第5章光電材料

第五章光電材料5.1光電子發(fā)射材料5.2光電導(dǎo)材料5.3光電動勢材料光電材料是能把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷囊活惸芰哭D(zhuǎn)換功能材料。主要有光電子發(fā)射材料、光電導(dǎo)材料和光電動勢材料。

教學(xué)重點和難點（1）光電子發(fā)射原理、光電導(dǎo)原理、光電動勢原理（2）光電子發(fā)射材料及其特征值（3）光電導(dǎo)材料及其特征值（4）光電動勢材料及其特征值5.1光電材料原理

5.1.1、光電子發(fā)射材料原理光電子發(fā)射材料又稱之為外光電效應(yīng)材料。當(dāng)光照射到材料上，光被材料吸收產(chǎn)生發(fā)射電子的現(xiàn)象稱為光電子發(fā)射現(xiàn)象。具有這種現(xiàn)象的材料稱為光電子發(fā)射材料。光電子發(fā)射現(xiàn)象是光-電子能量轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

（一）光-電子能轉(zhuǎn)換效應(yīng)當(dāng)光照射材料以后，光被材料吸收，吸收的能量克服電子結(jié)合能（E結(jié)合）和給予電子運動速度（v）。依能量守恒原理，可以得到下式：當(dāng)v＝0時，上式可變?yōu)閔ν0=E結(jié)合，這時光能完全用于克服電子的結(jié)合能。（二）能帶結(jié)構(gòu)與能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)。能帶結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。對于固體材料來說，一般采用以下表示式：E結(jié)合=χ+Eg=Φ+δ圖5－1能帶結(jié)構(gòu)圖

χ為導(dǎo)帶底到靜止自由電子能級差，

即是電子親和勢，χ=Ee-Ec；Ee為靜止自由電子能級，即導(dǎo)帶頂端能級；Ec為導(dǎo)帶底端能級；Eg為禁帶寬度，Eg=Ec-Ev；Ev為價帶頂端能級；Φ為費米能級到靜止自由電子能級的能量差，也即是逸出功，Φ=Ee-EF；EF為費米能級；δ為價帶頂端到費米能級的能量差，δ=EF-Ev。E結(jié)合=Χ+Eg=Ee-Ec+Ec-Ev=Ee-Ev=Ee-EF+EF-Ev=Φ+δ（a）對于金屬來說，因為金屬沒有禁帶，所以導(dǎo)帶和價帶重疊，δ趨近于零，因而E結(jié)合=χ+Eg=Φ+δ=χ=ΦE結(jié)合主要取決于Φ的大小。Φ的大小一般在1~1.5eV之間。逸出功等于電子親和勢，因此，只要克服電子親和勢，電子便可逸出。（b）對于半導(dǎo)體，價電子逸出體外的條件是價電子吸收光子的能量以后，從價帶躍遷到導(dǎo)帶，然后再向表面擴散，它的能量如果大于χ

+Eg時，則電子可以逸出體外。能量大于Eg的電子（只有處于導(dǎo)帶上的電子）稱為熱電子。

E結(jié)合主要取決于χ與Eg之和。但是，對于熱電子來說，電子逸出只要克服χ。χ為正時稱為正電子親和勢。χ為負(fù)時，稱為負(fù)電子親和勢。

二、光電子發(fā)射材料的種類1、正電子親和勢陰極材料（χ>0）這類材料有單堿-銻正電子親和勢陰極材料，多堿-銻正電子親和勢陰極材料等。

2、負(fù)電子親和勢陰極材料（

χ

<0）這些材料包括硅、磷化鎵、銦化砷鎵、磷化砷鎵銦。三、光電子發(fā)射材料的應(yīng)用利用光電子發(fā)射原理，可以把光電子發(fā)射材料做成光電陰極。半導(dǎo)體負(fù)電子親和勢陰極廣泛地用于儀器，工業(yè)，軍事等方面，與過去的多堿光陰極相比有很大的優(yōu)越性。

