光电子材料与器件
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作者唐群委,段加龙,段艳艳 著
出版社科学出版社
ISBN9787030529404
出版时间2017-06
装帧精装
开本16开
定价108元
货号1201528723
上书时间2024-11-23
商品详情
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目录
第1章太阳能电池概况
1.1太阳能
1.1.1太阳常数
1.1.2太阳光谱
1.1.3光伏发电
1.2太阳能电池的基本原理
1.2.1半导体基本知识
1.2.2能带结构
1.2.3载流子
1.3太阳能电池的发展历史及分类
1.3.1太阳能电池的发展简史
1.3.2太阳能电池的分类
1.4太阳能电池的发展前景
参考文献
第2章染料敏化太阳能电池
2.1染料敏化太阳能电池的发展历史
2.2染料敏化太阳能电池的基本结构
2.3染料敏化太阳能电池的基本原理
2.3.1电子—空穴对的分离
2.3.2光生电子的复合
2.4染料敏化太阳能电池的评价与表征测试
2.4.1光伏性能测试
2.4.2形貌分析
2.4.3成分分析
2.4.4电池的量子效率
2.5染料敏化太阳能电池的工作模型
参考文献
第3章染料敏化太阳能电池半导体光阳极
3.1染料分子的选择标准以及研究现状
3.2光阳极半导体材料的选择与种类
3.3形貌控制纳米晶光阳极
3.3.1高比表面积光阳极
3.3.2纳米线结构光阳极
3.3.3纳米管结构光阳极
3.3.4多级结构光阳极
3.3.5其他结构光阳极
3.4掺杂纳米晶光阳极
3.4.1金属元素掺杂
3.4.2非金属元素掺杂
3.4.3复合元素掺杂
3.5复合纳米晶光阳极
3.5.1同质复合光阳极
3.5.2异质复合光阳极
3.6改善光阳极的途径
3.7光阳极材料的发展前景
参考文献
第4章染料敏化太阳能电池的对电极
4.1对电极催化剂的选择标准
4.2对电极催化剂的种类
4.2.1铂材料
4.2.2合金材料
4.2.3碳材料
4.2.4过渡金属化合物
4.2.5导电聚合物
4.2.6复合材料
4.3对电极的催化机理
4.4对电极的合金效应
4.5透明对电极
4.6对电极的制备方法
4.6.1磁控溅射法
4.6.2电化学沉积法
4.6.3热分解法
4.6.4化学还原法
4.6.5气相沉积法
4.6.6置换法
4.6.7水热法
4.6.8原位聚合法
4.7对电极存在的问题
4.8对电极材料的发展前景
参考文献
第5章染料敏化太阳能电池的电解质概况
5.1电解质的概述
5.2液体电解质
5.2.1多碘体系电解质
5.2.2非碘体系电解质
5.3液体电解质存在的问题
5.4离子液体电解质
5.5准固体电解质
5.5.1基于凝胶剂准固态电解质
5.5.2基于三维网络聚合物准固态电解质
5.5.3基于离子液体准固态电解质
5.6固体电解质
5.6.1加速离子的传输
5.6.2改善电解质的渗透能力
5.6.3减小界面间的复合反应
5.7添加剂对电解质的影响
5.8电解质的发展前景
参考文献
第6章染料敏化太阳能电池的创新性设计
6.1P型染料敏化太阳能电池
6.2平面柔性染料敏化太阳能电池
6.2.1柔性光阳极
6.2.2柔性对电极
6.3纤维状染料敏化太阳能电池
6.4可拉伸染料敏化太阳能电池
6.5凹槽型染料敏化太阳能电池
6.6圆筒式染料敏化太阳能电池
6.7多功能染料敏化太阳能电池
参考文献
第7章量子点敏化太阳能电池
71量子点概述
7.1.1量子效应
7.1.2量子点的应用
7.1.3量子点的优势
7.2量子点敏化太阳能电池与染料敏化太阳能电池的区别
7.3量子点敏化太阳能电池的关键材料
7.3.1量子点敏化剂
7.3.2宽禁带半导体
7.3.3电解质
7.3.4对电极
7.4量子点敏化太阳能电池的发展前景
参考文献
内容摘要
面对日益严重的环境问题，新能源的开发利用已经成为了实现世界经济可持续发展的迫切需求，利用太阳能电池将太阳能转变为电能作为一种很直接有效的方式，已在人们的日常生活中起到了不可忽视的作用。本书详细介绍了染料敏化太阳能电池的基本组成、基本原理以及关键组成部分的发展近况，从染料敏化的光阳极、对电极催化剂到电解质，系统的概括了影响染料敏化太阳能电池性能的关键性因素，对如何提高性能起到了指导作用。同时量子点敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池作为新型的太阳能电池，由于具有优良的性能，引起人们的广泛关注，在本书中也都做了详细的介绍。
精彩内容
靠前章 太阳能电池概况
