1、高分子材料在高分子材料在能源信息领域的应用能源信息领域的应用主讲人：牛小玲能源能源水力水力火力火力风力风力核能核能潮汐潮汐地热地热太阳能发电站太阳能发电站有机太阳能电池有机太阳能电池植物光合作用植物光合作用多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池太阳能电池发展历史太阳能电池发展历史1839，Bequerel发现了光电效应发现了光电效应1873，Selen发现了光伏效应发现了光伏效应1954，研发出半导体技术，研发出半导体技术 第一块硅晶片诞生第一块硅晶片诞生固体吸收光线固体吸收光线产生自由电荷产生自由电荷电荷分离电荷分离在太阳光照下，毫无损伤地产生电子能量在太阳光照下，毫无损伤地产生电子能量能级分布能
2、级分布固体中的能量状态图固体中的能量状态图绝绝缘缘体体金金属属半导体半导体太阳能电池发电原理太阳能电池发电原理太阳能电池种类太阳能电池种类硅太阳能电池硅太阳能电池多元化合物太阳能电池多元化合物太阳能电池聚合物多层修饰电极型太阳能电池聚合物多层修饰电极型太阳能电池纳米晶太阳能电池纳米晶太阳能电池聚合物太阳能电池聚合物太阳能电池用于太阳能电池的高分子用于太阳能电池的高分子纳米复合材料纳米复合材料聚乙炔聚乙炔聚噻吩聚噻吩聚吡咯聚吡咯聚苯胺聚苯胺聚乙炔聚乙炔n NHn n n Sn RRn 高分子的化学结构高分子的化学结构聚噻吩聚噻吩聚吡咯聚吡咯聚苯聚苯聚苯撑乙烯聚苯撑乙烯聚芴聚芴三联苯聚乙炔三联苯聚
3、乙炔CC(CH2)2O(CH2)2CH3n CNC60足球烯足球烯Richard N,ZareWalter,KohnHarold,KrotoNobel Prize for 1996?Nobel Prize in Chemistry 2000“For the discovery and development of“For the discovery and development of conductive polymers”conductive polymers”G.MacDiarmid H.Shirakawa J.Heeger材料导电能力的差异与原因材料导电能力的差异与原因电导率电导率mS
4、m11材料导电能力的差异与原因材料导电能力的差异与原因能带间隙能带间隙(Energy Band Gap)金属之金属之Eg值几乎为值几乎为0 eV，半导体材料，半导体材料Eg值在值在1.03.5 eV之间，绝之间，绝缘体之缘体之Eg值则远大于值则远大于3.5 eV。导电高分子材料的研究进展导电高分子材料的研究进展1862年，英国年，英国Letheby在硫酸中电解苯胺而得到少量导电性物质在硫酸中电解苯胺而得到少量导电性物质1954年，米兰工学院年，米兰工学院G.Natta用用Et3Al-Ti(OBu)4为催化剂制得聚乙炔为催化剂制得聚乙炔 1970年，科学家发现类金属的无机聚合物聚硫氰年，科学家发
5、现类金属的无机聚合物聚硫氰(SN)x具有超导性具有超导性初期的实验发现与理论积累初期的实验发现与理论积累科学家将科学家将有有机高分子与无机高分子导电聚合物机高分子与无机高分子导电聚合物的开发研究合在一起的开发研究合在一起开始了探寻之旅。开始了探寻之旅。导电高分子材料的研究进展导电高分子材料的研究进展 1974年日本筑波大学年日本筑波大学H.Shirakawa在合成聚乙炔的实验中，偶然地投在合成聚乙炔的实验中，偶然地投入过量入过量1000倍的催化剂，合成出令人兴奋的有倍的催化剂，合成出令人兴奋的有铜色的顺式聚乙炔铜色的顺式聚乙炔薄膜与薄膜与银白色光泽的反式聚乙炔。银白色光泽的反式聚乙炔。Ti(O