5.1.2光電導(dǎo)材料

一、光電導(dǎo)原理受光輻射電導(dǎo)急劇上升的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)現(xiàn)象。具有此現(xiàn)象的材料叫光電導(dǎo)材料，又稱作內(nèi)光電效應(yīng)材料或光敏材料。光照到半導(dǎo)體（或絕緣體）上，價帶的電子接受能量，使電子脫離共價鍵。當(dāng)光的能量達(dá)到禁帶寬度的能量值時，價帶的電子躍遷到導(dǎo)帶，因而在晶體中產(chǎn)生一個自由電子和一個空穴，這兩種載流子都參與導(dǎo)電。由于光的作用產(chǎn)生的附加電導(dǎo)稱之為光電導(dǎo)。

按光電導(dǎo)原理也可以反過來了解禁帶寬度。當(dāng)光的能量增加到一定值時，光電導(dǎo)急劇上升，此時的光頻v與禁帶寬度的關(guān)系為Eg=

hν。光電導(dǎo)這種附加的電導(dǎo)來自附加的載流子，這種載流子可以來自帶間躍遷，也可以來自雜質(zhì)激發(fā)，因此，光電導(dǎo)有本征光電導(dǎo)和雜質(zhì)光電導(dǎo)之分。附加光電導(dǎo)Δσ=σ-σ0式中：σ為光照時的電導(dǎo)率；σ0為無光照時的電導(dǎo)率。因此，要制成較靈敏的光敏電阻，要求Δσ/σ0有較大的值。三、光電導(dǎo)材料的種類光電導(dǎo)材料可分為三大類：1、光電導(dǎo)半導(dǎo)體:ZnO2、光電導(dǎo)陶瓷:CdS3、有機高分子光導(dǎo)體:PNVC四、光電導(dǎo)材料的應(yīng)用光電導(dǎo)材料主要是應(yīng)用光生載流子產(chǎn)生光導(dǎo)效應(yīng)的原理，它常用作光探測的光敏感器件的材料。

5.1.3光電動勢材料

在光照下，半導(dǎo)體p-n結(jié)的兩端產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。具有此效應(yīng)的材料叫光生伏特材料，又稱光電動勢材料。光電動勢原理，簡言之是在光照下，在光電動勢材料上形成阻擋層，兩面可以產(chǎn)生電動勢。太陽能電池和光生伏特檢測器都是光電動勢材料的重要應(yīng)用。

一、光電動勢原理（一）半導(dǎo)體p-n結(jié)的電子-空穴情況如果像圖5-3那樣，一個n型半導(dǎo)體與一個p型半導(dǎo)體接觸，將會在結(jié)的p側(cè)存在自由空穴以及相等濃度的（－）電離受主雜質(zhì)原子，這樣才能保持電中性。在結(jié)的n側(cè)存在自由電子以及相等數(shù)目的（＋）電離施主雜質(zhì)原子。圖5-3由單晶制成的p-n結(jié)

于是在p側(cè)多數(shù)載流子為空穴，在n側(cè)則相反，多數(shù)載流子為電子，這種情況如圖5－4所示。由圖5－4可見，在無外加電場時，結(jié)區(qū)的空穴濃度和電子濃度的變化。載流子與受主和施主雜質(zhì)原子處于熱平衡，因此，在晶體中各處空穴濃度與電子濃度之和為常值，符合質(zhì)量作用規(guī)律。圖5-4p-n結(jié)的載流子濃度

在每側(cè)都存在低濃度的少數(shù)載流子，與多數(shù)載流子處于熱平衡。聚集在p側(cè)的空穴傾向于通過擴散均勻地分布滿整個晶體，電子傾向于從n側(cè)擴散出去。但是擴散會破壞電中性。一旦發(fā)生載流子擴散就必將引起少量電荷轉(zhuǎn)移，因而在p側(cè)留下過量（－）電離受主原子，而在n側(cè)留下過量（＋）電離施主原子，如圖5－5所示。圖5－5p－n結(jié)區(qū)的內(nèi)建電場圖

