功能材料1.doc

光电材料的研究及其进展太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，开发利用太阳能成为世界各国政府可持续发展能源的战略决策。光电材料作为现代高科技发展的重要物质基础，在微电子、光学、激光、遥感、通信、航空、宇航等高技术中一直处于发展的前沿位置。光电功能材料既有电子材料的稳定性，又具有光子材料的先进性，将在光电子时代被广泛采用,有极大的市场前景。能源和环境问题是当前人类面临的两大主要问题，而太阳能是解决以下两大问题最有效的途径。因此许多学者致力于太阳能电池的研究，以此作为开发太阳能资源的新技术。目前适合作太阳能电池的半导体材料主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅、化合物半导体。其中化合物半导体主要包括二元的CdS、CdTe、GaAs，三元的CuInSe2和异质结中的CdS/CdTe、CdS/ CuInSe2等。光照射在物质上时，部份的光会被物质吸收，部份的光则经由反射或穿透等方式离开物质，选取太阳光电池材料的第一考量就是吸光效果要很好，如此才能使输出功率增加。选取太阳光电池材料的第二考量是光导效果，欲选取光导效果佳的材料首先必须了解太阳光的成分及其能量分布状况，进而找出适当的物质作为太阳光电池的材料。光作用下的电化学过程即分子、离子及固体物质因吸收光使电子处于激发态而产生的电荷传递过程。当一束能量等于或大于半导体带隙( Eg) 的光照射在半导体光电材料上时，电子(e) 受激发由价带跃迁到导带，并在价带上留下空穴(h+ ) ，电子与空穴有效分离，便实现了光电转化。由于半导体光电材料表面受到大于或等于带隙宽度的光的激发，产生非平衡载流子，它们在自建电场的作用下，发生定向移动,导致表面电荷量发生改变。对于P 型半导体，光生电子移向表面，光生空穴移向体相，n 型半导体则与之相反。以下主要介绍几种典型的光电材料的研究进展。纳米光电材料是指能够将光能转化为电能或化学能等其它能量的一种纳米材料。当半导体光电材料颗粒处于纳米尺度范围内时，会显示出与块体不同的光学和电学性质，其原因是随着粒径的减小而产生量子化的结果。纳米粉体具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应、介电限域效应等各种效应，所以纳米粉体表现出强吸光能力、高活性、高催化性、高选择性、高扩散性、高磁化率和矫顽力等奇特理化性能。将其应用于硅薄膜型光电探测器上，能显著地改变其光吸收特性，还有可能降低器件的灵敏度，此外，通过精心选择纳米粉末涂层的材料和颗粒大小，还有望将增强光电流响应的光谱范围由可见光和近红外区扩展到红外区。CuInSe2被认为是一种很有发展前途的太阳能光电材料，但目前的研究还只是处于试验阶段。现在制备CIS太阳能电池的方法有许多但方向主要有三个：一是Cu、In的合金化过程和Se分离；二是Cu、In、Se一起合金化；三是CuInSe2化合物的直接喷涂, 不需合金化过程。第一种思路主要包括：硒化Cu-In薄膜法、化学气相转移法、反应溅射等；第二种思路主要包括：蒸发镀、电沉积、化学浸泡、化学气相沉积、分子束外延、喷射热解等；第三种主要包括快速凝固技术等。现在CuInSe2太阳能电池的转化效率为17.1%左右, 离理论转化效率20%还有一定的差距。酞菁，是一个二维的平面大环共轭分子，具有18丌电子芳香结构。这种独特的二维丌电子离域结构赋予了酞菁优秀的物理和化学性质。酞菁配合物的一个重要特性是其在可见光区域(600-800nm)有强的吸收带(Q带)。酞菁铜是一种酞菁金属配合物，也是一种常见的化学染料，其结构与血红素、叶绿素等生物的基本结构具有相似之处，在颜料、染料和油墨等工业中占有重要地位。由于酞菁铜分子具有大的共轭体系致使它不仅具有优异的化学稳定性、热稳定性、难燃性以及耐光、耐辐射性能，而且还具有导电性、光电导性、气敏性、电致发光、光存贮性、催化活性和仿生特性等，目前正发展成为一种多功能材料，在工业和日常生沽中将得到广泛的应用。用酞著铜制作半导体器件、太阳能电池和整流装置等己研究了较长时间，近年来对其在复印鼓、液晶光阀、气体传感器和低维导电材料等方面的应用进行了大量的研究。利用酞菁铜的光伏效应，可以制成有机太阳能电池。但就目前而言，酞菁铜太阳能电池的转换效率与无机硅太阳能电池相比，还显得较低。为提高酞菁铜太阳能电池的光电转换效率很多研究者作了大量的工作，在改善酞菁铜太阳能电池性能方面而取得了一定进展。如在酞菁铜中掺杂TNF，改变物质的结构形成P.N结，使用SPP激发技术以及有机无机复合等等改进措施，这些方法都对提高酞菁铜太阳能电池的光电转换效率有积极的作用。随着信息社会的快速发展，用于低能耗、轻便、大面积、全色平面显示器的电致发光器件颇受亲睐。有机电致发光材料有无机材料无法比拟的优点:广泛的可选择性、优良的机械性能、可与集成电路相匹配的低直流驱动、高亮度和高发光效率等。另外,有机电致发光材料还可提供各种不同色调的发光，包括无机材料很难得到的蓝光。由于有机电致发光材料的一系列优点，已引起科技界和大公司的浓厚兴趣，彩色显示的初级产品已经问世，据估计每年将有40 亿美元的市场需求。近10年来由于Internet 的兴起及高速发展，对通讯速度和容量的要求越来越高。光纤通讯技术是目前速度最快、容量最大、质量最高的技术，是解决高低耗宽频通讯技术的最佳途径。 但光纤通讯的发展仍有许多有待突破的瓶颈，如光纤的铺设成本太高，耗时太长，最后一段接入用户的技术过于复杂。正在研究的POF 高分子塑兆纤具有较高的光学透过性、光均匀、高折射率、低光损耗等优良特性，具有13 Gbit/ s (带宽) 的传输能力，一旦投人实用,将具有巨大的经济效益。存储材料始终是信息功能材料的研究重点之一，高密度、可重复写入和擦除的多维信息存储将是本研究领域的重要研究内容, IBM 公司的巨磁阻硬盘已规模化大生产，而新兴的光存储材料将具有更大的发展潜力。研究高效新型的信息存储材料，将会有力地促进信息产业的发展。以半导体纳米微粒进行光催化反应研究主要集中在:光解水、光催化降解污染物、CO2 ,N2 还原固定化及催化有机合成等方向。纳米半导体微粒催化剂普遍表现出优于体相半导体的光催化性能。Yoneyama 等在硫化锌光催化还原二氧化碳的实验中发现：ZnS 纳米颗粒的直径对反应的选择性与催化活性影响很大。随着ZnS 颗粒的减小，其催化活性与产物甲醛的选择性增大，是一种很有前途的光电材料。光电功能材料由于具有广阔的市场前景,并涵盖传统复合材料和现代纳米材料两大部分,正引起越来越多的科学家的重视和深入研究。 今后的研究重点是制备新材料和探索材料的新性能、新效应及产生的物理起因。 同时,材料的器件