6、C4H9)4Al(C2H5)3HCCH1000 倍催化剂倍催化剂温度温度108107 S/m103102 S/m导电高分子材料的发现导电高分子材料的发现导电高分子材料的研究进展导电高分子材料的研究进展 1975年，年，G.MacDiarmid、J.Heeger与与H.Shirakawa合作进行研究，他合作进行研究，他们发现当聚乙炔曝露于碘蒸气中进行掺杂氧化反应们发现当聚乙炔曝露于碘蒸气中进行掺杂氧化反应(doping)后，其电导后，其电导率令人吃惊地达到率令人吃惊地达到3000S/m。聚乙炔的掺杂反应聚乙炔的掺杂反应导电高分子材料的研究进展导电高分子材料的研究进展 1980年，年，英国英国Du
7、rham大学的大学的W.Feast得到更大密度的聚乙炔。得到更大密度的聚乙炔。1983年，加州理工学院的年，加州理工学院的H.Grubbs以烷基钛配合物为催化剂将环辛四烯以烷基钛配合物为催化剂将环辛四烯转换了聚乙炔转换了聚乙炔，其导电率达到，其导电率达到35000S/m，但是难以加工且不稳定，但是难以加工且不稳定。1987年年，德国德国BASF科学家科学家 N.Theophiou 对对聚乙炔聚乙炔合成方法进行了改良，合成方法进行了改良，得到的聚乙炔得到的聚乙炔电导率与铜在同一数量级电导率与铜在同一数量级，达到，达到107S/m。后续研究进展后续研究进展金属防腐蚀金属防腐蚀防止低碳钢腐蚀，火箭发
8、射塔内壁的保护防止低碳钢腐蚀，火箭发射塔内壁的保护界面，两者的界面产生一个电场，阻止电子从金属流向外部的氧化层界面，两者的界面产生一个电场，阻止电子从金属流向外部的氧化层聚苯胺还原电位聚苯胺还原电位0V/SCE，金属铁氧化电位，金属铁氧化电位-0.7V/SCE，两者的作用在，两者的作用在界面形成氧化层。导电高分子层使得铁直接与界面的水相互作用而氧化界面形成氧化层。导电高分子层使得铁直接与界面的水相互作用而氧化最终成为致密的氧化膜，起到保护作用最终成为致密的氧化膜，起到保护作用船舶防污涂料船舶防污涂料海洋生物污损海洋生物污损传统的防污涂料采用氧化亚铜，有机锡等，污染海洋环境传统的防污涂料采用氧化
9、亚铜，有机锡等，污染海洋环境含海洋生物天敌的生物防污涂料，含有有机硅低表面能防污涂料含海洋生物天敌的生物防污涂料，含有有机硅低表面能防污涂料导电防污涂料导电防污涂料导电聚苯胺在海水中会发生氧化还原反应导电聚苯胺在海水中会发生氧化还原反应海洋生物生长的最佳海洋生物生长的最佳PH为为7-8，导电涂层的酸性环境，导电涂层的酸性环境电学性能与应用电学性能与应用透明电极透明电极印刷电路板印刷电路板微波焊接微波焊接金属和石墨电极不透明，导电高分子可以制成透明电极金属和石墨电极不透明，导电高分子可以制成透明电极但透明性与高导电性是矛盾的，但透明性与高导电性是矛盾的，樟脑磺酸掺杂樟脑磺酸掺杂在绝缘的基底上镀金
10、属铜，表面吸附贵金属，然后在铜离子在绝缘的基底上镀金属铜，表面吸附贵金属，然后在铜离子的甲醛溶液中化学沉积出铜，再用电镀的方法的甲醛溶液中化学沉积出铜，再用电镀的方法可直接将导电的聚苯胺沉积在绝缘的尼龙或聚酯薄膜上可直接将导电的聚苯胺沉积在绝缘的尼龙或聚酯薄膜上聚苯胺类高分子在一定的电导率范围内具有很高的介电常数聚苯胺类高分子在一定的电导率范围内具有很高的介电常数很强的吸收电磁波的能力，吸收电磁波后可将电磁能转变为热能很强的吸收电磁波的能力，吸收电磁波后可将电磁能转变为热能在两块聚乙烯之间加入聚苯胺，微波处理后，界面处的聚乙烯在两块聚乙烯之间加入聚苯胺，微波处理后，界面处的聚乙烯熔融，最终粘结