由此產(chǎn)生的電荷偶極層就會出現(xiàn)一個自n區(qū)指向p區(qū)的電場，阻止繼續(xù)擴散，維持兩種載流子類型的分離。這種在p－n結(jié)區(qū)附近由受主（－）離子與施主（＋）離子產(chǎn)生的靜電勢梯度阻止擴散。這種p－n結(jié)區(qū)電場稱為內(nèi)建電場。由于存在這種偶極層，晶體內(nèi)的靜電勢在p－n結(jié)區(qū)就出現(xiàn)一個突變。在偶極層中，正電層和負(fù)電層中的電子和空穴的數(shù)目都是很少的，因此它的電阻很高，這一層稱為阻擋層，阻擋層起到阻止電子和空穴擴散的作用。有了阻擋層才能使擴散達(dá)到平衡。盡管有內(nèi)建電場存在，但是在整個p－n結(jié)中沒有剩余的空穴和電子，因此p－n結(jié)中并無外場電動勢，外電場為零。

（二）光生電動勢的產(chǎn)生對于上述情況，如果光照射到p－n結(jié)的接觸面時，情況就大不一樣，這時p－n結(jié)能夠吸收光子，由于光激發(fā)而使電子和空穴激發(fā)。又由于有內(nèi)建電場的存在，受到內(nèi)建電場的作用，空穴將向p區(qū)移動而積累，而電子則相反，向n區(qū)移動而積累，從而形成凈空間電荷。這些空間電荷不能夠越過阻擋層而復(fù)合，這樣必將有電動勢產(chǎn)生。在這種情況下，p－n結(jié)就形成光電池。

5.1.4光電動勢材料的特征值1、開路電壓V0V0表示光電池在開路時的電壓。2、短路電流I0I0表示光電池在外電路短路時的電流。3、轉(zhuǎn)換效率ηη為光電池的最大輸出功率與入射到光電池結(jié)面上的輻射功率之比。η與禁帶寬度有關(guān)。一般應(yīng)選擇禁帶寬度為0.9~1.5eV的材料做光電池。η是表征光生電動勢轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)。4、光譜響應(yīng)曲線光譜響應(yīng)曲線是表示開路電壓、短路電流、轉(zhuǎn)換效率與波長的關(guān)系曲線。二、光電動勢材料的種類光電池中最活躍的領(lǐng)域是太陽能電池，太陽能電池所用的材料主要有以下幾種：1、硅太陽能電池硅太陽能電池可分為單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池三種。2、薄膜太陽能電池3、陶瓷太陽能電池4、金屬－氧化物－半導(dǎo)體（MOS）太陽能電池5、p－n異質(zhì)結(jié)太陽能電池三、光電動勢材料的應(yīng)用主要用于開發(fā)太陽能電池，但目前光電轉(zhuǎn)換效率不高。

5.2.1光電子發(fā)射材料的特征值

1、臨閾頻率ν0（紅限λ0：波長上限，長波邊界）每種光電子發(fā)射材料都有其臨閾頻率ν0，ν0為光電子發(fā)射效應(yīng)的頻率下限。由于hν0=E結(jié)合，則ν0=E結(jié)合/h。v<ν0時，材料就無光電子發(fā)射效應(yīng)。v>ν0時，材料才能發(fā)射光電子。2、積分靈敏度S積分靈敏度S定義為最大光電流IΦ（μA）與入射光通量Φ（lm）的比值，即S=IΦ/Φ一般S=10~20%，其中80~90%損失掉。5.2

光電材料特征值圖5.2S與λ關(guān)系圖4、靈敏閾接受光輻射的裝置能夠發(fā)現(xiàn)的最小輻射量稱為該裝置的靈敏閾。3、光譜靈敏度積分靈敏度S與波長有關(guān)。S與λ關(guān)系如圖5-2所示。

5.2.2光電導(dǎo)材料的特征值

1、積分靈敏度S積分靈敏度S代表光電導(dǎo)產(chǎn)生的靈敏度，也就是單位光入射通量產(chǎn)生的電導(dǎo)率的附加值的大小。S=σ/Φ。式中Φ為入射光通量（lm），σ為電導(dǎo)率。

2、光譜靈敏度用S-λ光譜曲線表示光譜靈敏度。

3、靈敏閾能測出該材料光電導(dǎo)的最小光輻射量稱為靈敏閾。內(nèi)容序言太陽能電池簡介太陽能電池工作原理太陽能電池分類太陽能電池對材料的要求各類太陽能電池的制造方法及研究狀況利用太陽能電池發(fā)電的優(yōu)缺點太陽能電池的展望一、序言1、地球每天接收的太陽能，相當(dāng)于整個世界一年所消耗的總能量的200倍。太陽每秒發(fā)出的能量就大約相當(dāng)于1.3億億噸標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時所釋放出的全部熱量。2、太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生清潔能源。太陽能電池是太陽能利用的重要途徑之一

