半导体纳米材料的光催化特性产生的原因是什么？

为了回答这个问题，需要先补充一些概念。在半导体中，电子分布在“能带”上。在低温、不受到任何激发的时候，电子分布在“价带”上，处于基态。而受到激发（比如光激发）后电子就会吸收能量，如果吸收的能量量子（比如说光子）的能量大于半导体的带隙（或者叫禁带宽度），电子就可以跃迁到“导带”上，处于激发态，而同时由于电子的跃迁，在价带中就留下了一个空的位置，称为“空穴”。价带的最高能级与导带的最低能级之间的部分就是禁带，其能量差就是半导体的带隙，在禁带中，除非有能量陷阱，否则电子是无法在禁带中分布的。电子要么在价带分布（基态），要么在导带分布（激发态）。而在导带中的电子是一种高能量且不稳定的存在，它会设法跃迁回到基态，并在这个过程中释放出能量。如果是直接带隙半导体，则能量就可以以光子的形式辐射出来，形成发光；如果是间接带隙半导体，则发光辐射的概率就很小，能量多会以弛豫的形式释放出来。

而半导体纳米材料的光催化特性就是源自于半导体材料会吸收光能，电子跃迁到高能态上。但仅仅如此还不能产生催化的效果。纳米的尺度也是至关重要的，纳米的尺度主要为其提供了一下性质：1、为材料提供了巨大的比表面积，可以让它与被催化的物质有充分的接触面积，提高催化的效率；2、纳米尺度带来的量子限域效应，使得电子被激发起来以后，与空穴形成的“载流子对”无法被分散，相当于把能量集中在了纳米尺寸的范围之内，提高了纳米材料表面的能量密度；3、纳米材料由于巨大的表面张力的存在，表面能非常高。这些因素就使得被催化的物质不仅可以大量吸附于纳米材料之上，且当纳米材料被光激发时，能量可以很方便地被传递到被催化物上。半导体纳米材料先吸收光能，电子发生跃迁、与空穴分离，在电子跃迁回基态的过程中释放出能量，这部分能量可以有效传递给吸附于纳米材料表面的待催化物质，这样那些待催化的物质就获得了能量，称为“敏化”。被敏化以后，原本难以发生的反应就会由于获得了更高的能量而变得容易起来。这就实现了光催化。

胶体中加入的高分子的量小于为起保护作用所必须的最低数量时，是不但对胶体无保护作用，而且会使胶体对电解质更为敏感，电解质对该胶体的聚沉值减小，这种现象称为胶体的敏化作用。敏化作用（sensitization），在半导体本体中产生电荷载体这种过程称为敏化作用。一般化学性质稳定的金属氧化物半导体（如TIO）的带隙较宽只能吸收紫外区光子敏化作用可以扩展光催化剂的波长响应范围使之可利用可见光（目光）降解 有色化合物。

常见的光伏电池的种类以及它的优缺点我详细介绍一下。一、单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池的结构主要包括正面梳状电极、减反射膜、N型层、PN结、P型层、背面电极等。单晶硅太阳能电池广泛用于空间和地面，这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料。将单晶硅棒切成片，经过一系列的半导体工艺形成PN结。然后采用丝网印刷法做成栅线，经过烧结工艺制成背电极，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片即可按所需要的规格用串联和并联的方法组装成太阳能电池组件(太阳能电池板)，构成一定的输出电压和电流。最后用框架进行封装，将太阳能电池组件组成各种大小不同的太阳能电池阵列。目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，实验室成果也有20%以上的。二、多晶硅太阳能电池多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上，用相对薄的晶体硅层 作为太阳电池的激活层，不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性，而且材料的用量大幅度下降，明显地降低了电池成本。多晶硅薄膜太阳电池的工作原理与其它太阳电池一样，是基于太阳光与半导体材料的作用而形成光伏效应。太阳能电池使用的多晶硅材料多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化，然后注入石墨铸模中，即得多晶硅锭。这种硅锭铸成立方体，以便切片加工成方形电池片。多晶硅太阳能电池板的制作工艺与单晶硅太阳能电池板差不多，其光电转换效率约12%左右，稍低于单晶硅太阳能电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。三、非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池由透明氧化物薄膜(TCO)层、非晶硅薄膜P-I-N层(I层为本征吸收层)、背电极金属薄膜层组成，基底可以是铝合金、不锈钢、特种塑料等。它与单晶硅和多晶硅太阳能电池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，电耗更低。制造方法有多种，最常见的是用辉光放电法得到N型或P型的非晶硅膜。衬底材料一般用玻璃或不锈钢板。非晶硅太阳能电池很薄，可以制成叠层式，或采用集成电路的方法制造，可一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。目前非晶硅太阳能电池光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右。四、多元化合物太阳能电池硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，在广泛深入的应用研究基础上，国际上许多国家的碲化镉薄膜太阳电池已由实验室研究阶段开始走向规模工业化生产。1、硫化镉太阳能电池：虽然光电效率已提高到9%，但是仍无法与多晶硅太阳能电池竞争。与非晶硅薄膜电池相比，制造工艺比较简单。2、砷化镓太阳能电池：砷化镓与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250℃的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约30%，特别适合做高温聚光太阳能电池。由于镓比较稀缺，砷有毒，制造成本高，此种太阳能电池的发展受到影响。3、铜铟硒太阳能电池：以铜、铟、硒三元化合物半导体为基本材料制成的太阳能电池。它是一种多晶薄膜结构，材料消耗少，成本低，性能稳定，光电转换效率在10%以上。因此是一种可与非晶硅薄膜太阳能电池相竞争的新型太阳能电池。五、纳米晶体化学太阳能电池染料敏化纳米晶体太阳能电池(DSSCs)主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。其阳极为染料敏化半导体薄膜(TiO2膜)，阴极为镀铂的导电玻璃。纳米晶体TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10，.寿命能达到20年以上。六、叠层太阳能电池叠层电池使得电池的性能可以得到叠加。太阳能电池的薄层化使其可以做得更薄，因此器件的叠层也变得更为现实可行。叠层电池可以是同种器件的叠层，也可以是异类器件的叠层。每一个叠层单元，由于感光部分的光响应性能不同，可分别吸收利用不同波段的太阳光。经过叠层，太阳光可以在全波段上都受到较好的吸收同时由于器件之间的耦合效应，整体的光能转换效率可以达到更高水平。七、柔性太阳能电池柔性太阳能电池板采用高晶硅材料制成，并用高强度、透光性能强的太阳能专用钢化玻璃以及高性能、耐紫外线辐射的专用密封材料层压制而成，有能抗冰雪、抗震、防压等多种优点，即使在温度剧变的恶劣条件下也能正常使用，。所以柔性电池能用在平板类太阳能电池难以胜任的许多领域，例如太阳能汽车、飞机、飞艇、建筑、纺织品、帐篷、服装、头盔，玩具等特殊曲面上。

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