11、在一起，具有良好的力学性能熔融，最终粘结在一起，具有良好的力学性能新新能能源源燃料电池燃料电池-质子交换膜质子交换膜CFCF2y CF3CF2n OOCFCF2m CF2x CF2SO3H有机发光二极管有机发光二极管OLED：有机发光显示器，有机半导体材料和发光材料在电场驱动下，通过：有机发光显示器，有机半导体材料和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光载流子注入和复合导致发光邓青云邓青云1979年的一天晚上，在柯达公司从事科学研究工作的年的一天晚上，在柯达公司从事科学研究工作的华裔科学家邓青云博士在回家的路上忽然想起有东西华裔科学家邓青云博士在回家的路上忽然想起有东西忘记在实验室
12、。回到实验室，他发现黑暗中有个亮东忘记在实验室。回到实验室，他发现黑暗中有个亮东西。打开灯，原来是一块做实验的有机蓄电池在发光西。打开灯，原来是一块做实验的有机蓄电池在发光 有机发光二极管有机发光二极管OLED光传导高分子材料光传导高分子材料光导纤维光导纤维手机保护膜手机保护膜防刮：采用高品质高分子材料，表面的抗摩擦和划伤能力强，高透明度、真彩色色调以90%透光率，可以感受到舒适明亮的画面和真实自然的色彩感 软屏幕的画面色调采用特殊微雾的表面处理技术，能有效减少高达98%的反射视觉和外部环境光线 耐指纹和防灰尘作为特殊防静电，表面可以有效地防止指纹附上和远离粉尘 有效的紫外线隔离高达75%，特
13、殊表面涂层能有效隔离紫外线屏幕所产生的负担 手机结构 手机结构一般包括以下几个部分：1.LCD LENS 材料：材质一般为PC或压克力；连结：一般用卡勾+背胶与前盖连结。分为两种形式：a.仅仅在LCD上方局部区域；b.与整个面板合为一体。2.上盖（前盖）材料：材质一般为ABS+PC；连结：与下盖一般采用卡勾+螺钉的连结方式（螺丝一般采用2，建议使用锁螺丝以便于维修、拆卸，采用锁螺丝式时必须注意Boss的材质、孔径）。Motorola 的手机比较钟爱全部用螺钉连结。下盖（后盖）材料：材质一般为ABS+PC；连结：采用卡勾+螺钉的连结方式与上盖连结；3.按键材料：Rubber，pc+rubber，
14、纯pc；连接：Rubber key主要依赖前盖内表面长出的定位pin和boss上的rib定位。Rubber key没法精确定位，原因在于：rubber比较软，如key pad上的定位孔和定位pin间隙太小（CHnx+x I3-CHn+x Na CHnx-+x Na+电子受体，氧化剂电子受体，氧化剂还原（负掺杂）(n-doping):从价带中拉从价带中拉出一个电子出一个电子通过氧化还原反应完成电子转移过程通过氧化还原反应完成电子转移过程复合型导电高分子材料的结构组成复合型导电高分子材料的结构组成聚合物基体材料聚合物基体材料+导电填充物导电填充物将导电颗粒牢固地粘结在一起将导电颗粒牢固地粘结在一起
15、，使导电高分子具有稳定的导电使导电高分子具有稳定的导电性，同时它还赋于材料加工性。性，同时它还赋于材料加工性。提供载流子的作用提供载流子的作用，它的形态、性质和用量它的形态、性质和用量直接决定材料的导电性。直接决定材料的导电性。按聚合物基体材料不同分类按聚合物基体材料不同分类导电塑料-聚乙烯、聚丙烯、聚酯及聚酰胺导电橡胶-氯丁橡胶、硅橡胶导电纤维-聚酰胺、聚酯、腈纶导电胶粘剂-环氧树脂、丙烯酸树脂等导电涂料-有机硅树脂、醇酸树脂、聚氨酯树脂导电填充材料导电填充材料n碳系填料（炭黑、石墨、碳纤维等）n金属系填料（金、银、铜、镍粉等）n金属氧化物填料（氧化锡、氧化钛等）n导电聚合物填料（聚吡咯、聚