从石器时代到铁器时代，甚至到目前的信息时代，人类经历了不可思议的重大变化，学会了使用火种，创造了蒸汽机，发明了电器。每一次的变革都代表着新一代能源技术的革新，推动着人类社会的进步。但是，扮演主要角色的化石能源（煤、石油、天然气）却在提供发展动力的同时，对人类的生存环境造成了毁灭性的污染。化石燃料的日益消耗以及二氧化碳排放导致的环境问题，已成为全世界、全人类共同关注的问题。根据世界能源机构分析数据，已探明的石油、天然气、煤的剩余可开采年限仅为45年、61年和230年，因此，新能源的开发与利用已成为实现世界经济可持续发展的迫切需求。
“2015优选新能源企业500强发布会暨新能源发展高峰论坛”在北京举行，并对新能源的消费结构进行了分析，“十二五”期间，我国非化石能源占一次能源的消费比重从2010年的8.6%提高到了2015年的12%。“十三五”期间的目标是，到2020年，我国非化石能源占一次能源的消费比重达到15%，并提出到2030年达到20%，在此过程中，各种新能源将在未来扮演越来越重要的角色。太阳能，从某种形式上说，是地球上几乎所有能源的源头。而人类，像所有其他的动物和植物一样，因为温暖和食物而依赖于太阳。然而，人类同时还以许多不同的方式利用太阳的能量。比如化石燃料，一种来自以前地质时代的植物材料，就被用在交通运输和发电上，它本质上就是储存了无数年以前的太阳能。类似地，生物把太阳能转换成可以用来加热、运输和发电的燃料。风能，几百年来被人们用来提供机械能以及用于运输的能源，利用的是被太阳光加热的空气和地球转动产生的空气流动。如今，风力涡轮机把风能转换成电能，甚至水电也是源之太阳能。水力发电依赖于太阳光蒸发的水蒸气，水蒸气以雨水的形式回到地球并流向水坝。
1.1 太阳能
太阳能是由太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量，与风能、水能、潮汐能、地热能等能源一样，是一种可持续的清洁能源，并且由于资源丰富、清洁环保、无地域限制等优势成为了理想的开发能源。据粗略计算，太阳向宇宙多方面的辐射总能量大约为4×1026J.s.1，而地球接收的能量可高达2.5×1018J.min–1，相当于地球同期全部能量总和的上万倍，因此如何高效地利用太阳能将对未来的能源转变起到举足轻重的作用。
1.1.1 太阳常数
太阳常数（solarconstant，W.m–2）是指在大气层之外，太阳到地球的平均距离D=1.496×108km处，垂直于太阳光线的单位面积上单位时间内接收的太阳辐射能量流密度。由于不同的测试方法以及测试环境都会对该数值造成一定的差异，因此，为统一起见，目前认可的数值为1353W.m–2，此辐射被称为大气质量为零的辐射[1]。图1-1为大气质量示意图。
图1-1 大气质量示意图（彩图请见封底二维码）
决定地球表面太阳能辐射能量的重要参数是太阳光实际经过的路程与太阳光直射到地球表面的路程的比值，称为大气质量（AM），即其中，θ为太阳与天顶方向所成的角度。当太阳在天顶的正上方时，大气质量为1，此时的太阳辐射称为AM1；在外层空间不通过大气的情况下，大气质量为0，此时的太阳辐射称为AM0。而在太阳能电池的实际测试中，不同时间、不同地点以及不同天气等条件下，太阳能的辐射将会有很大的差异。因此，为了方便统一标准，靠前标准化组织常用AM1.5作为地球表面的太阳辐射，此时太阳高度角约为48.，太阳辐射的数值为1000W.m–2，比AM0要小得多，降低了27%左右。
1.1.2 太阳光谱
太阳实际是处于宇宙空间中的一个燃烧着的能量体，并每时每刻释放着电磁辐射，不同的波长具有不同的能量，主要包括紫外线（<400nm）、可见光（400~760nm）以及近红外线（>760nm），其中可见光占太阳辐射总能量的50%，红外光区约占43%，紫外光区约占7%。通过对比AM0处和温度6000K的黑体辐射的光谱曲线，如图1-2所示，可以看出两者很好类似，表明可以将太阳看成一个温度为6000K的保证黑体[2]。然而，AM0处辐射的光谱曲线明显不同于地球表面的太阳辐射光谱曲线，主要是由于大气中的分子、悬浮微粒、灰尘以及大气中的氧气、臭氧、二氧化碳、水蒸气等分子的存在，经过各种散射作用，太阳辐射能到达地球表面的能量会大幅度下降，并在可见光区的能量衰减很为严重。经数据显示，光要到达地面，需要经过大气层以及云层，在此过程中，太阳能还会受到吸收、反射的作用，其中，反射主要包括云层反射以及地面反射，吸收主要包括大气吸收和云层吸收，因此到达地面的太阳能量不足50%。
图1-2 太阳辐射光谱曲线
