貴州民族學(xué)院畢業(yè)論文 i 光電材料的研究 及其 進(jìn)展 姓名：岑遠(yuǎn)祿 摘要 : 隨著煤、石油、天然氣等能源的逐步消耗，能源危機(jī)已展現(xiàn)在全人類面前。太陽(yáng)能作為一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，太陽(yáng)能電池的研究與應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越受到重視。有機(jī)太陽(yáng)能材料加工方便，成本低，自其出現(xiàn)就受到人們的青睞。但目前有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率還是比較低，只有得到更高效率、性能穩(wěn)定的太陽(yáng)能電池，才能實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化。 本文 介紹了光電轉(zhuǎn)換的基本原理 、 分類及 制備方法 ,討論了幾種光電材料的發(fā)展現(xiàn)狀、性質(zhì)、應(yīng)用及存在的問(wèn)題 ， 綜述了國(guó)內(nèi)外光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞： 光電材料 制備方法 太陽(yáng)能電池 酞菁銅 作者：岑遠(yuǎn)祿（計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 06 級(jí)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生）指導(dǎo)老師：任麗蓉 in of of is to of of of 州民族學(xué)院畢業(yè)論文 錄 第 1 章 緒論 . 1 究意義 . 1 究現(xiàn)狀 . 1 第 2 章 光電材料理論概要 . 3 光電轉(zhuǎn)化性能原理 . 3 電材料的分類 . 3 電材料制備方法 . 4 第 3 章 典型光電材料的研究進(jìn)展 . 6 米光電材料的研究簡(jiǎn)介 . 6 米光電材料的性質(zhì)特點(diǎn) . 6 米材料的分類及應(yīng)用 . 6 陽(yáng)能光電材料 . 9 . 9 . 10 . 11 菁銅類光電材料 . 12 3 3 1 酞菁銅的研究進(jìn)展 . 12 3 3 2 酞菁銅類光電材料的性質(zhì) . 12 3 3 3 酞菁銅在太陽(yáng)能電池中的用途 . 13 第 4 章 我國(guó)及世界光電材料研究 現(xiàn)狀 . 14 電材料在材料科學(xué)中的應(yīng)用 . 15 球光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 . 16 總結(jié) . 18 致謝 . 19 貴州民族學(xué)院畢業(yè)論文 1 第 1章 緒論 究意義 太陽(yáng)能是取之不盡、用之不竭的清潔能源 ， 全球能量消耗總和只相當(dāng)于太陽(yáng) 40 投射到地球表面的能量 。 因此開發(fā)利用太陽(yáng)能成為世界各國(guó)政府可持續(xù)發(fā)展能源的戰(zhàn)略決策 。 光電材料作為現(xiàn)代高科技發(fā)展的重要 物質(zhì)基礎(chǔ)，在微電子、光學(xué)、激光、遙感、通信、航空、宇航等高技術(shù)中一直處于發(fā)展的前沿位置。進(jìn)入 21世紀(jì)，光電材料作為高科技領(lǐng)域發(fā)展中不可替代的關(guān)鍵材料愈來(lái)愈受到世界各國(guó)政府和科學(xué)家的重視 。 新材料的研制關(guān)系到一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力的發(fā)展 ， 是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ) ； 世界各國(guó)都把新材料的研制列人國(guó)家重點(diǎn)研究計(jì)劃 。 光電功能材料既有電子材料的穩(wěn)定性 ， 又具有光子材料的先進(jìn)性 ， 將在光電子時(shí)代被廣泛采用 ,有極大的市場(chǎng)前景 。 21 世紀(jì)又是信息高度發(fā)達(dá)的社會(huì) ,而支持信息發(fā)展的基礎(chǔ)也是光電功能材料的研究與開發(fā) 。 納米復(fù)合光電轉(zhuǎn)換材料 是近幾年發(fā)展十分迅速的領(lǐng)域之一 。 由于納米材料具有表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和小尺寸效應(yīng) ， 從而使其在磁學(xué)、非線性光學(xué)、光電轉(zhuǎn)換、催化、敏感特性等方面表現(xiàn)出獨(dú)特的性能 。 究現(xiàn)狀 能源和環(huán)境問(wèn)題是當(dāng)前人類面臨的兩大主要問(wèn)題 ，而太陽(yáng)能是解決以下 兩大問(wèn)題最有效的途徑。因此許多學(xué)者致力于太陽(yáng)能電池的研究 ， 以此作為開發(fā)太陽(yáng)能資源的新技術(shù)。自從 1954年用直拉硅單晶開發(fā)出第一個(gè)太陽(yáng)能電池 硅太陽(yáng)能電池以來(lái) ， 太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展迅速 ， 轉(zhuǎn)化效率也不斷提高 ， 成本不斷下降 ， 大面積的太陽(yáng)能電池也有了很大 的發(fā)展。特別是 20世紀(jì) 70年代由于石油危機(jī)的出現(xiàn) ， 再加上環(huán)境污染 ， 所以太陽(yáng)能電池發(fā)展迅速。