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  • 太陽(yáng)能光電化學(xué)轉(zhuǎn)換研究

    作者:佚名 來(lái)源:本站整理 時(shí)間:2011-11-03 00:36 閱讀:2401 [投稿]
    0 引言 進(jìn)入二十世紀(jì)以來(lái),人類(lèi)的工業(yè)文明得以迅猛發(fā)展,由此引發(fā)的能源危機(jī)和環(huán)境污染成為急待解決的嚴(yán)重問(wèn)題,利用和轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能是解決世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的一條重要途徑。世界上第一個(gè)認(rèn)識(shí)到光電化學(xué) ..
    制備中用Te替代部份Se形成CdSe和Cdse xTe1-x薄膜電極,其光譜響應(yīng)范圍與X值大小有關(guān),當(dāng)調(diào)X=0.63時(shí)能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到12.3%。CdTe具有吸收太陽(yáng)光能的最佳能隙(Eg=1.4eV),其單晶電極在多硫溶液中達(dá)到15.6%的光電轉(zhuǎn)換效率,但用電沉積法制備多晶薄膜電極卻只獲得3.6%的轉(zhuǎn)換效率。比較CdX(X=S、Se、Te)光電極性能不難看出,CdSe和Cdse xTe1-x薄膜的光電性能和穩(wěn)定性能優(yōu)于CdS和CdTe電極,是光電化學(xué)研究中有發(fā)展前途的光電極材料。在CdS和CdTe薄膜的研究中證明了表面修飾也是改善光電性能的有效措施,研究Au、Pt、Ru和Pd等貴金屬修飾CdS和CdTe電極,發(fā)現(xiàn)貴金屬在電極表面的構(gòu)型不同會(huì)產(chǎn)生不同效果,大量的Pt島覆蓋電極表面降低了電極界面光電化學(xué)反應(yīng)的極化,增大了反應(yīng)的交換電流,是電極界面光電催化的最佳構(gòu)型。Pd的修飾形成了金屬致密層,結(jié)果使光電性能下降,產(chǎn)生與Pt修飾相反的效果。用LB膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)分子取向、排列結(jié)構(gòu)和濃度可控的條件下研究具有不同氧化還原電位和傳遞電荷性質(zhì)的二茂鐵衍生物修飾CdSe,薄膜電極,將電極表面的微觀分子設(shè)計(jì)與宏觀電極過(guò)程聯(lián)系起來(lái),為修飾分子的優(yōu)化提供大量信息,使半導(dǎo)體電極表面修飾技術(shù)有很大的提高和發(fā)展。 
    對(duì)Ⅲ~Ⅴ族化合物半導(dǎo)體主要研究GaAs和InP單晶電極,它們具有吸收太陽(yáng)光能的最 佳帶隙,可以構(gòu)成高效的光電化學(xué)電池。n-GaAs電極在多硒溶液中有較好的穩(wěn)定性,經(jīng)H2SO4-H2O2混合溶液的反復(fù)刻蝕,再吸附Ru3+離子后有效降低表面復(fù)合,使光電轉(zhuǎn)換效率大大提高,接近于20%。n-InP電極的晶面取向和摻雜濃度對(duì)光電性能有很大影響,摻雜濃度低(1016cm-3)的光電流、光電壓優(yōu)于摻雜濃度高(1018cm-3)的電極;在Fe2+/Fe3+酸性溶液中,性能穩(wěn)定,轉(zhuǎn)換效率達(dá)到18%,p-InP電極在V2+/V3+溶液中表面經(jīng)Ag修飾和電鍍Cu改善背面接觸后效率達(dá)到18.8%。
    過(guò)渡金屬二硫族層狀化合物具有特殊的電子結(jié)構(gòu),其過(guò)渡金屬存在分離的d軌道,受 激電子在d-d軌道間躍遷,最大躍遷能為1.1eV-1.8eV,而且不影響化學(xué)鍵,因此其光穩(wěn)定性好。研究天然晶體MoS2電極發(fā)現(xiàn)其光電性能存在各向異性的特征,電極的表面性質(zhì)是決定光電性能的關(guān)鍵因素,通過(guò)離子特性吸附和表面活性劑處理都能明顯提高光電流和光電壓,F(xiàn)eS2電極則可通過(guò)界面配位化學(xué)途徑來(lái)改善其光電性能。 
    在三元半導(dǎo)體化合物中研究了CuInS2和CuInSe2及其固溶體的燒結(jié)多晶電極,通過(guò)固 溶體的組成變化來(lái)改變電極的能隙及電子親合勢(shì),得到CuInS2(1.51eV)、CuInS1.5Se0.5(1.44eV)、CuInSSe(1.24eV)、CuInS0.5Se1.5(1.13eV)和CuInSe2(1.04eV)不同組成的三元化合物多晶電極,在多硫溶液中以CuInS2,電極的光電流、光電壓最大,轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1.8%,而且間斷運(yùn)行一年光電性能未見(jiàn)衰減。AgInSe2電極在多碘溶液中的光電化學(xué)性能優(yōu)于CuInSe2。 
    氧化物半導(dǎo)體一般具有很好的光穩(wěn)定性能,但存在的問(wèn)題是能量轉(zhuǎn)換效率較低,因[page_break]
    此研究的重點(diǎn)是通過(guò)光譜敏化、離子摻雜和光電催化作用來(lái)改善其光電性能。最有代表性的是TiO2,熱氧化制備的多晶薄膜電極在通氮無(wú)氧的K4Fe(CN)6 和HClO4混合溶液中浸漬,由于K4Fe(CN)6與TiO2表面中的Ti4+形成電荷轉(zhuǎn)移配合物,使TiO2的吸收光譜由400nm擴(kuò)展到600nm以上。另外,還研究了銥和鈷對(duì)TiO2電極光電化學(xué)反應(yīng)的催化作用,銥以大量微孔的透光層形式,鈷則以高度分散的微島固定在TiO2電極表面,都能快速捕獲光生空穴催化界面光反應(yīng)氧化,將鈷微粒載在多孔銥層產(chǎn)生了更大的光電流,說(shuō)明銥和鈷的聯(lián)合作用比單一催化劑有更好效果,ZnO電極只能吸收紫外光用染料羅丹明日B進(jìn)行光譜敏化,明顯增加了可見(jiàn)光波長(zhǎng)區(qū)(400nm-700nm)的光電流。α-Fe2O3薄膜電極用二茂鐵化學(xué)真空沉積(VCD法)在高純Ti層上制備,其工作光譜擴(kuò)展至670nm,比α-Fe2O3能隙相對(duì)應(yīng)的550nm 紅移了120nm,這是歸因于在熱處理過(guò)程中Ti由基底擴(kuò)散而導(dǎo)致的摻雜效應(yīng)。
    2有機(jī)光敏染料的光電能量轉(zhuǎn)換 
    自然界綠色植物的光合作用是已知最為有效的太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換體系。許多人利用類(lèi)似 葉綠素分子結(jié)構(gòu)的有機(jī)光敏染料設(shè)計(jì)人工模擬光合作用的光能轉(zhuǎn)換體系,進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的研究。由于有機(jī)光敏染料可以自行設(shè)計(jì)合成,與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料相比,材料選擇余地大,而且易達(dá)到價(jià)廉的目標(biāo)。如金屬卟啉和金屬酞菁是大Π共軛有機(jī)分子與金屬組成的配合物,具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性,能較強(qiáng)吸收可見(jiàn)光譜,作為有機(jī)光伏材料,它是目前廣泛研究的對(duì)象。[/page]
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