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1、光电效应与光伏电池太阳电池的基本原理和发展概况化学与环境科学学院化学与环境科学学院主要内容光电效应简介太阳电池的开发背景光伏效应的基本原理太阳电池的发展历程(类型)无机纳米晶/有机半导体杂化太阳电池太阳电池的应用和未来展望1.光电效应简介光电效应和外光电效应化学与环境科学学院光电效应(photoelectric)：物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。§1887年HeinrichHertz在实验中发现了光电效应，爱因斯坦因采用光量子(photon)的概念成功的解释了光电效应而获得了1921

2、年诺贝尔物理奖。§根据电子吸收光子能量后的不同行为，光电效应可分为外光电效应和内光电效应。外光电效应：在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。§其主要应用有光电管和光电倍增管。1.光电效应简介内光电效应及其应用化学与环境科学学院内光电效应：光照射到半导体材料上激发出电子-空穴对而使半导体产了产生的电效应。内光电效应可分为光电导效应、光生伏特效应。§光电导效应是指光照射下半导体材料的电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料电阻率的变化。其应用为光敏电阻。§光生伏特效应是指光照射下物体内

3、产生一定方向的电动势的现象。其应用主要有光伏电池、光(电)敏二极管、光(电)敏三极管等。2.太阳电池的开发背景人类未来50年面临的十大难题化学与环境科学学院Energy&NanotechnologyConference,RiceIniversity,May3,20032.太阳电池的开发背景2011-2020年我国能源科学学科发展战略报告化学与环境科学学院全人类共同的挑战化石能源的大量使用导致了全球气候变化。政府间气候变化专门委员会(IPCC)的综合评估结果表明：近50年全球大部分增暖，非常可能(90%以上)是人

4、类活动的结果，特别是源于化石燃料使用导致的人为温室气体排放。化石能源的开发利用造成环境污染。我国每年排入大气的污染物中，有约80%的烟尘、87%的SO2和67%的NOx来源于煤的燃烧。这些污染物会形成硫酸烟雾、酸雨以及其它光化学烟雾等。化石能源行将枯竭带给人类巨大的挑战。按照2008年的开采速度计算，全球石油剩余探明储量可供开采42年，天然气和煤炭分别可供应60年和122年。2008年我国煤炭储采比约为41年，天然气和石油储采比分别约为32年和11年。必须加强替代能源包括核能、风能、太阳能、水能、地热和海洋能等

5、的开发利用。2.太阳电池的开发背景太阳能的优点和缺点化学与环境科学学院太阳能的优点：太阳能是人类可利用的最直接的清洁能源，它分布广阔，获取方便；不会污染环境，没有废水、废渣、废气的排放；可以就地开发利用，不存在运输问题。太阳表面释放的能量换算成电能的功率约为3.8×1023KW左右，其中约22亿分之一到达地球，约1.2×1014KW(1.35KW/m2,太阳常数)，这相当于现在地球上消耗能量的约1万倍。根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太

6、阳的能量是取自不尽，用之不竭的。太阳能的缺点：能源密度较低，并且具有间歇性，使其大规模使用的成本和技术难度均很高，目前太阳能所提供的能源占世界商业能源总量不足1%。3.光伏效应的基本原理金属、导体和绝缘体化学与环境科学学院金属半导体绝缘体金属的价带是半满的，所以金属能够导电；绝缘体的价带是全满的，并且具有较大的禁带宽度，所以不能导电；半导体的价带也是全满的，但由于其具有较窄的禁带宽度，所以在一定的条件下能够导电。其电导率在10-4到1010欧姆厘米之间。3.光伏效应的基本原理本征半导体和掺杂半导体化学与环境科

7、学学院本征半导体：没有杂质和缺陷的半导体。其原子的排列处于非常整齐的状态，在一定条件下少数电子可能挣脱束缚而形成电子载流子n0，同时留下带正电的空位(空穴hole)p0，且浓度n0=p0。在本征半导体中载流子的总数仍然不能满足导电性的需要，所以本征半导体实际用处不大。常见的本征半导体有硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等。掺杂半导体：为了提高半导体的导电性能，可以通过添加杂质的办法降低其电阻率，提高其导电性。例如对本征半导体硅掺入百万分之一的杂质，其电阻率就会从105下降到只有几个欧姆厘米。§p-型半

8、导体：positive,通过掺杂增加半导体内的空穴载流子的浓度，使空穴(正电子)成为多数载流子(多子)；§n-型半导体：negative,通过掺杂增加半导体内的电子载流子的浓度，是电子称为多数载流子。3.光伏效应的基本原理p-型半导体和n-型半导体化学与环境科学学院以硅为例，理想的硅原子结构示意图：添加3价元素硼后的示意图：黄色表示B元素，蓝色点表示空穴。空穴容易吸收电子而中和，就像空