二十一世紀(jì)將是能源危機和能源革命的世紀(jì)。眾所周知，世界上已探明的石油存儲量只能供應(yīng)40至50年，世界上石油儲量67%在中東，我國2004年進口原油1.2億噸和成品油4000萬噸。我國已探明煤炭儲存量約8200億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，利用目前的工藝技術(shù)，可以安全開采的總儲量約1500億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，2004年我國煤炭能源消耗為19.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，按照目前能源消耗增長的速率來計算的話，則我國的煤炭僅能夠滿足30～40年的使用。常規(guī)能源是地球46億年形成過程中，太陽給予地球能源的儲存，可是在我們幾代人的發(fā)展過程中，就將這種常規(guī)能源消耗殆盡，這不僅危及到我國的持續(xù)發(fā)展，而且也是危及到中華民族的能否繼續(xù)生存發(fā)展的大事。

我國已決定發(fā)展核電，在未來十幾年內(nèi)將興建約40個百萬千瓦級核電組，如果2020年我國電力裝機總量達(dá)到9億千瓦，則核電只占總裝機容量的幾個百分點，但是預(yù)計我國在按照目前的耗能情況比例上升，到2020年全國消耗常規(guī)能源為60億噸，所排放的CO2將高達(dá)200億噸以上，對人類的生存環(huán)境將造成嚴(yán)重的影響。我國天然鈾資源短缺，大力進口天然鈾，將會遇到更為嚴(yán)重的困難，人們還寄托希望于釷，如果釷能發(fā)電，那將提供我國上千年的能源需求，但是釷能否實現(xiàn)象鈾一樣的發(fā)電，目前尚無結(jié)論。我國東海、南海的能源開發(fā)有待積極進行國際協(xié)作開發(fā)，其儲量尚未可知。常規(guī)能源的消耗量不可逆轉(zhuǎn)的，也是有盡時的。

太陽能就是無污染的巨大能源，太陽實時給予地球的能量是人類每天所消耗的能量的上萬倍，其中70%以上的能量是給予了大海，陸地的降雨量、沿海的臺風(fēng)、颶風(fēng)都是太陽能轉(zhuǎn)化的表現(xiàn)形式。據(jù)專家計算，我國陸地每年接受太陽輻射的能量約為24000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，這是取之不盡、用之不竭的綠色能源。問題是應(yīng)該盡快地研制出價格低廉、轉(zhuǎn)換效率較高的光伏電池。目前的太陽能電池每三千瓦約需一萬美元，價格十分昂貴，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過我們的國家和人民所能承受的極限。研制廉價和轉(zhuǎn)化效率高的太陽能電池的歷史使命就責(zé)無旁貸地落在光電子科技工作者的肩上。太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量。地球軌道上的平均太陽輻射強度為1367kw/m2。地球赤道的周長為40000km，從而可計算出，地球獲得的能量可達(dá)173,000TW（1tw=10^12w）。在海平面上的標(biāo)準(zhǔn)峰值強度為1kw/m2，地球表面某一點24h的年平均輻射強度為0.20kw/m2，相當(dāng)于有102,000TW的能量，人類依賴這些能量維持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地?zé)崮苜Y源除外）雖然太陽能資源總量相當(dāng)于現(xiàn)在人類所利用的能源的一萬多倍，但太陽能的能量密度低，而且它因地而異，因時而變，這是開發(fā)利用太陽能面臨的主要問題。太陽能的這些特點會使它在整個綜合能源體系中的作用受到一定的限制。

