过渡金属硫化物在太阳能中的利用

1、用于太阳能电池的基本都是半导体，本次说将主要围绕半导体。价带：通常是指半导体或绝缘体中，在0K时能被电子占满的最高能，又称价电带 导带：对于金属，所有价电子所处的能带就是导带。对于半导体，所有价电子所处的能带是所谓价带，比价带能量更高的能带是导带 （导带是半导体最外面（能量最高）的一个能带，是由许多准连续的能级组成的）禁带：在能带结构中能态密度1为零的能量区间。常用来表示价带和导带之间的能态密度为零的能量区间价带顶与导带底之间的能量差，就是所谓半导体的禁带宽度。这就是产生本征激发所需要的最小平均能量。这是半导体最重要的一个特征参量。对半导体而言，电子可以由价带激发到导带上。若激发是由光所致，就

2、可以是太阳能转化，也就与本次主题产生了关联，进而可以发生氧化还原反应（光催化）或是发电（光电池）。少数载流子存活时间t=1/r(p+n)，r为复合几率，p，n分别为平衡时空穴，电子浓度选择半导体材料的考虑因素：1.利用不完全的光能。hv>E（禁带能量），hvE以热能散失。2.少数载流子的复合。3.开路电压V比禁带宽度E小，EqV以热能形式散失。4.透过，hv<E的光子不被吸收而透过。依据损失与禁带的关系可以弄清什么是最佳半导体材料，最佳禁带宽度是多少？禁带宽度过小时，光电流虽然大，但hv-E也大，qV/E小，效率不高；禁带宽度过大时，光子直接透过。随意当禁带宽度为1.41.7eV的

3、材料一般转化效率比较高。另一个因素电子空穴复合在PN结上外加一电压，如果P型一边接正极，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就是PN结的单向导电性，导电时,内场外场异向。光伏打效应太阳能电池在光照下，能量大于半导体禁带宽度的光子，是的半导体原子的价电子受到激发，在P区和N区产生电子-空穴对由于热运动向各个方向迁移。电子-空穴对进入内电场区（空间电荷区），电子被推入n区，空穴被推入p区，空间电荷边界总的载流子浓度

4、近似为0。在n区，电子-空穴产生后，空穴便向pn结边界扩散，一旦到达，便立即受到内电场作用到p区，电子则留在n区。P区相反。留在n区的电子和留在p区的空穴用导线连接便产生了电流。因此在pn结两侧形成正负电荷的积累，形成与内场相反的光生电场。这个电场除了抵消部分内建电场之外，还使p区带正点，n区带负电，一次产生了光生电动势。这就是光伏打效应。P区为正极，n区为负极可见光波长770350nm，能量1.603.15eV。本次金属硫化物以CdS为主要内容，CdS系列以光解硫化氢为例CdS/TiO2问题:硫离子会与单质硫化合生成多硫离子，阻塞材料孔道，降低反应活性。加入SO32-，有接下来的转换：有点：

5、高的产氢率 没有硫代硫酸根和单质硫生成，光催化反应效率高目前已报道的催化剂包括以下几类：金属氧化物、金属硫化物催化剂，如ZnO、CdS等；复合型催化剂。如CdS-ZnS、CdS-Ti02；掺杂型催化剂，如Cu-ZnO；负载型催化剂，如分子筛负载CdS等，以及多孔二元、多元硫属化合物催化剂。二元硫属化合物带系能较大，大部分为紫外光响应半导体，而太阳光谱中的紫外光谱仅占4，因此无法有效地利用太阳能。而且，二元硫属化合物稳定性较差，容易发生光腐蚀，如CdS在用于光催化分解水和硫化氢时，光腐蚀严重，催化性能下降较快，Cd有毒且能污染环境。因此，设计制备稳定性好、可见光响应的半导体光催化剂成为目前的研究

6、热点。多元硫属化合物具有稳定性好、带系能小、可见光响应等特点，吸引了人们的注意。三元型金属硫化物，如CdIn2S4（光催化分解水产氢实验表明，Cdln2S4产氢速率高达3476mol/h），ZnIn2S4（可见光照射下，产氢速率可达5275mol/(h·g)）（reduced graphene oxide）RGO-ZnxCd1-xS2In summary, the high photocatalytic H2-production performanceunder simulated solar irradiation over the RGO-photocatalyst using

7、 a feasible coprecipitation hydrothermalreduction strategy was reported for the firsttime. The as-prepared RGO-Zn0.8Cd0.2S sample reached a highH2-production rate of 1824 mol h1 g1 at the RGO contentof 0.25 wt % and the QE of 23.4% at 420 nm, which has higherQE than the graphene-based photocatalysts

