太阳能是储量最大的清洁可再生能源，也是地球上其他可再生能源如风能、水能和生物质能等能源形式的根本来源，发展太阳能利用相关的科学与技术是人类当前和未来的重要努力方向之一。本书简述太阳能利用的科学原理与技术，重点介绍太阳能科学转化利用的多种途径和技术，以及相关科学基础知识、研究方法和前沿进展。全书共分6章，内容涵盖光科学及太阳能、自然光合过程中的光生物转化、人工光合成过程中的光催化和光电催化化学转化、光伏发电过程中的光电转化以及光热过程中的光热化学转化等。
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目录
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序言
前言
第1章 绪论 1
1.1 光的本质和光科学 2
1.1.1 光科学发展简述 2
1.1.2 光本质的科学探索 3
1.1.3 光本质探索研究的科学意义及深远影响 5
1.2 太阳能与人类 7
1.2.1 太阳能与地球生命演化 8
1.2.2 太阳能及其光谱分布 8
1.2.3 太阳能资源分布概况 13
1.2.4 太阳能的特点及转化途径 14
1.3 地球生态环境与人类社会可持续发展 16
1.3.1 人类能源开发利用对地球生态环境的影响 16
1.3.2 人类社会可持续发展的能源战略 16
参考文献 18
第2章 太阳能转化之自然光合作用 19
2.1 光合作用概述 20
2.1.1 光合生物演化简史 20
2.1.2 光合作用与生物圈 21
2.1.3 光合作用研究的历史 22
2.1.4 光合作用的基本过程 24
2.2 原初光能转化过程 26
2.2.1 太阳能的捕获与传递 26
2.2.2 光化学反应 28
2.3 光系统Ⅱ 29
2.3.1 捕光复合物的能量传递过程 29
2.3.2 PS Ⅱ核心复合物结构 32
2.3.3 PS Ⅱ光化学反应和电荷传递 34
2.3.4 放氧中心结构及水氧化反应 36
2.3.5 光破坏及其防御机制 41
2.4 细胞色素b6f复合物 42
2.4.1 Cyt b6f的结构 42
2.4.2 Cyt b6f的功能 43
2.5 光系统Ⅰ 43
2.5.1 PSⅠ反应中心复合物的基本结构 44
2.5.2 捕光天线 45
2.5.3 电荷分离与电子转移 45
2.6 还原力的形成 47
2.6.1 NADPH的生成 47
2.6.2 光合磷酸化—ATP的合成 47
2.7 二氧化碳固定 49
2.7.1 光合碳还原循环—Calvin循环 49
2.7.2 光合产物 51
2.8 自然光合作用体系中的能量损失 51
2.8.1 光吸收过程中的能量损失 52
2.8.2 反应中心光电转化过程的能量损失 53
2.8.3 电子传递能差及光合产物能量 53
2.8.4 光呼吸及其他因素 53
2.9 生物能源简介 53
2.9.1 微藻光合产氢 54
2.9.2 微藻生物燃料 54
2.10 生物固氮反应简介 55
2.11 人工光合成 55
2.11.1 自然光合作用对人工光合成的启发 56
2.11.2 人工光合成体系的设计 57
2.11.3 自然-人工光合成体系之杂化 58
2.12 光合作用及合成生物学简介 59
2.13 展望 60
参考文献 61
第3章 太阳能转化之光催化 64
3.1 人工光合成与自然光合作用 65
3.2 光催化基础概述 65
3.2.1 光催化剂的基本概念 66
3.2.2 光催化分解水的基本原理 66
3.2.3 光催化分解水的热力学和动力学 67
3.2.4 完全分解水和产氢、产氧半反应 68
3.2.5 太阳能利用效率 70
3.2.6 光催化反应与储能的关系 71
3.2.7 单一光催化剂和Z机制完全分解水体系 72
3.3 半导体基光催化剂的组成及光吸收 74
3.3.1 光催化材料的元素组成 74
3.3.2 半导体光催化剂的光吸收 75
3.3.3 其他拓展光吸收范围的方法 78
3.4 光催化过程中的光生电荷分离 81
3.5 光催化过程中的催化作用 85
3.5.1 光催化反应与光化学反应的区别 85
3.5.2 光催化反应与热催化反应的关系 86