16、噻吩，密度小，相容性好）导电性能的应用n炭黑炭黑/硅橡胶构成的导电橡胶：用于动态电接触器件的制硅橡胶构成的导电橡胶：用于动态电接触器件的制备，如：计算机键盘的电接触件备，如：计算机键盘的电接触件n飞机机轮上通常装有搭地线，也有用导电橡胶做机轮轮胎飞机机轮上通常装有搭地线，也有用导电橡胶做机轮轮胎的，着陆时它们可将机身的静电导入地下的，着陆时它们可将机身的静电导入地下n 静电复印：。当硒鼓（导电高分子）充电以后，经过光静电复印：。当硒鼓（导电高分子）充电以后，经过光照处理，照光的部分电荷就会消失，文字、图像等遮光的照处理，照光的部分电荷就会消失，文字、图像等遮光的地方，电荷不会消失。当复印的黑粉
17、撒到硒鼓上时，有文地方，电荷不会消失。当复印的黑粉撒到硒鼓上时，有文字、图像的地方由于相对应的硒鼓带电，可以吸引黑粉，字、图像的地方由于相对应的硒鼓带电，可以吸引黑粉，这样就可把原稿上的字或图转印到一张白纸上。这样就可把原稿上的字或图转印到一张白纸上。有机太阳能电池有机太阳能电池 当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始开发太阳能资的瓶颈时，越来越多的国家开始开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。而太阳能电池便源，寻求经济发展的新动力。而太阳能电池便是
18、一个很好的应用。是一个很好的应用。无机：这种无机原料太阳能电池造价昂贵，因而无机：这种无机原料太阳能电池造价昂贵，因而与其他一些能源发电比起来缺乏竞争力与其他一些能源发电比起来缺乏竞争力 。(纵纵然如此研究者也不在少数然如此研究者也不在少数)有机：未来太阳能电池的主流发展方向强调的有机：未来太阳能电池的主流发展方向强调的 是更轻便、更灵活，最重要的是，更便宜。因是更轻便、更灵活，最重要的是，更便宜。因而目前而目前 有机太阳能的现状是：研究机构纷纷投有机太阳能的现状是：研究机构纷纷投身研究有机太阳能，企业也纷纷涉足有机太阳身研究有机太阳能，企业也纷纷涉足有机太阳能。能。太阳能电池的定义 太阳能电
19、池是太阳能光伏发电的基础和核心，是太阳能电池是太阳能光伏发电的基础和核心，是一种光能转变为电能的器件，用适当的光照在上一种光能转变为电能的器件，用适当的光照在上边之后器件两端会产生电动势。边之后器件两端会产生电动势。典型的太阳电池是一个典型的太阳电池是一个p-n结半导体二极管结半导体二极管。p-n结的形成过程结的形成过程(N型半导体中含有较多型半导体中含有较多的空穴，而的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，型半导体中含有较多的电子，这样，当当P型和型和N型半导体结合在一起时，就会在接触型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是面形成电势差，这就是P-N结结)。光生载流子电子空穴
20、对的产生光生载流子电子空穴对的产生 “光生电压光生电压”及及“光生电流光生电流”的产生的产生p-n结“光生载流子光生载流子”的产生光子把电子从价带光子把电子从价带(束缚束缚)激发到导带激发到导带(自自由由)，并在价带内留下一个，并在价带内留下一个/空穴空穴(自由自由)产生了自由电子空穴对产生了自由电子空穴对“光生电压光生电压”的产生的产生自由电子和空穴扩散进入自由电子和空穴扩散进入p-n结，结，n-p结作用下，分别结作用下，分别在在n n区和区和p p区区形成电子形成电子和空穴的积累和空穴的积累太阳电池材料分类材料分类硅太阳能硅太阳能无机化合物半导体太阳能无机化合物半导体太阳能(硫化镉硫化镉-