目前適合作太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體材料主要有單晶硅、多晶硅、非晶硅、化合物半導(dǎo)體。其中化合物半導(dǎo)體 主要包括二元的 元的 質(zhì)結(jié)中的 晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率過(guò)低。 已商業(yè) 化 的多晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 17 % ， 但生產(chǎn)成本仍然很高 。 二元半導(dǎo)體中的硫族化合物吸收系數(shù)較高 有希望得到低成本且轉(zhuǎn)化效率較高的產(chǎn)品。 但 材料非常昂貴 ， 且有毒 ， 所以限制了 大面積的推廣。而三元化合物中的 由于 具有較高的吸收系數(shù) 。 而納米復(fù)合薄膜材料 禁帶寬度近于 1. 0 是目前已知光吸收性最好的半導(dǎo)體材料之一 ， 其多晶薄膜具有優(yōu)良的光電特性 ， 光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到 20 %。 美國(guó)、歐洲、日本、澳大利亞等許多國(guó)家政府和公司在這一研究領(lǐng)域投入了大批力量 。 預(yù)期利用作者：岑遠(yuǎn)祿（計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 06 級(jí)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生） 指導(dǎo)老師：任麗蓉 2 半導(dǎo)體復(fù)合材料制備太陽(yáng)能電池將走向?qū)嵱没?。 貴州民族學(xué)院畢業(yè)論文 3 第 2章 光電材料理論概要 光電轉(zhuǎn)化性能原理 光作用 下的電化學(xué)過(guò)程即分子、 離子及固體物質(zhì)因吸收光使電子處于激發(fā)態(tài)而產(chǎn)生的電荷傳遞過(guò)程 。 當(dāng)一束能量等于或大于半導(dǎo)體帶隙 ( 的光照射在半導(dǎo)體光電材料上時(shí) ，電子 (e) 受激發(fā)由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶 ， 并在價(jià)帶上留下空穴 (h+ ) ， 電子與空穴有效分離 ，便實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)化 。 由于半導(dǎo)體光電材料表面受到 大于或等于帶隙寬度的光的激發(fā) ， 產(chǎn)生非平衡載流子 ， 它們?cè)谧越妶?chǎng)的作用下 ， 發(fā)生定向移動(dòng) ,導(dǎo)致表面電荷量發(fā)生改變 。 對(duì)于 P 型半導(dǎo)體 ， 光生電子移向表面 ， 光生空穴移向體相 ， n 型半導(dǎo)體則與之 相反。 (a) (b)圖 1 光照下半導(dǎo)體光電壓的產(chǎn)生原理圖 電材料的分類 按用途分類 光電材料可分為 光電轉(zhuǎn)換材料 與 光電催化材料 。 光電轉(zhuǎn)換材料 是 根據(jù)光生伏特原理 ， 將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體光電材料 。 目前 ， 小面積多結(jié) 陽(yáng)能電池的效率超過(guò) 40 % 。 光電催化材料 是 在光催化下將吸收的光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的半導(dǎo)體光電材料 。 它使許多通常情況下難以實(shí)現(xiàn)或不可能實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)在比較溫和的條件下能夠順利進(jìn)行 。 例如 ， 水的分解反應(yīng) ,該反應(yīng)的 0， 在光電材料催化下 ， 反應(yīng)可以在常溫常壓下進(jìn)行 。 按組成分類 光電材料可分為 有機(jī)光電材料 、 無(wú)機(jī)光電材料 和 有機(jī) 有機(jī)光電材料 是 由有機(jī)化合物構(gòu)成的半導(dǎo)體光電材料 ， 主要包括酞青及其衍生物、卟啉及其衍生物、聚苯胺、噬菌調(diào)理素等 。 無(wú)機(jī)光電材料 是 由無(wú)機(jī)化合物構(gòu)成的半導(dǎo)體光電材料 ，主要包括 6 有機(jī) 由作者：岑遠(yuǎn)祿（計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 06 級(jí)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生） 指導(dǎo)老師：任麗蓉 4 中心金屬離子和有機(jī)配體形成的光電功能配合物 ， 主要有 2 按尺度分類 光電材料可分為 納米光電材料 和 塊體光電材料 。 納米光電材料是指顆粒尺度介于 1 100 塊體光電材料是指顆粒尺度大于 100 電材料制備方法 光電材料由于其不同的性能和尺寸要求 ， 制備方法是多種多樣的 。 比較常見的有激光加熱蒸發(fā)法、高溫固相反應(yīng)、 激光氣相合成法、水熱合法、濺射法、方法 。 （ 1） 激光加熱蒸發(fā)法 。 激光加熱蒸發(fā)法是以激光為快速加熱源 ， 使氣相反應(yīng)物分子內(nèi)部很快地吸收和傳遞能量 ,在瞬間完成氣相反應(yīng)的成核、長(zhǎng)大和終 止 。 該方法可以迅速生成表面凈、 粒徑小 ( 50且粒度均勻可控的納米微粒 。 （ 2） 溶膠 - 凝膠法 ( 溶膠 其基本步驟是先用金屬無(wú)機(jī)鹽或有機(jī)金屬化合物在低溫下液相合成為溶膠 ， 然后采用提拉法或旋涂法 ， 使溶液吸附在襯底上 ， 經(jīng)膠化成凝膠 ，凝膠經(jīng)一定溫度處理后即可得到納米晶復(fù)合薄膜 ， 目前已采用 得到的納米鑲嵌復(fù)合薄膜主要有 ， 。 由于溶膠的先驅(qū)體可以提純且溶膠 - 凝膠過(guò)程在常溫下可液相成膜 ， 設(shè)備簡(jiǎn)單 ， 操作方便 。 因此 ， 溶膠 - 凝膠法是常見的納米復(fù)合薄膜制備方法之一 。 （ 3） 等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù) ( 借助等離子體使含有薄膜組成原子的氣態(tài)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng) ， 而在基板上沉積薄膜的一種方法 ， 特別適合于半導(dǎo)體薄膜和化合物薄膜的合成 ， 被視為第 2 代薄膜技術(shù) 。 術(shù)是通過(guò)反應(yīng)氣體放電來(lái)制備薄膜的 ，這就從根本上改變了反應(yīng)體系的能量供給方式 ， 能夠有效地利用非平衡等離子體的反應(yīng)特征 。 由于等離子體 中的電子溫度高達(dá) 104 K， 有足夠的能量通過(guò)碰撞過(guò)程使氣體分子激發(fā)、分解和電離 ， 從而大大提高了反應(yīng)活性 ， 能在較低的溫度下獲得納米級(jí)的晶粒 ， 且晶粒尺寸也易于控制 ,所以被廣泛應(yīng)用于納米鑲嵌復(fù)合膜的制備 ， 尤其是硅系納米復(fù)合薄膜的制備 . 韓高榮等人以 N 2和 有望成為新一代光電成像材料 ,在空間光調(diào)制器件 ， 靜電復(fù)印感光鼓 ， 高密度存儲(chǔ)器中有廣泛應(yīng)用前景 。 （ 4） 激光氣相合成法 。 激光氣相合成納米材料的原理是采用高速流動(dòng)的反應(yīng)物氣體與高能量的 垂直正交 ， 發(fā)生交互作用產(chǎn)生能量的共振、 吸收 ， 在氣流噴射的下方形成穩(wěn)定、 可控的高溫反應(yīng)火焰 ， 反應(yīng)物在瞬間發(fā)生分解、化合 ， 生成物經(jīng)氣相凝聚、成核和貴州民族學(xué)院畢業(yè)論文 5 生長(zhǎng) ， 在氣流慣性和與反應(yīng)氣同軸的載氣帶動(dòng)下 ， 由真空泵抽吸 ， 進(jìn)入粉體收集器內(nèi)。 （ 5） 水熱合成法 。 在密閉體系中 ， 以水為溶劑 ， 在一定溫度和水的自生壓強(qiáng)下 ， 原始混合物進(jìn)行反應(yīng) 一種合成方法 。 由于反應(yīng)在高溫、高壓、水熱條件下 ， 反應(yīng)物質(zhì)在水中的物性與化學(xué)反應(yīng)性能發(fā)生了很大變化 ， 而不同于一般制備方法 。 能直接制得結(jié)晶完好 ，原始粒度小、分布均勻 ,團(tuán)聚少的納米粉體 ， 制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單 。 無(wú)需焙燒處理 , 但是高溫高壓下的合成設(shè)備較貴 ， 投資較大 。 作者：岑遠(yuǎn)祿（計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 06 級(jí)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生） 指導(dǎo)老師：任麗蓉 6 第 3章 典型光電材料的研究進(jìn)展 米光電材料的性質(zhì)特點(diǎn) 納米材料是一種粒子尺寸在 1到 100米光電材料是指能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為電能或化學(xué)能等其它能量的一種納米材料。由于其良好的性能、巨大的發(fā)展前景而廣泛用于光通信、光存儲(chǔ)、全光網(wǎng)絡(luò)、光電探測(cè)器等各個(gè)方面。 當(dāng)半導(dǎo)體光電材料顆粒處于納米尺度范圍內(nèi)時(shí) ， 會(huì)顯示出與塊體不同的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì) ， 其原因是隨著粒徑的減小而產(chǎn)生量 子化的結(jié)果 。 由于半導(dǎo)體的載流子限制在一個(gè)小尺寸的勢(shì)阱中 ， 在此條件下 ， 導(dǎo)帶和價(jià)帶能帶過(guò)渡為分立的能級(jí) ， 因而有效帶隙 ( 增大 ，吸收光譜閾值向短波方向移動(dòng) ， 這種效應(yīng)就稱為尺寸量子效應(yīng) 。 量子尺寸效應(yīng)不僅造成超微粒的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化 ， 而且它的電學(xué)性質(zhì)也有明顯的不同 ， 隨著顆粒粒徑的減少 ， 有效帶隙增大 ， 其光生電子與塊體相比具有更負(fù)的電位 ， 相應(yīng)地具有更強(qiáng)的還原性 ， 而光生空穴因具有更正的電位而具有更強(qiáng)的氧化性 。 納米半導(dǎo)體的另一個(gè)顯著特性就是表面效應(yīng) ， 粒子表面原子所占的比例增大 。 例如 ，一個(gè) 5 子約有 15 %的原子位于粒子表面 。 當(dāng)表面原子數(shù)增加到一定程度 ， 粒子性能更多地由表面原子而不是由晶格上的原子決定 。 表面原子數(shù)的增多 ， 原子配位不滿 (懸空鍵 ) 以及高的表面能 ， 導(dǎo)致了納米微粒表面存在許多缺陷 ， 使這些表面具有很高的活性 。