3.5.3 光催化中的助催化剂 89
3.5.4 光催化中助催化剂的作用机制 90
3.5.5 氧化还原双助催化剂 93
3.5.6 助催化剂与电催化剂的区别与联系 96
3.6 光催化动态学光谱表征技术简介 97
3.7 光催化分解水表面反应机理 99
3.8 人工光合成中的分子光催化剂 101
3.8.1 分子光催化体系 102
3.8.2 分子光催化体系的光致电荷转移 102
3.8.3 分子光催化体系研究进展简介 103
3.9 光催化分解水的规模化应用可行性探索 105
3.10 太阳能分解水制氢的途径与前景 108
3.10.1 太阳能分解水制氢的途径 108
3.10.2 规模化太阳能分解水制氢的前景 109
3.11 光催化二氧化碳还原 111
3.12 规模化人工光合成太阳燃料简介 112
3.13 太阳能光催化的其他重要应用领域简介 116
3.13.1 光催化治理环境污染物 116
3.13.2 光催化有机合成 118
3.14 展望 121
参考文献 123
第4章 太阳能转化之光电催化 128
4.1 光电催化人工光合成的原理和特点 129
4.2 半导体-溶液界面双电层和能级分布 131
4.3 半导体-溶液界面电荷传递及光电流理论简介 141
4.4 光电催化分解水体系的分类 144
4.4.1 单一光阳极体系 144
4.4.2 单一光阴极体系 145
4.4.3 光阳极-光阴极体系 145
4.4.4 光电-光伏耦合体系 145
4.5 光电催化测试条件及参数 146
4.6 光电催化分解水主要效率指标 148
4.6.1 太阳能到氢能转化效率 148
4.6.2 外加偏压下光电转换效率 150
4.6.3 外量子效率 152
4.6.4 内量子效率 153
4.7 提升光电催化性能的常用策略 154
4.7.1 增加光吸收 154
4.7.2 促进光生电荷分离和传输 154
4.7.3 促进表面催化反应 157
4.8 光电催化相关电解水原理和催化剂简介 157
4.8.1 电极反应动力学简介 159
4.8.2 电催化产氢反应机理 164
4.8.3 产氢电催化剂 165
4.8.4 电催化产氧反应机理 166
4.8.5 产氧电催化剂 168
4.8.6 光电催化分解水反应机理研究进展 169
4.9 光电极制备和界面修饰方法 170
4.9.1 物理方法制备光电极 170
4.9.2 化学方法制备光电极 171
4.9.3 界面修饰方法 172
4.10 光电催化转化平台 173
4.11 展望 174
参考文献 175
第5章 太阳能转化之太阳电池 179
5.1 太阳电池历史与现状 180
5.1.1 太阳电池发展历史 180
5.1.2 太阳电池研究现状 184
5.2 太阳电池基础 186
5.2.1 载流子的产生 186
5.2.2 载流子的分离 189
5.2.3 载流子的输运和收集 194
5.2.4 太阳电池性能表征 195
5.2.5 太阳电池热力学极限效率 200
5.3 各类太阳电池简介 203
5.3.1 晶体硅太阳电池 204
5.3.2 硅薄膜太阳电池 210
5.3.3 碲化镉薄膜太阳电池 213
5.3.4 铜铟镓硒薄膜太阳电池 214
5.3.5 砷化镓薄膜太阳电池 215
5.3.6 有机太阳电池 216
5.3.7 染料敏化太阳电池 221
5.3.8 钙钛矿太阳电池 225
5.3.9 叠层太阳电池 232
5.4 展望 234
参考文献 237
第6章 太阳能转化之光热转化 238
6.1 光能—热能转化 239
6.1.1 光热本质 239
6.1.2 光热转化原理 241
6.1.3 光热储存原理 243
6.2 光热能—电能转化 245
6.2.1 光热间接发电 245
6.2.2 热电直接发电 252
6.3 光热能—化学能转化 257
6.3.1 热化学分解H2O及CO2研究 258
6.3.2 光热催化制备化学品简介 265
6.4 展望 267
参考文献 268
关键词索引 270
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