太陽是一個巨大、久遠(yuǎn)、無盡的能源。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量（約為3.75×1026W）的22億分之一，但已高達(dá)173,000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬噸煤它同以往其他電源發(fā)電原理完全不同，具有以下特點：①無枯竭危險；②絕對干凈；③不受資源分布地域的限制；④可在用電處就近發(fā)電；⑤能源質(zhì)量高；⑥獲取能源花費的時間短。能源狀況傳統(tǒng)礦石能源→不可再生、環(huán)境污染、能源枯竭可再生能源：風(fēng)能、地?zé)崮?、水能、潮汐能、太陽能等↓資源豐富、利用方便、潔凈無污染石油煤天然氣世界的能源結(jié)構(gòu)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整太陽能利用的重要途徑之一是研制太陽能電池！每年排放的二氧化碳達(dá)210萬噸礦石能源開采高峰2020~2030年世界和中國主要常規(guī)能源儲量預(yù)測太陽能電池的發(fā)展1954年美國貝爾實驗室制成了世界上第一個實用的太陽能電池，效率為4%，于1958年應(yīng)用到美國的先鋒1號人造衛(wèi)星上。太陽能電池逐漸由航天等特殊的用電場合進入到地面應(yīng)用中。一個4KW的屋頂家用光伏系統(tǒng)可以滿足普通家庭的用電需要，每年少排放的CO2的數(shù)量相當(dāng)于一輛家庭轎車的年排放量。由于材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面的不斷改進，現(xiàn)在太陽能電池的價格不到20世紀(jì)70年代的1%。預(yù)期10年內(nèi)太陽能電池能源在美國、日本和歐洲的發(fā)電成本將可與火力發(fā)電競爭。目前，年均增長率35%，是能源技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展最快的行業(yè)。三、太陽能電池工作原理光伏效應(yīng)太陽光譜圖太陽能電池的發(fā)電原理是基于光伏效應(yīng)(PhotovoltaicEffect)由太陽光與材料相互作用而產(chǎn)生電勢。UVVisibleInfrared48%太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，一般的半導(dǎo)體主要結(jié)構(gòu)如下：

圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。太陽能電池利用原理采用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體（通常是硅或鍺）基片上,在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱PN結(jié)。P型半導(dǎo)體（P指positive，帶正電的）：由單晶硅通過特殊工藝摻入少量的三價元素組成，會在半導(dǎo)體內(nèi)部形成帶正電的空穴；

N型半導(dǎo)體（N指negative，帶負(fù)電的）：由單晶硅通過特殊工藝摻入少量的五價元素組成，會在半導(dǎo)體內(nèi)部形成帶負(fù)電的自由電子；

當(dāng)晶片受光后，PN結(jié)中，N型半導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)移動，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動，從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢差，這就形成了電源。四、太陽能電池的分類

1、硅系太陽能電池

2、多元化合物薄膜太陽能電池

3、有機薄膜太陽能電池

4、染料敏化太陽能電池?fù)?jù)所用材料分砷化鎵III-V化合物硫化鎘銅銦硒單晶硅太陽能電池多晶硅薄膜太陽能電池非晶硅薄膜太陽能電池太陽能電池的種類無機太陽能電池半導(dǎo)體硅(單晶、多晶、非晶、復(fù)合型等）化合物半導(dǎo)體（GaAs、CuInSe2、CdTe、InP等）有機太陽能電池有機半導(dǎo)體（酞菁鋅、聚苯胺、聚對苯乙炔等）染料敏化（光化學(xué)）太陽能電池（納米TiO2等）按照所用材料的不同：無機太陽能電池半導(dǎo)體中可以利用各種勢壘如p-n結(jié)、肖特基勢壘、異質(zhì)結(jié)等形成光伏效應(yīng)。當(dāng)太陽能電池受到陽光照射時，光與半導(dǎo)體相互作用可以產(chǎn)生光生載流子，所產(chǎn)生的電子-空穴對靠半導(dǎo)體內(nèi)形成的勢壘分開到兩極，正負(fù)電荷分別被上下電極收集。由電荷聚集所形成的電流通過金屬導(dǎo)線流向電負(fù)載。工作原理無機太陽能電池研究進展表1無機太陽能電池的性能及應(yīng)用有機太陽能電池有機太陽能電池，顧名思義，就是由有機材料構(gòu)成核心部分的太陽能電池