因此 ， 納米光電材料體現(xiàn)出比塊體光電材料更高的光催化活性 。 人在硫化鋅光催化還原二氧化碳的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn) ： 米顆粒的直徑對(duì)反應(yīng)的選擇性與催化活性影響很大 。 隨著 粒的減小 ， 其催化活性與其產(chǎn)物甲醛的選擇性增大 。 另一項(xiàng)研究表明 ，徑越小 ， 光催化活性越高 。 在懸 浮態(tài)反應(yīng)器中 ， 徑為 30 光催化活性有一個(gè)突躍 。 在固定床反應(yīng)器中 ， 0 米材料的分類 及 應(yīng)用 納米材料大致可分為納米粉末、一維納米材料、納米膜等。納米粉：又稱為超微粉或超細(xì)粉，一般指粒度在 100納米以下的粉末或顆粒，是一種介于原子、分子與 宏觀物體之間處于中 間 物態(tài)的固體顆粒材料 ； 一維納米材料：指直徑為納米尺度而長(zhǎng)度較大的線狀材料。分為納米線和納米管 ； 納米膜：納米膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細(xì)小的間隙 的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級(jí)的薄膜。 （ 1） 電探測(cè)器中的研究 。 納米粉體具有體積效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、介電限域效應(yīng)等各種效應(yīng)，所貴州民族學(xué)院畢業(yè)論文 7 以納米粉體表現(xiàn)出強(qiáng)吸光能力、高活性、高催化性、高選擇性、高擴(kuò)散性、高磁化率和矯頑力等奇特理化性能。 圖（ 2） 實(shí)驗(yàn) 研究表明 原有的薄層型光電探測(cè)器能獲得極高的響應(yīng)速度，但其光學(xué)吸收變差，有可能降低器件的靈敏度，這一點(diǎn)對(duì)硅光電探測(cè)器來(lái)說(shuō)尤其明顯， 硅 的間接 帶隙特性使得其吸收系數(shù)要比 2驗(yàn)表明，只要增加一層金屬納米粉末涂層，就能顯著地改變硅薄膜型光電探測(cè)器的光吸收特性?，F(xiàn)基于 on 光電探測(cè)器利用金屬納米粉末涂層同 以顯著改善薄膜型 圖 2)。此外，通過(guò)精心選擇納米粉末涂層的材料和顆粒大小，還有望將增強(qiáng)光電流響應(yīng)的光譜范圍由 可見光和近紅外區(qū)擴(kuò)展到紅外區(qū)。 (2)一維納米材料 。 當(dāng)一維半導(dǎo)體材料的直徑與其德布羅意波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，它的導(dǎo)帶與夾帶進(jìn)一步分裂 ，其能隙會(huì)隨著直徑減小而變大。這樣以來(lái)量子限制效應(yīng)、非定域量子相干效應(yīng)和非線性光學(xué)都會(huì)表現(xiàn)明顯。 定向耦合器是波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中最常用的基本元件之一。 個(gè)耦合波導(dǎo)的橫截面尺寸為 0 3 0 3 m，間距僅為0 3于兩個(gè)波導(dǎo)之間很強(qiáng)的耦合作用，定向耦合器的耦合長(zhǎng)度僅為 10 m，當(dāng)耦合波導(dǎo)之間的間距減少時(shí)，波導(dǎo)長(zhǎng)度還可以進(jìn)一步縮短。由此可以制作出結(jié)構(gòu)非常緊湊的 3遠(yuǎn)祿（計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 06 級(jí)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生） 指導(dǎo)老師：任麗蓉 8 耦合器。在此基礎(chǔ)之上，他們還制作了一種基于納米線波導(dǎo)的 路 復(fù)用器，它由兩個(gè)在側(cè)壁上刻有 路波長(zhǎng)帶寬不超過(guò) 0 7路波長(zhǎng)時(shí)輸出端的消光比為 8下路波長(zhǎng)可以通過(guò)改變光柵參數(shù)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 將 助于器件尺寸和功耗的減小。 1、 1 2和 1 4的 圖 2） 所示。光開關(guān)中采用的納米線波導(dǎo)的橫截面尺寸為 300300些熱光開關(guān)器件所占的面積分別為 140 m 65 IX m、 85 m 30IX m 和 190 m 75 IX m，消光比超過(guò) 30關(guān)功耗低于 90關(guān)響應(yīng)時(shí)間小于 100 S。 圖 3 納米線波導(dǎo)干涉型熱光開關(guān) (3)納米硅薄膜發(fā)光特性 納米硅薄膜是由納米尺寸的硅微晶粒構(gòu)成的一種納米固體材料，其晶粒所占的體積約為 50 ，另外 50則為晶粒之間的大量界面原子所占據(jù)。納米硅薄膜由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)而具有 一 系列獨(dú)特性質(zhì)，如電導(dǎo)率高、光熱穩(wěn)定性好、光吸收能力強(qiáng)、光學(xué)能隙寬化、光致發(fā)光等，而且還具有明顯的量子尺寸效應(yīng)。近年來(lái)，已成功地研制了納米硅異質(zhì)結(jié)二極管，并正展開納米硅薄膜太 陽(yáng)電池的研制，展現(xiàn)了納米硅薄膜器件的廣闊前景。