8、 reported so far.The energy conversion efficiency is found to be ca. 0.36% atone-sun (AM 1.5G) illumination. Compared with the pristineZn0.8Cd0.2S, the RGO-Zn0.8Cd0.2S sample showed a significantlyenhanced hydrogen production performance by a factor of 4.5and even higher than that of the optimized P

9、tsample under the same reaction conditions. The resultsdemonstrate that the unique features of RGO make it anexcellent supporting material for Zn0.8Cd0.2S nanoparticles aswell as a good electron collector and transporter. Our workshows a green and simple way of using RGO as a support forenhancing H2

10、-production photoactivity of Zn0.8Cd0.2S nanoparticlesand also demonstrates that RGO is a promisingsubstitute for noble metals in photocatalytic H2-production.多元金属硫化物多元硫化物，如CuIn1-xGaX(S1-xSex)，是一类重要的光伏材料，其制备及光伏特性受到了广泛的关注。通过改变金属的种类及调整比例可以实现半导体带隙能的可控制备。利用这一特性可以制备出更高效的用于光催化分解水或硫化氢的半导体催化剂。Kimi等采用水热法合成了C

11、d0.1SnxZn0.9-2xS同溶体光催化剂。Sn与Cd0.1Zn0.9S可以形成结晶度很高的固溶体。在所制备的催化剂中，Cd0.1Sn0.01Zn0.88S的产氢活性是Cd0.1Zn0.9S 的1.5倍。并且在长时间的照射下仍保持较高的稳定性。因此sn的引入抑制了光生电子和空穴的复合提高了催化剞的产氢活性并且抑制了光腐蚀，提高了催化剂的稳定性。混合材料的晶格：匹配性越好催化效果越好CdS属六方晶格结构；ZnS闪锌矿结构为立方晶系，纤锌矿结构为立方晶系；硫化亚铜为斜晶系载体：常用的载体有SiO2，Al2O3，TiO2，ZrO2等促进剂：Ag2S活化CdS（或ZnS）因为少量Ag2S混入CdS

12、（ZnS），改变了CdS（ZnS）的禁带宽度，使之能吸收能量更低的光子；金属银也可以活化CdS掺杂：The metal to be loaded must be chosen in such a way that it should high high electron affinity and low H2 over voltage.The presence of metal on the catalysts having low electron affinity and high H2 over voltage acts as impurity. It also decreases th

13、e luminescence intensity of the catalyst. For example a CdO layer decreases the photoactivity of CdS. because the conduction band of CdO is located significantly below that of CdS. Electrons excited in CdS after irr,tdiation can be trapped by the Cd0 layer薄膜型CdS/Cu2S太阳能电池:在100W/cm2的条件下，开路电压V=0.450.5

14、0V。填充因子（FF）60%70%，转换效率=48%。理论上V=0.72V，转换效率=16.6%。CdS/Cu2S系列太阳能电池的性能CdS的种类V/vFF/%/%备注0.7216.6理论值蒸镀膜0.450.50607048100mW/cm2太阳光下蒸镀膜0.547410.4目前技术的极限陶瓷片0.450.48606569100mW/cm2等效太阳光下化学喷雾膜<0.4554背面型，太阳光下丝网漏印.烧结膜0.37550.21CdS/CdTe太阳能电池的性能（CdTe禁带宽度1.45eV）CdSCdTeV/vFF/%/%备注1.0217理论值结晶结晶0.61364.0太阳光蒸镀膜结晶0.

15、5540.31太阳光蒸镀膜结晶0.63667.985mW/cm2太阳模拟器气相生长膜结晶0.675911.768mW/cm2地面太阳光喷涂法结晶0.53636.585mW/cm2太阳模拟器化学析出膜蒸镀膜0.75588.770mW/cm2地面太阳光印刷.烧结膜印刷.烧结膜0.69558.1140mW/cm2太阳模拟器铜铟硒（CuInSe2,CIS）,能隙1.05eV铜铟镓硒（Cu(In,Ga)Se2,CIGS）能隙1.051.67（改变Ga的含量），薄膜太阳能电池效率最高达20.1%铜铟硫（CuInS2）：(1)光学吸收系数Q高达6x10-5 cm-1，有利于太阳能电池的薄膜化；(2)禁带宽度E为150 eV，与太阳能电池材料的最佳禁带宽度(145 eV)相接近，可产生更高的开路电压159l；(3)作为直接能隙半导体，可以减少对少数载流子扩散的要求：(4)CulnS2可制得高质量的P型和11型薄膜，易于制成同质结构，其理论转换效率在2832，并且生产成本低，适合大规模生产；(5)与CulnSe2相比，CulnS2毒性较低。单晶硅、多晶硅片状电池为第一代太阳能电（硅材料消耗量很大，以至成