21、硫化亚铜，硫化亚铜，砷化镓等砷化镓等)敏化纳米晶太阳能敏化纳米晶太阳能(染料敏化太阳能染料敏化太阳能)有机化合物太阳能有机化合物太阳能 以酞菁以酞菁 等等为集体材料制等等为集体材料制成的太阳能成的太阳能(小分子有机物太阳能小分子有机物太阳能)塑料太阳能塑料太阳能(高分子多聚物太阳能高分子多聚物太阳能)材料种类材料种类有机太阳能电池简介 广泛的讲有机太阳能电池主要是利用有机小分子或有机高聚物来直接或间接将太阳能转变为电能的器件。有机太阳能电池发展简史 有机太阳能电池是一种正在进行研究的新型电池。有机太阳能电池这个概念貌似很新，但其实它的历史也不短跟硅基太阳能电池的历史差不多。第一个有机光电转化器
22、件是由Kearns和Calvin在1958年制备的，其主要材料为镁酞菁(MgPc)染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。在那个器件上，他们观测到了200 mV的开路电压，光电转化效率低得让人都不好意思提。单结非晶硅薄膜电池的最高转换单结非晶硅薄膜电池的最高转换效率为效率为16.6%19861986年，柯达公司的邓青云博士年，柯达公司的邓青云博士.光电转光电转化效率达到化效率达到1 1左右。时至今日这种双层膜异左右。时至今日这种双层膜异质结的结构仍然是有机太阳能电池研究的重点质结的结构仍然是有机太阳能电池研究的重点之一。之一。19921992年，土耳其人年，土耳其人SariciftciSar
23、iciftci发现，发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注入激发态的电子能极快地从有机半导体分子注入到到C60C60分子而反向的过程却要慢得多分子而反向的过程却要慢得多19931993年，年，SariciftciSariciftci在此发现的基础上制成在此发现的基础上制成PPV/C60PPV/C60双双层膜异质结太阳能电池。层膜异质结太阳能电池。2007 2007 ScienceScienceAlan J.HeegerAlan J.Heeger等等“使有使有机薄膜太阳能电池的单元转换效率达到了全球机薄膜太阳能电池的单元转换效率达到了全球最高最高6.56.5”。大阪大学大阪大学(2008(
24、2008年年3 3月月27273030日日)成功开发出了单元转换成功开发出了单元转换效率高达效率高达5.35.3的有机固体太阳能电池。的有机固体太阳能电池。20152015年使模块转换效率为年使模块转换效率为1515的有机太阳能电池实现实的有机太阳能电池实现实用化用化 有机小分子化合物有机大分子化合物 20032003年年,Takahashi,Takahashi等人将聚噻吩衍生物等人将聚噻吩衍生物PThPTh与光敏剂卟啉与光敏剂卟啉H H2 2PCPC共混后与芘衍生物共混后与芘衍生物PVPV制成双层膜器件制成双层膜器件,在在430nm430nm处的能量转换处的能量转换效率最高达到了效率最高达到
25、了2.91%2.91%。模拟叶绿素分子结构材料双层膜结构化合物器件示意图 科纳卡技术在2009年2月于日本举行的“PV EXPO 2009 第二届国际太阳能电池展”上展出了利用卷对卷方式制造的多种有机薄膜太阳能电池模块。展示了利用柔性特点封装于皮包中，或作为电子纸的电源加以利用的试制品 锂离子电池工作原理锂离子电池工作原理 正极反应：正极反应：负极反应：负极反应：电池总反应：电池总反应：聚合物锂离子电池的工作原理与液态锂离子电池基本相同唯一的区别在于锂离子在固体电解质中的传导机理。在聚合物锂离子电池内，主要是借助聚合物链段的运动来实现离子的传导。聚合物锂离子电池，形状上可以做到薄形化、任意面积