紫外光電探測(cè)器方面， O M 們首先以電化學(xué)分解法在 后開始器件的制作：在 接著用氫氟酸緩沖液在氧 層上刻蝕出器件圖形；然后將硅片浸入納米硅晶的酒精懸濁液中，用一種類似于金屬電鍍的電化學(xué)電鍍方法，將納米 積厚度約 50最后，在納米 00為器件的引出電極 (如圖 4) 器件對(duì)可見光有很好的過(guò)濾特性，而對(duì)紫外光有較好的響應(yīng)。 貴州民族學(xué)院畢業(yè)論文 9 圖 4 器件 陽(yáng)能光電材料 究 自從 1974年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的 S 許多國(guó)家都開展了 轉(zhuǎn)化效率有很 大 的提高 ， 成本也不斷降低 ， 其轉(zhuǎn)化效率隨時(shí) 間逐年增加 。 如圖 5所示。 圖 5 作者：岑遠(yuǎn)祿（計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 06 級(jí)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生） 指導(dǎo)老師：任麗蓉 10 1976年 真正意義 上 的 轉(zhuǎn)化效率為 6%。其制備方法是雙源蒸發(fā)法。 1978年 1982年 他們發(fā)現(xiàn)制得的雙層 擴(kuò)散產(chǎn) 生 銅 粒 而導(dǎo)致不穩(wěn)定性 ， 大大提高了太陽(yáng)能電池的性能。 80年代 許多制備太陽(yáng)能電池的新方法 ， 如濺射、 噴射熱解、快速凝固法、電沉積方法及在電沉積基礎(chǔ) 上 發(fā)展起來(lái)的硒化法等 。 其中最重要的是 1983年化法分兩個(gè)階段 ， 第一步是用某種方法先制得 第 二 步把先驅(qū)體放在 2 使太陽(yáng)能電池向?qū)嵱没~進(jìn)了一步。 1986年 提出了獨(dú)創(chuàng)的多結(jié)結(jié)構(gòu) ， 使兩種材料在應(yīng)用太陽(yáng) 能譜上能夠互補(bǔ)。 1988年 組件 。 目前也出現(xiàn)了許多制備太陽(yáng)能電池的新方法 , 如有機(jī)金屬化學(xué)氣相法?，F(xiàn)在制備 一是 二是 三是 不需合金化過(guò)程。第一種思路主要包括 ： 硒化 學(xué)氣相轉(zhuǎn)移法、反應(yīng)濺射 等 ； 第二種思路主要包括 ： 蒸發(fā)鍍、電沉積、化學(xué)浸泡、化學(xué)氣相沉積、分子束外延、噴射熱解等 ； 第三種主要 包括快速凝固技術(shù) 等 ?，F(xiàn)在 右 , 離理論轉(zhuǎn)化效率 20%還有一定的差距。除了改變現(xiàn)有方法的參數(shù)以外 , 還可以用其它一些技術(shù) , 如可以用摻雜技術(shù) , 用 用 可以用疊層技術(shù)來(lái)提高轉(zhuǎn) 化效率 , 降低成本。 （ 1） 光學(xué)性質(zhì) 常溫下禁帶寬度一般為 而吸收系數(shù)非常大 ， 這樣高的吸收系數(shù) , 可使薄膜做得很薄 , 從而降低成本 , 理論 上 征太陽(yáng)能電池光學(xué)性質(zhì)的主要參數(shù)有透射率 、折射率、吸收系數(shù)等 , u/接近于 1時(shí) , 透射率達(dá)到最大。 u/ 這主要是由于隨著溫度的升高 , 晶化程度變高 , 結(jié)構(gòu)緊密 , 故折射率增大。吸收系數(shù)隨著禁帶寬度的增加而增大 , 而在 吸收系數(shù)急劇 上 升。對(duì)吸收系數(shù)也有很大的影響 , 在弱吸收區(qū) ，當(dāng) 時(shí) , 吸收系數(shù)趨于最小。這是由于 當(dāng) 時(shí)貴州民族學(xué)院畢業(yè)論文 11 由于薄膜中存在缺陷從而有利于吸收的緣故。 當(dāng) 時(shí) , 禁帶寬度最小而其晶格常數(shù)最大。 （ 2） 電學(xué)性質(zhì) 既可以制得 也可以制得 為一般在太陽(yáng)能電池中都要形成 正是由于在同一材料中可以制得 這樣可以減少太陽(yáng)能電池的不穩(wěn)定性 , 提高太陽(yáng)能電池的性能。目前一般可以通過(guò)改變薄膜中 也可以通過(guò)改變制備材料過(guò)程中的其它參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)在某一區(qū)域內(nèi)如果 型 , 而 型。目前還不清楚 文獻(xiàn)報(bào) 導(dǎo) , 用硒化法得到的 由于其表面 型 , 薄膜內(nèi)部由于 型。這主要是由于在上述系統(tǒng)中 故 而由于 所以在后段沉積過(guò)程中 于在用光電化學(xué)的方法檢測(cè)樣品導(dǎo)電類型時(shí)得到樣品呈 而用能量的方法檢側(cè)同一樣品時(shí)得到樣品呈 所以有人提出所謂的表面、內(nèi)部導(dǎo)電模型。模型指出用光電化學(xué)檢測(cè)時(shí) , 測(cè)得的是樣品的內(nèi)部故呈 而用能量的方法檢測(cè)時(shí)測(cè)得的是樣品的表面故呈 滿地解釋了由于用不同方法得到樣品導(dǎo)電類型不同的矛盾。通過(guò)以上分析知道可以改變一些實(shí)驗(yàn)參數(shù)如溶液濃度、沉積電位等來(lái)改變 從而得到所需的導(dǎo)電類型。 發(fā)展趨勢(shì) 目前的研究還只是處于試驗(yàn)階段，尚待解決的問(wèn)題有： （ 1） 提高轉(zhuǎn)化率，降低成本，適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)，邁向?qū)嵱没悄壳白钪饕膯?wèn)題。 （ 2） 目前還缺乏一個(gè)完整的理論模型指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，如不同的制備 方法中薄膜的生長(zhǎng)的機(jī)理問(wèn)題及不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)薄膜性能的影響。 （ 3） 由于 n、 果大規(guī)模生產(chǎn)勢(shì)必會(huì)帶來(lái)環(huán)境問(wèn)題，在不降低其性能的情況下，用其他元素代替合金中有毒元素及貴重元素。 （ 4） 不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì) 學(xué)性質(zhì)、化學(xué)缺陷影響的研究有待進(jìn)一步完善，從而可以得到最佳的工藝條件。 解決上述問(wèn)題的主要手段有，尋找一種新方法，發(fā)展先進(jìn)的工藝，以提高轉(zhuǎn)化效率，降低成本，適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn) ；在原有方法的基礎(chǔ)上，探索各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)，從而得到最佳的工藝參數(shù)；摻雜不但可以降低成本，提高轉(zhuǎn) 化效率，也可以解決環(huán)境問(wèn)題的元素。目前一作者：岑遠(yuǎn)祿（計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 06 級(jí)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生） 指導(dǎo)老師：任麗蓉 12 般用 n， 替 何找到新的廉價(jià)、無(wú)毒元素來(lái)?yè)诫s使非常重要的一個(gè)方面；另外目前利用疊層技術(shù)使薄膜可以充分吸收不同區(qū)域的太陽(yáng)光，從而提高轉(zhuǎn)化效率。 菁銅類光電材料 3 3 1 酞菁銅的研究進(jìn)展 酞菁 ， 是一個(gè)二維的平面大環(huán)共軛分子，具有 18丌電子芳香結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的二維 丌電子離域結(jié)構(gòu)賦予了酞菁優(yōu)秀的物理和化學(xué)性質(zhì)。 酞菁是在 1907年，由英國(guó)的 A C 1927年，德國(guó)弗來(lái)堡大 H 到了第一個(gè)酞菁金屬配合物 酞菁銅。 1934年， R P 出作為配體的酞菁具有四個(gè)異吲哚單元，分子整體是一個(gè)具有高度共軛的 丌 首次使用“ 即中文“酞菁 )一詞。 3 3 2 酞菁銅類光電材料的性質(zhì) (1)酞菁配合物的紫外可見吸收光譜 酞菁配合物的一個(gè)重要特性是其在可見光區(qū)域 (600強(qiáng)的吸收帶 (。對(duì)其在紫外 常，人們最為關(guān)注的是 相應(yīng)的分子軌道定域于酞菁環(huán)，對(duì)酞菁分子的結(jié)構(gòu)和所處的環(huán)境非常敏感。 置、數(shù)目以及分子間的聚集形杰等因素密切相關(guān)。 (2)酞菁配合物的熱穩(wěn)定性 固態(tài)金屬酞菁配合物在熱作用下的穩(wěn)定性，對(duì)其應(yīng)用具有實(shí)際意義。通常采用的研究手段有差示掃描量熱法 (熱重法 (差示熱重法 (研究結(jié)果表明：無(wú)取代金屬酞菁配合物在 氮?dú)饣蚩諝庵械臒嶂厍€通常只有一個(gè)失重峰，對(duì)應(yīng)于酞菁環(huán)的破壞。一般認(rèn)為，鰲合物的配位鍵強(qiáng)度與熱分解溫度成反比關(guān)系，因?yàn)闊岱纸鈺r(shí)配位鍵不斷裂而在鰲合環(huán)上斷鏈，配位鍵越強(qiáng)則鰲合 環(huán) 上的鍵越弱并易于斷裂。周環(huán)取代金屬酞菁配合物的熱分解過(guò)程較為復(fù)雜，其熱重曲線形狀與取代基團(tuán)關(guān)系密切，熱分解可能分步進(jìn)行。 取代基團(tuán)的類型對(duì)酞菁環(huán)熱分解起始溫度有影響，這可能與取代基團(tuán)的電子效應(yīng)相關(guān)，取代基使酞菁環(huán)上相應(yīng)電子密度的分配發(fā)生變化，從而鰲合環(huán)與配位鍵的強(qiáng)度均發(fā)生變化。 貴州民族學(xué)院畢業(yè)論文 13 (3)酞菁配合物的導(dǎo)電性 酞菁銅的載流子遷移率在所有的有機(jī) 化合物中是最高的，達(dá)到 75V s，但其導(dǎo)電性能仍很差，聚酞菁銅因共軛加大，其導(dǎo)電性能可提高 12個(gè)數(shù)量級(jí)。 3 3 3 酞菁銅在太陽(yáng)能電池中的用途 酞菁銅是一種常見的化學(xué)染料，其結(jié)構(gòu)與血紅素、葉綠素等生物的基本結(jié)構(gòu)具有相似之處，在顏料、染料和油墨等工業(yè)中占有重要地位。由于酞菁銅分 子 具有大的共軛體系致使它不僅具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、難燃性以及耐光、耐輻射性能，而且還具有導(dǎo)電性、光電導(dǎo)性、氣敏性、電致發(fā)光、光存貯性、催化活性和仿生特性等，目前正發(fā)展成為一種多功能材料，在工業(yè)和日常生沽中將得到廣泛的應(yīng) 用。用酞著銅制作半導(dǎo)體器件、太陽(yáng)能電池和整流裝置等己研究了較長(zhǎng)時(shí)間，近年來(lái)對(duì)其在復(fù)印鼓、液晶光閥、氣體傳感器和低維導(dǎo)電材料等方面的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究。 