。

研究進展:美國加州伯克利分校科學(xué)家在2002年利用塑料納米技術(shù)研制出第一代塑料太陽能電池，可以安裝在一系列便攜式設(shè)備及可穿戴式電子設(shè)備上。提供0.7V的電壓。特點：價格低、易成型，通過化學(xué)修飾調(diào)控性能。染料敏化太陽能電池染料敏化太陽能電池主要是模仿光合作用原理，研制出來的一種新型太陽電池，其主要優(yōu)勢是：原材料豐富、成本低、工藝技術(shù)相對簡單，在大面積工業(yè)化生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢，同時所有原材料和生產(chǎn)工藝都是無毒、無污染的，部分材料可以得到充分的回收，對保護人類環(huán)境具有重要的意義。自從1991年瑞士洛桑高工（EPFL）M.Grtzel教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在該技術(shù)上去的突破以來，歐、美、日等發(fā)達(dá)國家投入大量資金研發(fā)。染料敏化太陽能電池染料敏化太陽能電池的研究歷史可以追溯到19世紀(jì)早期的照相術(shù)。1837年，Daguerre制出了世界上第一張照片。兩年后，F(xiàn)oxTalbot將鹵化銀用于照片制作，但是由于鹵化銀的禁帶寬度較大，無法響應(yīng)長波可見光，所以相片質(zhì)量并沒有得到很大的提高。1883年，德國光電化學(xué)專家Vogel發(fā)現(xiàn)有機染料能使鹵化銀乳狀液對更長的波長敏感，這是對染料敏化效應(yīng)的最早報導(dǎo)。使用有機染料分子可以擴展鹵化銀照相軟片對可見光的響應(yīng)范圍到紅光甚至紅外波段，這使得“全色”寬譜黑白膠片乃至現(xiàn)在的彩色膠片成為可能。染料敏化太陽能電池1887年，Moser將這種染料敏化效應(yīng)用到鹵化銀電極上，從而將染料敏化的概念從照相術(shù)領(lǐng)域延伸到光電化學(xué)領(lǐng)域。1964年，Namba和Hishiki發(fā)現(xiàn)同一種染料對照相術(shù)和光電化學(xué)都很有效。這是染料敏化領(lǐng)域的重要事件，只是當(dāng)時不能確定其機理，即不確定敏化到底是通過電子的轉(zhuǎn)移還是通過能量的轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)的。直到20世紀(jì)60年代，德國的Tributsch發(fā)現(xiàn)了染料吸附在半導(dǎo)體上并在一定條件下產(chǎn)生電流的機理，才使人們認(rèn)識到光照下電子從染料的基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)后繼而注入半導(dǎo)體的導(dǎo)帶的光電子轉(zhuǎn)移是造成上述現(xiàn)象的根本原因。這為光電化學(xué)電池的研究奠定了基礎(chǔ)。染料敏化太陽能電池但是由于當(dāng)時的光電化學(xué)電池采用的是致密半導(dǎo)體膜，染料只能在膜的表面單層吸附，而單層染料只能吸收很少的太陽光，多層染料又阻礙了電子的傳輸，因此光電轉(zhuǎn)換效率很低，達(dá)不到應(yīng)用水平。后來人們制備了分散的顆?；虮砻娣e很大的電極來增加染料的吸附量，但一直沒有取得非常理想的效果。1991年，Grtzel在O’Regan的啟發(fā)下，應(yīng)用了O’Regan制備的比表面積很大的納米TiO2顆粒，使電池的效率一舉達(dá)到7.9%，取得了染料敏化太陽能電池領(lǐng)域的重大突破。應(yīng)當(dāng)說，納米技術(shù)促進了染料敏化太陽能電池的發(fā)展。

染料敏化太陽能電池（DSSCs）電池結(jié)構(gòu)

陽極：染料敏化半導(dǎo)體薄膜

TiO2、染料陰極：鍍鉑的導(dǎo)電玻璃O’ReganB.andGr?tzelM.,Nature,1991,353,737~740五、太陽能電池對材料的要求半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率材料本身對環(huán)境不造成污染材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定六、各類太陽能電池的制造方法及研究狀況種類材料太陽能單電池效率太陽能電池模塊效率主要制備方法優(yōu)點缺點硅系太陽能電池單晶硅15~24%13~20%表面結(jié)構(gòu)化發(fā)射區(qū)鈍化分區(qū)摻雜效率最高技術(shù)成熟工藝繁瑣成本高多晶硅a10~17%10~15%化學(xué)氣相沉積法液相外延法濺射沉積法無效率衰退問題成本遠(yuǎn)低于單晶硅效率低于單晶硅非晶硅8~13%5~10%反應(yīng)濺射法PECVD法LPCVD法成本較低轉(zhuǎn)換效率較高穩(wěn)定性不高種類材料