26、化和任意形状化，大大提高了，电池造型灵活性，且电化学性能等方面也有大幅度提高。聚合物正极材料聚合物正极材料常用正常用正极材料极材料Li XCoO 2Li XNiO2LiXMn2 O4 聚合物聚合物正极材料正极材料聚苯胺(PAn)聚吡咯(PPY)聚噻吩(PTh)聚对苯(PPP)聚硫化物聚苯胺聚苯胺u单体：u在电池中的重要型式：聚苯胺正极材料在锂离子电池中作用机理：聚苯胺正极材料在锂离子电池中作用机理：P型掺杂(或脱杂)PAn 电极充放电时通过阴离子掺杂脱杂实现N型掺杂(或脱杂)PAn 电极充放电时通过阳离子掺杂脱杂实现聚苯胺电导率与聚苯胺电导率与PH关系：关系：PH4 电导率与PH值无关 绝缘性
27、2PH4 电导率随PH值降低而迅速增加 呈半导体特性2PH 电导率与PH值无关 金属性聚苯胺制备方法：电化学方法、化学法、乳液聚合法微乳液聚合法、模板聚合法等。聚吡咯聚吡咯 单体：氧化还原反应：共轭链聚吡咯正极材料在锂离子电池中作用机理：聚吡咯正极材料在锂离子电池中作用机理：聚吡咯是中性共轭链聚合物，也需掺杂引入载流子其主链上正电荷就是载流子。载流子沿共轭链运动及电荷跃迁产生导电现象。PPy的稳定状态是氧化(P型)掺杂。P型掺杂的一般反应式是：PPy+氧化态PPy0 中性态当阴离子及支持电解质均为硝酸根、高氯酸根等较小的球形阴离子，其反应是可逆的。弱酸性溶液弱酸性溶液：碱性溶液：碱性溶液：PP
28、y膜对阴离子会发生与亲核性很强的OH-离子交换,其后的电化学还原和再氧化伴随OH-的脱掺杂和再掺杂。但碱性过强会导致PPy结构破坏。水溶液：水溶液：PPy所处的电位超过0.5V时就会发生不可逆的氧化降解反应，使其共轭链结构破坏，失去导电性和电化学活性聚噻吩聚噻吩聚噻吩的制备条件较为苛刻，若控制好氧化剂的氧化电势，则噻吩及其衍生物的PTh粉状物具有较高电导率。聚噻吩的一般合成方法：聚硫化物聚硫化物聚合物负极材料聚合物负极材料l这类材料的分子结构中含有双硫键(-S-S)，基于其 可逆的电解聚-电聚合过程(2S-而发生能量交换。l理论能量交换密度1500-3500W.h.kg-1，实际能量密度 可达
29、830W.h.kg-1。l这种材料很大优点就是可按预定方式控制其有机基团和 分子结构及通过共聚，共混来改变物理、化学和电化学 性能S-S+2e-）聚硫化物材料充放电机理：聚硫化物材料充放电机理：n 本身不导电，在充放电循环中反复发生 电聚合和电解聚反应n 放电-电解聚反应n 充电-电聚合反应速率控制步骤速率控制步骤自由基反应自由基反应 常见的聚合物常见的聚合物锂离子电池的负极材料锂离子电池的负极材料聚硫化物聚2、5-二巯基-1,3,4-噻二唑硫链交联网状聚合物聚硫化碳类聚合物聚合物电解质聚合物电解质聚合物电解质是指由大分子量的聚合物本体(包括共轭)与盐并添加无机材料所构成的体系，具有离子传导性
30、。聚合物电解质电解质又称为复合聚合物电解质，或杂化 聚合物电解质，通常状态下为固态。聚合物电解质薄膜一般通过溶剂蒸馏的方法获得。聚合物电解质提高电导率主要途径是通过共混、形成聚 合物(例接枝共聚物、嵌段共聚物)、交联、加入掺杂盐 、加入增塑剂、加入无机填料和提高主链的柔性等降低 聚合物结晶度。聚合物电解质种类：u共混聚合物：使分子链间相互作用，抑制结晶生成。u共聚物：抑制结晶，提高链段运动的能力。u交联聚合物：提高聚合物物理机械性能，抑制PEO结晶。u接枝聚合物：将短的低聚醚接到聚合物主链上，提高导电。u梳形聚合物：大量PEO侧链，可抑制结晶增加无定形区含量。u超支化或星聚合物：三维球结构，含