酞菁類化合物在可見光區(qū)不僅吸收范圍寬、吸收系數(shù)大，而且具有極好的光穩(wěn)定性，因此酞菁類太陽(yáng)能電池的研究也十分引人注目，目前其光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到 2% 利用酞菁銅的光伏效應(yīng)，可以制成有機(jī)太陽(yáng)能電池，結(jié)構(gòu)如圖 6所示。但就 目 前而言，酞菁銅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率與無(wú)機(jī)硅太陽(yáng)能電池相比，還顯得較低。為提高酞菁銅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率很多研究者作了大量的作，在改善 酞菁銅太陽(yáng)能電池性能方面而取得了一定進(jìn)展。如在酞菁銅中摻雜 變物質(zhì)的結(jié)構(gòu)形成 P 用 些方法都對(duì)提高酞菁銅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率有積極的作用。 作者：岑遠(yuǎn)祿（計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 06 級(jí)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生） 指導(dǎo)老師：任麗蓉 14 圖 6 聚酞菁銅 雖然酞菁類化合物能使光電池的性能有很大的提高，但是有研究表明，當(dāng)用酞菁做材料制備光電池時(shí)，應(yīng)該考慮其晶型，因?yàn)楣馍d流子產(chǎn)率與材料的晶型有關(guān)。酞菁中心金屬的改變會(huì)影響整個(gè)電池的光電性能，對(duì)酞菁的選擇必須要綜合全面考慮。 貴州民族學(xué)院畢業(yè)論文 15 第 4章 我國(guó)及世界光電材料研究 現(xiàn)狀 材料科學(xué)中 的應(yīng) 用 （ 1） 電致發(fā)光材料 隨著信息社會(huì)的快速發(fā)展 ， 用于低能耗、輕便、大面積、全色平面顯示器的電致發(fā)光器件頗受親睞 。 以前大多采用無(wú)機(jī)薄膜磷光粉材料 ， 但無(wú)機(jī)器件由于脈沖激發(fā)而需要較高電壓 ， 并且外圍設(shè)備較昂貴 。 自從 C. W. 報(bào)道了高亮度的有機(jī)電致發(fā)光器件以來(lái) ，由于有機(jī)材料潛在的分子水平上可設(shè)計(jì)性 , 有機(jī)薄膜電致發(fā)光器件的研究工作取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展 ， 得到了紅、綠和藍(lán)色電致發(fā)光器件 。 目前 ,有機(jī)電致發(fā)光器件一般采用薄膜結(jié)構(gòu) ， 此結(jié)構(gòu)可有效控制帶電載流子和分子激發(fā)在有機(jī)薄膜層內(nèi)的運(yùn)動(dòng) ， 并且可以實(shí)現(xiàn)將帶電載流子和激子局域于設(shè)計(jì)的區(qū)域 。 有機(jī)電致發(fā)光材料有無(wú)機(jī)材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn) :廣泛的可選擇性、優(yōu)良的機(jī)械性能、可與集成電路相匹配的低直流驅(qū)動(dòng)、高亮度和高發(fā)光效率等 。 另外 ,有機(jī)電致發(fā)光材料還可提供各種不同色調(diào)的發(fā)光 ， 包括無(wú)機(jī)材料很難得到的藍(lán)光 。 由于有機(jī)電致發(fā)光材料的一系列優(yōu)點(diǎn) ， 已引起科技界和大公司的濃厚興趣 ， 彩色顯示的初級(jí)產(chǎn)品已經(jīng)問(wèn)世 ， 據(jù)估計(jì)每年將有 40 億美元的市場(chǎng)需求 。 （ 2） 信息傳輸和存儲(chǔ)材料 近 10年來(lái)由于 興起 及高速發(fā)展 ， 對(duì)通訊速度和容量的要求越來(lái)越高 。 光纖通訊技術(shù)是目前速度最快、容量最大、質(zhì)量最高的技術(shù) ， 可以最快的速度提供最優(yōu)美的音質(zhì)和最清晰的圖像 ， 是解決高低耗寬頻通訊技術(shù)的最佳途徑 。 但光纖通訊的發(fā)展仍有許多有待突破的瓶頸 ， 如光纖的鋪設(shè)成本太高 ， 耗時(shí)太長(zhǎng) ， 最后一段接入用戶的技術(shù)過(guò)于復(fù)雜 。 石英光纖由于纖芯很細(xì) ， 在光纖耦合互接中需要高精度對(duì)準(zhǔn) ， 直徑為數(shù)十微米的石英光纖在局域網(wǎng)中連接成本昂貴 ， 而直徑大于 100 m 的石英光纖由于材料脆性以及彎曲性能不好 ， 不適于多節(jié)點(diǎn)的局域網(wǎng) ， 所以現(xiàn)代通訊只有主干線采用石英光纖 ， 而人 戶后改為帶寬僅為幾兆比特的雙鉸銅線等 ， 成為制約高速高容量通訊工程中的瓶頸 。 正在研究的分子塑兆纖具有較高的光學(xué)透過(guò)性、光均勻、高折射率、低光損耗等優(yōu)良特性 ， 具有 1 3 s (帶寬 ) 的傳輸能力 ， 一旦投人實(shí)用 ,將具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益 。 存儲(chǔ)材料始終是信息功能材料的研究重點(diǎn)之一 ， 高密度、可重復(fù)寫入和擦除的多維信息存儲(chǔ)將是本研究領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容 , 司的巨磁阻硬盤已規(guī)模化大生產(chǎn) ， 而新興的光存儲(chǔ)材料將具有更大的發(fā)展?jié)摿?。 