同时，世界上不同地区由于太阳入射角度的不同，太阳能的辐射也会有很大的差别。就我国而言，太阳能总辐射资源很好丰富，并且呈现出“高原大于平原、西部干燥区大于东部湿润区”的分布特点，如图1-3以及表1-1所示。尤其是青藏高原地区优选，年总辐射量超过1800kW.h.m–2，部分地区甚至超过2000kW.h.m–2。主要原因是西部地区海拔较高（平均4000m以上），并且大气稀薄，对于太阳能的散射作用小，纬度低，日照时间长。例如，被人们称为“日光城”的拉萨市，1961~1970年的年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68%，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8天，年平均云量为4.8。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量很小，其中尤以四川盆地为很，存在低于1000kW.h.m–2的区域。那里雨多、雾多、晴天较少。例如，素有“雾都”之称的成都市，年平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为26%，年平均晴天为24.7天，阴天达244.6天，年平均云量高达8.4。总体来说，我国很好适合开发利用太阳能资源[3]。
图1-3 中国年太阳能辐射总量分布示意图
表1-1 全国太阳辐射总量等级和区域分布表
1.1.3 光伏发电
目前太阳能利用主要包括三种方式：光热转换、光电转换、光化学转换。光热转换是指将太阳能转化为热能并将获取的热能加以利用，此过程需要充足的太阳辐射才能获取足够多的热能，限制较大。而光化学转换，比如太阳能制氢等，光利用效率较低。相对来说，通过光电转换将太阳能直接转换为电能供人类直接使用是利用太阳能很为有效的方式之一。
随着社会的不断进步，电力作为互联网时代的必需品，需求量也在成倍增加。目前发电的主要方式有：火力发电、水力发电、核能发电、风能发电以及太阳能发电等。在传统的电力供求方面，火力发电占据了电力供应的主体，约为70%，而新能源发电则略显不足。但是，由于火力发电会造成严重的烟气污染、粉尘污染，并且需要消耗大量的煤炭资源，并不适合目前可持续发展的战略要求。近年来，我国火力发电装机容量增速不断放缓，投资比例不断下降，根据《能源发展战略行动计划》的要求，到2020年，煤炭消费比重需控制在62%以内，这就造成靠前电力需求的日益增长与投资空间受限的矛盾日益尖锐。与此同时，太阳能发电表现出蓬勃的发展活力，“十二五”期间，我国的太阳能发电装机规模增加了168倍，截至2015年年底，我国光伏发电累计容量达到4318kW，超越德国成为优选光伏发电装机容量优选的国家。目前，太阳能电池已经成为我们生活中常见的发电装置，如在路灯、手表、手机、汽车以及航空航天等设备与领域中，已逐渐从辅助能源变为必不可少的能源形式[4]。
从优选角度来看，开发与利用太阳能早已成为世界各国的经济发展战略，日本的“阳光计划”、德国的“太阳能计划”等都推动着太阳能电池的持续发展，优选的年新增太阳能电池装机容量逐年攀升。如图1-4所示，2008年优选新增并网光伏装机容量达到5.6GW，之后太阳能电池的比重逐年增加，到2016年，优选新增并网光伏装机容量已高达64.54GW，开启了光伏发电的新篇章。
图1-4 优选年新增并网光伏装机总量与增速（彩图请见封底二维码）
靠前能源署（IEA）预计未来太阳能发电占世界电力供应总量的比例有望在2030年达到10%，2040年达到20%，2050年达到27%以上，21世纪末将达到60%以上。可以想象，未来人类的生活将会发生翻天覆地的变化，到时将不再依赖化石燃料，空气将是清新的，水将是无污染的，以太阳能电池为动力的组件将在人类的生活中随处可见。
1.2 太阳能电池的基本原理
构筑各类太阳能电池的主要材料通常包括单晶硅、非晶硅、多晶硅、二氧化钛、硫化镉、硒化镉、铜铟镓硒等半导体，这些半导体材料作为电池的关键组成部分严重制约着电池的性能。因此，详细地了解半导体的基本性能、载流子的产生与迁移过程可以更好地认识太阳能电池，从根本上优化太阳能电池的光伏性能。本节将简要介绍半导体的基本知识。
1.2.1 半导体基本知识
按照材料的导电性能，可以将材料分为导体（电阻率<10–4
cm）、绝缘体（电阻率>109
cm）以及半导体（电阻率处于10–4~109
cm）[5]。半导体，通常情况下是指常温下导电性能处于导体和绝缘体之间的材料。半导体的种类很好多，并且分类方式也多种多样。从大范围来讲，半导体可以分为有机半导体和无机半导体；按照材料的功能可以分为微电子材料、光电材料、传感器材料以及微波材料等；按照材料的组成，可以将半导体材料分为两大类，即第Ⅳ主族的元素组成的元素半导体，如Si、Ge等，以及Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，如GaAs、TiO2、CdSe等。
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