31、大量支化单元和末端单元。u盐掺聚合物：有较高室温电导率和粘弹性。u单离子导电的聚合物：只有一种离子能迅速传导的离子导体。u无机粉末复合型聚合物：增强分子材料机械性能。聚合物导电机理聚合物导电机理 首先锂离子与链段上某些官能团形成缔合体 借助高分子链段蠕动 部分离子跨越能垒使活性位移动或替换锂离子在电场下定向移动k聚合物锂离子电池的优点：聚合物锂离子电池的优点：聚合物膜厚度可以很薄，电池质量相对较轻；消除了液态电解质锂离子电池中电极和电解质 组分间的电化学反应，提高了电池效率；高低温性能好，提高了电池的安全性；消除了锂液态电解质电池中液体渗漏问题，提高了 电池的寿命；便于生产各种外观形状的锂电池
32、；利于工业化生产。红外探测器n任何温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射。如何检任何温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射。如何检测它的存在，测定它的强弱并将其转变为其他形式的能量测它的存在，测定它的强弱并将其转变为其他形式的能量(多数情况是转变为电能多数情况是转变为电能)以便应用，就是红外探测器的主以便应用，就是红外探测器的主要任务。红外探测器是红外系统中最关键的元件之一。红要任务。红外探测器是红外系统中最关键的元件之一。红外探测器所用的材料是制备红外探测器的基础，没有性能外探测器所用的材料是制备红外探测器的基础，没有性能优良的材料就制备不出性能优良的红外探测器。红外探测优良的材料就制备不出
33、性能优良的红外探测器。红外探测器分为热探测器和光子探测器两大类。器分为热探测器和光子探测器两大类。热探测器n工作原理：热探测器吸收红外辐射后产生温升，然后伴随发生某些物理性能的变化。测量这些物理性能的变化就可以测量出它吸收的能量或功率。n常见的类型：常利用的物理性能变化有下列四种，利用其中一种就可以制备一种类型的热探测器。n1.热敏电阻n热敏物质吸收红外辐射后，温度升高，阻值发生变化。阻值变化的大小与吸收的红外辐射能量成正比。利用物质吸收红外辐射后电阻发生变化而制成的红外探测器叫做热敏电阻。热敏电阻常用来测量热辐射，所以又常称为热敏电阻测辐射热器。生物蛋白质、DNA n热释电探测器n有些晶体，
34、如硫酸三甘肽，钽酸锂和铌酸锶钡等，当受到红外辐射时，温度升高，在某一晶轴方向上产生电压。电压大小与吸收红外辐射的功率成正比。有机材料PVDF聚偏二氟乙烯及其共聚物。光子探测器n光子探测器吸收光子后，发生电子状态的改变，从而引起几种电学现象。这些现象统称为光子效应。测量光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。利用光子效应制成的探测器称为光子探测器。光电导探测器的分类n光电导探测器可分为单晶型和多晶薄膜型两类。n多晶薄膜型光电导探测器的种类较少，主要的有响应于13微米波段的FbS、响应于35pm波段的PbSe和PbTe(PbTe探测器，有单晶型和多晶薄膜型两种)。n单晶型光电导探测器，早期以锑化铟(
35、InSb)为主，只能探测7微米以下的红外辐射，后来发展了响应波长随材料组分变化的锑镉汞(Hg1-xCdxTe)和锑锡铅(Pb1-xSnxTe)三元化合物探测器，在77K温度下对8到14微米波段的红外辐射的探测率很高。n光伏探测器 p-n结及其附近吸收光子后产牛电子和空穴。在结区外，它们靠扩散进入结区；在结区内，则受结的静电场作用电子漂移到n区，空穴漂移到p区。n区获得附加电子，p区获得附加空穴，结区获得一附加电势差。它与p-n结原来存在的势垒方向相反，这就要降低p-n结原有的势垒高度，使得扩散电流增加，直到达到新的平衡为止。如果把半导体两端用导线连结起来，电路中就有反向电流流过，用灵敏电流计可