研究高效新型的信息存儲(chǔ)材料 ， 將會(huì)有力地促進(jìn)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 。 （ 3） 光 電催化材料 以半導(dǎo)體納米微粒進(jìn)行光催化反應(yīng)研究主要集中在 :光解水、光催化降解污染物、作者：岑遠(yuǎn)祿（計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 06 級(jí)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生） 指導(dǎo)老師：任麗蓉 16 原固定化及催化有機(jī)合成等方向 。 納米半導(dǎo)體微粒催化劑普遍表現(xiàn)出優(yōu)于體相半導(dǎo)體的光催化性能 。 在硫化鋅光催化還原二氧化碳的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn) ： 米顆粒的直徑對(duì)反應(yīng)的選擇性與催化活性影響很大 。 隨著 粒的減小 ， 其催化活性與產(chǎn)物甲醛的選擇性增大 ， 是一種很有前途的光電材料 。 球光電產(chǎn)業(yè) 的 發(fā)展 二十世紀(jì)九十年代以來(lái) ， 世界光電子產(chǎn)業(yè)和光電應(yīng)用正在以爆炸性的速度增長(zhǎng)。光纖正在從遠(yuǎn)距離的信 息傳輸擴(kuò)展到局域網(wǎng)甚至芯片到芯片的應(yīng)用 ， 發(fā)光二極管從單色跨越到整個(gè)彩色光譜 ， 顯示器件從笨重的 漸向超薄超輕的平面顯示器件發(fā)展。根據(jù)世界半導(dǎo)體貿(mào)易組織的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) ,從 1995 年到 2000 年 ， 世界光電產(chǎn)業(yè)的年均增長(zhǎng)速度超過(guò) 25 %，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出同期整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)年均 10 %多一點(diǎn)的增長(zhǎng)速度。 2001 年世界光電市場(chǎng)規(guī)模約為 1582 億美元 ， 專家預(yù)計(jì)未來(lái) 10 年內(nèi) ， 光電子產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 5 萬(wàn)億美元 ,成為二十一世紀(jì)的最重要的明星產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)之一。 同集成電路產(chǎn)業(yè)對(duì)半導(dǎo)體材料的依賴一樣 ， 光電材料是整個(gè)光 電產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)。主要的光電材料系統(tǒng)包括 V 族的化合物半導(dǎo)體光電材料、有機(jī)半導(dǎo)體光電材料、無(wú)機(jī)晶體和石英玻璃等。 V 族的元素可以任意組合形成許多化合物半導(dǎo)體材料 ， 例如。晶格常數(shù)、禁帶寬度和吸收 / 發(fā)射光波長(zhǎng)是決定化合物半導(dǎo)體材料光電屬性的三個(gè)最重要的參數(shù)。目前 ， 大多數(shù)商用半導(dǎo)體光電器件由 、 和化合物半導(dǎo)體材料系統(tǒng)制成廣泛用于光通信網(wǎng)絡(luò)、光電顯示、光電存儲(chǔ)、光電轉(zhuǎn)換和光電探測(cè)等領(lǐng)域。 由光電材料制成的光電器件和產(chǎn)品正逐漸應(yīng) 用于信息產(chǎn)業(yè)的每一個(gè)重要環(huán)節(jié) ， 其中 ，光通信及其相關(guān)組件系統(tǒng)、光電顯示和光存儲(chǔ)是目前光電產(chǎn)業(yè)最主要的三個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。 在光通信產(chǎn)品與相關(guān)系統(tǒng)及其組件方面 ， 國(guó)內(nèi)外主要發(fā)展的光電產(chǎn)品和系統(tǒng)包括新型的光纖光纜、 10s 以上的超高速、大容量 傳輸系統(tǒng)、密集波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)、 IP 統(tǒng)、全光網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品與系統(tǒng)、光有源器件、光無(wú)源器件、光子集成和光電集成器件和模塊。 在光電顯示領(lǐng)域 ,以液晶顯示 (為主流的平面顯示器件產(chǎn)品正逐漸蠶食傳統(tǒng)的陰極射線管 ) 市場(chǎng)。等離子顯示屏在 42 英寸以上的大尺寸彩電已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化并占據(jù)主導(dǎo)地位 ； 被譽(yù)為夢(mèng)幻顯示的有機(jī)電致發(fā)光顯示器件 (D) 也開始在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、小尺寸顯示領(lǐng)域得到應(yīng)用。 藍(lán)光發(fā)光二極管 (L 的研制成功和商用器件的面世 ， 為 L 品的全彩顯示和白光照明提供了可能 ，