單電池效率模塊效率主要制備方法優(yōu)點缺點多元化合物薄膜太陽能電池砷化鎵

19~32%23~30%MOVPE和LPE技術(shù)效率較高成本較單晶硅低易于規(guī)模生產(chǎn)原材料鎘有劇毒碲化鎘

10~15%7~10%銅銦硒

10~12%8~10%真空蒸鍍法和硒化法價格低廉性能良好工藝簡單原材料來源比較有限納米晶化學(xué)太陽能電池8~11%~8%溶膠凝膠法水熱反應(yīng)濺射法成本低廉工藝簡單性能穩(wěn)定

有機薄膜太陽能電池

3~5%

處于研發(fā)當(dāng)中易制作材料廣泛成本低壽命短七、利用太陽能電池發(fā)電的優(yōu)缺點優(yōu)點：屬于可再生能源，不必?fù)?dān)心能源枯竭太陽能本身并不會給地球增加熱負(fù)荷運行過程中低污染、平穩(wěn)無噪音發(fā)電裝置需要極少的維護,壽命可達(dá)20年所產(chǎn)生的電力既可供家庭單獨使用也可并入電網(wǎng)用途廣泛缺點：受地域及天氣影響較大由于太陽能分散、密度低，發(fā)電裝置會占去較大的面積光電轉(zhuǎn)化效率低致使發(fā)電成本較傳統(tǒng)方式偏高

目前，太陽能電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶態(tài)硅三種。單晶硅太陽能電池變換效率最高，已達(dá)２0％以上，但價格也最貴。非晶態(tài)硅太陽電池變換效率最低，但價格最便宜，今后最有希望用于一般發(fā)電的將是這種電池。一旦它的大面積組件光電變換效率達(dá)到１0％，每瓦發(fā)電設(shè)備價格降到１~２美元時，便足以同現(xiàn)在的發(fā)電方式競爭。

當(dāng)然，特殊用途和實驗室中用的太陽電池效率要高得多。如美國波音公司開發(fā)的由砷化鎵半導(dǎo)體同銻化鎵半導(dǎo)體重疊而成的太陽能電池，光電變換效率可達(dá)３６％，快趕上了燃煤發(fā)電的效率，但是由于它太貴，目前只能限于在衛(wèi)星上使用。八、太陽能電池的展望八、太陽能電池的展望III-V族化合物及銅銦硒等系由稀有元素所制備，但從材料來源看，這類太陽能電池很難占據(jù)主導(dǎo)地位。另兩類電池染料敏化太陽能電池和有機薄膜太陽能電池，它們的研究剛剛起步，短時間內(nèi)不可能替代硅系太陽能電池。從轉(zhuǎn)換效率和材料的來源角度講，多晶硅和非晶硅薄膜電池將最終取代單晶硅電池，成為市場的主導(dǎo)產(chǎn)品。今后研究的重點除繼續(xù)開發(fā)新的電池材料外應(yīng)集中在如何降低成本上來，近來國外曾采用某些技術(shù)制得硅條帶作為多晶硅薄膜太陽能電池的基片，以達(dá)到降低成本的目的，效果還是比較理想的。小結(jié)太陽能電池在航天技術(shù)發(fā)展中有著不可替代的作用。由于材料與器材結(jié)構(gòu)的研究與開發(fā),太陽電能池的地面應(yīng)用的潛在能力得到了發(fā)揮。從微觀上認(rèn)識光伏太陽能電池的本質(zhì)，開展原位表征和超快時間分辨技術(shù)研究光生電子的遷移傳輸規(guī)律，為人們設(shè)計較高光電轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體材料及染料敏化劑提供理論指導(dǎo)。太陽能的開發(fā)利用是人類進入21世紀(jì)必須解決的難題。太陽能電池作為清潔太陽能轉(zhuǎn)換裝置將有利于緩解世界的能源危機和環(huán)境污染問題。太陽能電池的研究有著重要的意義。光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展1、傳統(tǒng)的化石能源資源日益枯竭，嚴(yán)重的環(huán)境污染制約了世界經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。2、能源的需求有增無減，能源資源已成為重要的戰(zhàn)略物資。3、太陽能利用和光伏發(fā)電是最有發(fā)展前景的可再生能源。4、世界各國競相出臺發(fā)展可再生能源的扶持政策、法令、法規(guī)。5、從2006年1月1開始，我國《可再生能源法》開始實施。根據(jù)歐盟的預(yù)測：到2030年太陽能發(fā)電將占總能耗10%以上可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中占30%到2050年太陽能發(fā)電將占總能耗20%可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中占50%以上1、世界光伏電池產(chǎn)量快速增長，最近５年的平均增長速度超過４0%。