36、以测量出来；如果p-n结两端开路，可用高阻毫伏计测量出光生伏特电压。这就是p-n结的光伏效应。利用光伏效应制成的红外探测器称为光伏探测器(简称PV器件)。n光磁电探测器 在样品横向加一磁场，当半导体表面吸收光子后所产生的电子和空穴随即向体内扩散，在扩散过程中由于受横向磁场的作用，电子和空穴分别向样品两端偏移，在样品两端产生电位差。这种现象叫做光磁电效应。利用光磁电效应制成的探测器称为光磁电探测器(简称PEM器件)。热探测器与光子探测器性能比较n(1)热探测器一般在室温下工作，不需要致冷；多数光子探测器必须工作在低温条件下才具有优良的性能。工作十13微米波段的PbS探测器主要在室温下工作，但适当
37、降低工作温度，性能会相应提高，在于冰温度下工作性能最好。n(2)热探测器对各种波长的红外辐射均有响应，是无选择性探测器；光子探测器只对短于或等于截止波长入的红外辐射才有响应，是有选择性的探测器。n(3)热探测器的响应率比光子探酗器的响应率低12个数量级，响应时间比光于探测器的长得多。液晶 液晶现象是液晶现象是1888年奥地利植物学家年奥地利植物学家莱尼茨尔莱尼茨尔（F.Reinitzer）在研究在研究胆甾醇苯甲酯胆甾醇苯甲酯时首先观时首先观察到的现象。他发现，当该化合物被加热时，察到的现象。他发现，当该化合物被加热时，在在145和和179时有两个敏锐的时有两个敏锐的“熔点熔点”。在。在145时
38、，晶体转变为混浊的各向异性的液体，时，晶体转变为混浊的各向异性的液体，继续加热至继续加热至179时，体系又进一步转变为透时，体系又进一步转变为透明的各向同性的液体。明的各向同性的液体。研究发现，处于研究发现，处于145和和179之间的液体部分之间的液体部分保留了晶体物质分子的有序排列，因此被称为保留了晶体物质分子的有序排列，因此被称为“流动的晶体流动的晶体”、“结晶的液体结晶的液体”。1889年，年，德国科学家将处于这种状态的物质命名为德国科学家将处于这种状态的物质命名为“液液晶晶”（liquid crystals，LC）。研究表明，液）。研究表明，液晶是介于晶态和液态之间的一种热力学稳定的晶
39、是介于晶态和液态之间的一种热力学稳定的相态，它既具有晶态的各向异性，又具有液态相态，它既具有晶态的各向异性，又具有液态的流动性。的流动性。液晶的应用n液晶在日常生活上，常见于电视、电脑显示器、摄液晶在日常生活上，常见于电视、电脑显示器、摄像机、温度计、光开关与电子表上。应用后，具有像机、温度计、光开关与电子表上。应用后，具有厚度小、耗电少、电磁辐射少等优点。厚度小、耗电少、电磁辐射少等优点。液晶显示器液晶显示器n将向列型液晶夹在有导电能力的玻璃平板间，在将向列型液晶夹在有导电能力的玻璃平板间，在两玻璃板间施加电压，利用电压控制液晶分子的两玻璃板间施加电压，利用电压控制液晶分子的排列方式，进而控制背光灯管所发出之光的透射排列方式，进而控制背光灯管所发出之光的透射程度，利用这种原理设计的显示器，称为程度，利用这种原理设计的显示器，称为液晶显液晶显示器示器（liquid crystal displayliquid crystal display ）简写为）简写为LCDLCD。在液晶。在液晶显示器的屏幕上布满发光点，每个发光点上有显示器的屏幕上布满发光点，每个发光点上有红红、绿绿、蓝蓝三中色素，透射光经三原色滤光片后，就三中色素，透射光经三原色滤光片后，就可产生各种色彩了。可产生各种色彩了。液晶显示器液晶显示器
