能源化学-太阳能光电化学.ppt

聚合物太阳能电池 Polymeric Solar Cells (PSCs) 所谓聚合物太阳能电池 ，就是采用具有半导体性质的共轭?- 键聚合物为光阳极材料。 能带间隙为1-4 eV，可视为有机半导体； 本征态时电导很小（～0.1 cm2/Vs），掺杂后电导急剧增加，可达金属导电性； 光激可产生电子－空穴对（激子） ?-共轭聚合物： PSCS的结构与原理 当光照时，聚合物产生激子（电子/空穴对）。这种电子/空穴对被束缚在链上，并不能在链间运动。采用电子受体（碳60）抓走电子，使载流子产生电荷分离。自由电子童通过电子受体跃迁到负极；而空穴通过聚合物主链跃迁至光透电极。 PSCS的工作机理 在入射光激发下，施主聚合物链上产生一个激子。如果在邻近合适的空间位置上存在合适的受主分子， 激子则分离为一个自由电子和一个自由空穴；自由电子跃迁至受主分子，空穴留在施主聚合物上并沿链段传输到ITO电极。 PSC的最大电压Voc等于受主分子的LUMO与施主聚合物价带上缘之能级差。 P3HT/PCBM QY: 70% ηw = 2.8 MDMO-PPV/PCBM QY: 66% ηw = 3.0 Jsc ~ 5-15 mA/cm2 Voc ~ 0.7-1.0 V FF ~ 0.5-0.6 ηAΜ1.5 ~ 5% PSC 现有水平 厚度30nm的D/A聚合物层 DSSC 近期研究方向之一 固态电解质是 DSSC应用的首选。最现实的选择是凝胶型聚合物 (Gel polymer) I- 离子导体。研究体系包括： 1.碘的化合物: 2.适配的聚合物骨架 理想情况：大阳离子固定在聚合物上形成合适的隧道结构，微腔中固定溶剂，碘离子在其中快速移动。 含有胺、吡咯等大阳离子的聚合物链上络合碘离子，并具有合适的 “液相” 通道。 Absorption spectra of the dyes adsorbed on a transparent TiO2 film. DSSC based on C2-1 dye (value of 4.49%, Voc = 600mV, Jsc = 11.20 mA/cm2, ff = 0.67), (η=6.16% for N3 dye under the same conditions. 一些廉价的有机染料，也表现出相当好的吸光能力和光电转换效率。如，四氢喹啉类染料 （tetrahydroquinoline） DSSC 近期研究方向之一 前沿研究－多结光电池 单结的理论光电效率～31％，目前实验室电池已达到；多结的理论极限～68.8 ％，实验室GaInP/GaAs/Ge 电池已达 40%。 Q: 化学方法组装多结电池？ 化学掺杂制造高吸光多带氧化物？ 3? 前沿研究－量子点 DSSC 一个光子产生两个（e-, h+）对 量子点QD－量子化的半导体结构（?10nm）。在QD中，电荷由势垒束缚在小于其波长的空间里，热电子冷却速度降低，激子放大速度与冷却速度相当。 实验证明，PbS 、PbSe 等窄带量子点上QY=300%,即一个高能量光子可产生3个激子（e-, h+）。近来有人采用InP, CdS, 及 PbS 量子点修饰TiO2 光电极，意图大幅提高DSSC效率。 A. J. Nozik，Inorg. Chem. 2005, 44, 6893-6899 量子点光电化学：有待探索 量子点在DSSC的应用 简单的染料应用 Q: 在TiO2晶格中多大尺寸的异质点才能实现量子点效应? 纳米壳-核化合物能否大幅度提高吸光效率? (理论与实验) 主要生产商 USA JAPAN 热化学 光化学 光电化学 光生物化学 H2 太阳能 ＋ 水 ＝ 氢 * 武汉大学化学学院 杨汉西 2009.10. www.hxyang@ 太阳的物理性质 太阳是一个炽热的气团，平均密度为地球的1/4；其主要组成为气体氢（约80％）和氦（约19％）。 它的直径为139万公里，约等于地球直径的109倍，体积则比地球大1.3×106倍； 太阳质量为2.2×l027吨，约为地球质量的33万倍； 太阳的表面温度约为6000K， 而其中心温度高达1500万K。 巨大的能量辐射源！ 太阳内部的反应 1MeV=1.6 ?10-13 J 每秒太阳消耗百万吨氢进行氢→氦的热核聚变反应，不断地释放出巨大的能量（4×1026瓦）； 按目前的聚变反应速率估算，其氢的储量足够维持百亿年以上，因此可以说太阳能是用之不竭的。 辐射到地球大气层的能量仅为总辐射能的22亿分之一，但仍高达1