2005年世界太陽電池產(chǎn)量達(dá)到1650MW，比2004增加了38%。日本光伏電池產(chǎn)量再次領(lǐng)先增長到762MW，增長率為27%；歐洲產(chǎn)量增加48%，達(dá)到464MW；美國增加12%，達(dá)到156MW；世界其他地區(qū)增加96%，達(dá)到274MW。二、世界光伏產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用特點世界頂級十家太陽能電池生產(chǎn)廠2005年及2006產(chǎn)量公司2005年產(chǎn)量排名2006年預(yù)測產(chǎn)量排名夏普428MW兆瓦

1500MW1Q-Cells166MW2234MW2京瓷142MW3175MW3三洋125MW4150MW4三菱100MW5125MW6肖特95MW6110MW7BP太陽能86MW7105MW10尚德82MW8150MW4茂迪60MW9110MW7Detschecell包括殼牌太陽能96MW殼牌太陽能5910110MW72、在光伏應(yīng)用和安裝方面，德日美依然是世界三個最大最主要的光伏應(yīng)用市場。

2005年全球安裝太陽電池組件1460MW,比前一年增長了34%。德國安裝837MW,比前一年增長了53%；占世界安裝量的57%；日本安裝292MW,比前一年增長了14%，占世界安裝量的20%；美國安裝102MW，占世界安裝量的7%；歐洲其它地區(qū)安裝88MW，占世界安裝量的6%；世界其它地區(qū)安裝146MW，占世界安裝量的10%。2005年世界各地光伏安裝量及所占比例地區(qū)2005年安裝量（MW）德國837日本292美國102歐洲其它地區(qū)88世界其它地區(qū)1463、晶體硅太陽電池繼續(xù)保持領(lǐng)先地位，占據(jù)了90%以上的份額，其中多晶硅太陽電池的份額為52.3%，單晶硅為38.3%，帶硅/片硅電池2.9%。預(yù)計今后十年內(nèi)晶體硅仍將占主導(dǎo)地位。1995-2005年各類太陽電池的產(chǎn)量百分比（%）1999200020012002200320042005單晶硅40.837.434.636.432.236.238.3多晶硅42.148.250.251.657.254.752.3帶硅/片硅4.14.35.64.64.43.32.9非晶硅12.39.68.96.44.54.44.7銻化鎘0.50.30.50.71.11.11.6銅銦化錫0.20.20.20.20.60.40.22004-2008年多晶硅原料的產(chǎn)量及預(yù)測年份200420052006(e)2007(e)2008(e)全球硅料產(chǎn)量(噸)2800032000360004200052000半導(dǎo)體消耗量(噸)1800018000189001984520837太陽能硅料(噸)1000014000171002215531163每瓦消耗量(克)1312111110硅片產(chǎn)量(MW)7691167155520142833電池片產(chǎn)量(MW)900137382923703333電池片需求量(MW)12001560202826363427供需缺口(MW)300187199267942004-2008年世界主要高純多晶硅制造商產(chǎn)量和生產(chǎn)能力一覽表公司名稱產(chǎn)量(噸)擴產(chǎn)后的產(chǎn)能(噸)20042005200620072008Hemlock(美國)7000740077001000011000Wacker(德國)50005000550065009000Tokuyama(日本)52