塑料制品或塑料膜即可成为抗菌广 谱、长效、安全稳定的功能性塑料。适于制作 医疗卫生用品、餐饮器具、卫生要求高的各类 包装材料等产品。Thank you !